LED芯片封裝缺陷檢測方案

　　圖4中(a)、(b)仿真結果對應于圖3中(a)、(b)兩種線(xiàn)圈磁芯搭接方式。比較兩種線(xiàn)圈磁芯搭接處磁路仿真結果可以看出：①圖3(a)示磁芯搭接處磁路在空氣介質(zhì)中的回路最短，所受磁阻最小，因此磁損耗也最小。②由于待測LED支架回路電流為微安量級，激起的磁場(chǎng)較小，易受空間電磁場(chǎng)的干擾，圖3(b)示磁芯搭接處磁路暴露在空氣介質(zhì)中較多，受干擾的幾率較大。由上述分析，圖3(a)磁芯搭接方式較優(yōu)，可以增強信號檢測端抑制干擾能力，增加檢測信號幅值，一定程度上提高光激勵檢測信號信噪比，進(jìn)而提高缺陷檢測精度。

　　2實(shí)驗及分析

　　2.1實(shí)驗

　　為了比較條形磁芯線(xiàn)圈與環(huán)形磁芯線(xiàn)圈對封裝缺陷檢測精度的影響，現分別使用條形磁芯線(xiàn)圈和圖3(a)示環(huán)形磁芯線(xiàn)圈進(jìn)行實(shí)驗。磁芯材料為PC40，其初始相對磁導率約為2300，條形磁芯的外形幾何尺寸為1.6minx3.2ram×20mm，線(xiàn)圈匝數為300匝;環(huán)形磁芯橫截面尺寸為1.6mm×3.2mm，其有效磁路長(cháng)度約等于條形磁芯，線(xiàn)圈匝數為300匝。實(shí)驗中激勵光源為一種超高亮度貼片式白光LED，激勵光源用占空比為50%的方波信號驅動(dòng)，方波信號可由一系列正弦變化的信號疊加而成，使其基頻與諧振回路的工作頻率相同，即LC諧振回路實(shí)現了對方波信號的選頻，所以穿過(guò)線(xiàn)圈磁通鏈的變化率就是方波基頻信號的變化率;檢測對象分別是GaP材料12mil黃色焊接質(zhì)量合格的LED和焊接過(guò)程中芯片電極有非金屬膜的LED。從線(xiàn)圈兩端輸出的信號經(jīng)放大、濾波、峰值檢波后見(jiàn)圖5。實(shí)驗中放大器的放大倍數為103倍。

　　2.2結果分析

　　本文介紹的LED芯片封裝缺陷檢測方法是通過(guò)檢測LED支架回路光電流間接實(shí)現的。由圖5可以看出，支架回路光電流激發(fā)的磁場(chǎng)在不同磁芯結構線(xiàn)圈兩端感生電動(dòng)勢大小不同;不同磁芯結構線(xiàn)圈，檢測信號的信噪比差異較大。具體表現為：

　?、俸附淤|(zhì)量合格的LED，實(shí)驗檢測值與理論計算值相吻合。圖5(a)為使用條形線(xiàn)圈磁芯的實(shí)驗結果，封裝工藝中焊接質(zhì)量合格的LED，信號檢測端產(chǎn)生的光激勵信號經(jīng)放大、濾波、峰值檢波后幅值約為60mV。選12mil黃色LED芯片進(jìn)行理論值計算，芯片面積A=0.3mm×0.3mm，取β=0.5當單位時(shí)間內單位面積被半導體材料吸收的平均光強(以光子數計)為5.45×1021個(gè)/m2s時(shí)，由式(1)可計算出光生電流約為42μA。由畢奧-薩伐爾定理、疊加定理及法拉第電磁感應定律，可求得12mil黃色LED芯片在信號檢測端感生電動(dòng)勢幅值約為63mV,去除實(shí)驗誤差和計算誤差，理論值和實(shí)驗值較好地吻合。

　?、趯τ诃h(huán)形結構磁芯線(xiàn)圈，實(shí)驗值較理論值小。根據式(8)，對于條形結構磁芯線(xiàn)圈，假設磁芯有效磁路長(cháng)度le=100lg，此時(shí)有效磁導率μe≈100。若磁芯改為環(huán)形，則非閉合氣隙長(cháng)度lg≈0，此時(shí)有效磁導率μe≈μr=2300，由理論計算可知，12mil黃色焊接質(zhì)量合格LED在信號檢測端感生電動(dòng)勢幅值約為1.4V;由圖5(b)知，實(shí)驗得到信號值約為220mV，實(shí)驗值遠小于理論值。上述計算是在理想情況下進(jìn)行的，在實(shí)際實(shí)驗過(guò)程中，環(huán)形磁芯線(xiàn)圈是由U形磁芯和條形磁芯搭接而成的，搭接處氣隙lg仍然存在，因而磁路不可能完全閉合，由式(8)知，氣隙對有效磁導率影響很大，所以有效磁導率仍小于相對磁導率，因此，實(shí)驗值遠小于理論值。

　?、鄄煌判窘Y構均可實(shí)現LED封裝缺陷的檢測，但檢測信號的信噪比差異較大。由圖5可以看出，雖然實(shí)驗中磁芯線(xiàn)圈采用不同結構，對于焊接質(zhì)量合格的LED，其光激勵檢測信號均明顯大于封裝過(guò)程中芯片電極表面存在非金屬膜的LED光激勵檢測信號，通過(guò)比較兩者檢測信號幅值的大小，可將封裝過(guò)程中芯片電極表面存在非金屬膜的LED撿出。對圖5(a)，實(shí)驗使用的線(xiàn)圈中磁芯為條形結構，存在氣隙lg，磁感應強度B增強倍數為有效磁導率μe，同時(shí)檢測信號易受外界干擾，因而檢測信號幅值較小且存在較大的檢測噪聲，使得兩種芯片光激勵信號信噪比都較小，給后端信號處理帶來(lái)難度，影響封裝缺陷檢測的精確度。將線(xiàn)圈中磁芯搭接成環(huán)形后構成閉合磁回路，磁感應強度B得到有效增強，磁損耗較小，受到空間電磁場(chǎng)的干擾相對也較小，所以檢測信號信噪比得到顯著(zhù)改善。

　?、懿煌判窘Y構影響諧振回路的工作頻率。實(shí)驗過(guò)程中，LC諧振回路的電容C相等，環(huán)形磁芯的有效磁導率大于條形磁芯的有效磁導率，因而環(huán)形磁芯線(xiàn)圈的電感L大于條形磁芯線(xiàn)圈的電感，所以其諧振回路的諧振頻率較小;從圖5可以看出，條形磁芯線(xiàn)圈構成的諧振回路的諧振頻率約為9.75kHz，而環(huán)形磁芯線(xiàn)圈構成的諧振回路的諧振頻率約為7.33kHz。

　?、堇碚摲治龊蛯?shí)驗結果分析可得，該方法對LED支架回路電流具有較高的檢測精度，通過(guò)檢測支架回路電流激起的磁場(chǎng)在線(xiàn)圈兩端感生出電動(dòng)勢的大小，并與焊接質(zhì)量合格的LED的檢測信號進(jìn)行比較，實(shí)現對封裝過(guò)程中存在封裝缺陷的LED進(jìn)行檢測。

　　3結論

　　針對引腳式LED芯片封裝過(guò)程中存在的封裝缺陷問(wèn)題，基于p-n結的光生伏特效應，利用電子隧穿效應分析了一種封裝缺陷對LED性能的影響。理論分析表明，當LED芯片電極表面存在非金屬膜層時(shí)，流過(guò)LED支架回路的光電流小于光生電流，隨著(zhù)膜層厚度的增加，回路光電流逐漸減小，其檢測信號減小。通過(guò)非接觸法檢測待測LED光激勵信號并與焊接合格的LED光激勵信號進(jìn)行比較，實(shí)現對引腳式封裝LED芯片在壓焊工序中/后的功能狀態(tài)及封裝缺陷的檢測。分析了影響檢測精度的因素。用焊接合格與芯片電極表面存在非金屬膜的12mil黃LED樣品進(jìn)行實(shí)驗，結果表明，該方法可以檢測LED支架回路微安量級光生電流信號，并具有較高的信噪比，檢測結果能實(shí)現對焊接質(zhì)量合格與芯片失效或存在封裝缺陷的LED的區分，達到對LED芯片在壓焊工序中/后的功能狀態(tài)及封裝缺陷檢測的目的，從而降低LED生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量、避免使用存在缺陷的LED造成重大損失。