LED芯片封装缺陷检测方法研究1

摘要：引脚式LED芯片封装工艺中封装缺陷不可避免。基于p-n结的光生伏应和电子隧穿效应,分析了一种封装缺陷对LED支架回路光电流的影响。利用电磁感应定律对LED支架回路光电流进行非接触检测,得到LED芯片功能状态及芯片电极与引线支架问的电气连接情况,并对检测精度的影响因素进行分析。实验表明,该方法具有高检测信噪比,能够实现对封装过程LED芯片功能状态及封装缺陷的检测。计算结果与实验结果较好吻合。
关键词：LED芯片；封装缺陷检测；p-n结光生伏应；电子隧穿效应；非金属膜层

LED（Light-emitting diode）由于寿命长、能耗低等优点被广泛地应用于指示、显示等领域。可靠性、稳定性及高出光率是LED取代现有照明光源必须考虑的因素。封装工艺是影响LED功能作用的主要因素之一,封装工艺关键工序有装架、压焊、封装。由于封装工艺本身的原因,导致LED封装过程中存在诸多缺陷（如重复焊接、芯片电极氧化等）,统计数据显示[1-2]：焊接系统的失效占整个半导体失效模式的比例是25％～30％,在国内[3],由于受到设备和产量的双重限制,多数生产厂家采用人工焊接的方法,焊接系统不合格占不合格总数的40％以上。从使用角度分析,LED封装过程中产生的缺陷,虽然使用初期并不影响其光电性能,但在以后的使用过程中会逐渐暴露出来并导致器件失效。在LED的某些应用领域,如高精密航天器材,其潜在的缺陷比那些立即出现致命性失效的缺陷危害更大。因此,如何在封装过程中实现对LED芯片的检测、阻断存在缺陷的LED进入后序封装工序,从而降低生产成本、提高产品的质量、避免使用存在缺陷的LED造成重大损失就成为LED封装行业急需解决的难题。

目前,LED产业的检测技术主要集中于封装前晶片级的检测[4-5]及封装完成后的成品级检测[6-7],而国内针对封装过程中LED的检测技术尚不成熟。本文在LED芯片非接触检测方法的基础上[8-9],在LED引脚式封装过程中,利用p-n结光生伏应,分析了封装缺陷对光照射LED芯片在引线支架中产生的回路光电流的影响,采用电磁感应定律测量该回路光电流,实现LED封装过程中芯片质量及封装缺陷的检测。

1理论分析

1．1 p-n结的光生伏应[m]根据p-n结光生伏应,光生电流IL表示为：

 

式中,A为p-n结面积,q是电子电量,Ln、Lp分别为电子和空穴的扩散长度,J表示以光子数计算的平均光强,α为p-n结材料的吸收系数,β是量子产额,即每吸收一个光子产生的电子一空穴对数。

在LED引脚式封装过程中,每个LED芯片是被固定在引线支架上的,LED芯片通过压焊金丝（铝丝）与引线支架形成了闭合回路,如图1。若忽略引线支架电阻,LED支架回路光电流等于芯片光生电流IL。可见,当p-n结材料和掺杂浓度一定时,支架回路光电流与光照强度I成正比。

 

1．2封装缺陷机理

LED芯片受到腐蚀因素影响或沾染油污时,在芯片电极表面生成一层非金属膜,产生封装缺陷[11]。电极表面存在非金属膜层的LED芯片压焊工序后,焊接处形成金属一介质-金属结构,也称为隧道结。当一定强度的光照射在LED芯片上,若LED芯片失效,支架回路无光电流流过若非金属膜层足够厚,只有极少数电子可以隧穿膜层势垒,LED支架回路也无光电流流过；若非金属膜层较薄,由于LED芯片光生电流在隧道结两侧形成电场,电子主要以场致发射的方式隧穿膜层,流过单位面积膜层的电流可表示为[12]。

 

其中q为电子电量,m为电子质量,矗为普朗克常数,vx、vy、vz分别是电子在x、y、z方向的隧穿速度,T（x）为电子的隧穿概率。又任意势垒的电子隧穿概率可表示为[13]