【摘要】：為了在大批量封裝生產線上對LED的封裝質量進行實時檢測，利用LED具有與PD類似的光伏效應的特點，導出了LED芯片/器件封裝質量與光生電流之間的關系，并根據LED封裝工藝過程的特點，研制了LED封裝質量非接觸檢測實驗平臺，完成了芯片、固晶、焊接質量影響的模仿實驗，證實了方法的可行性，并開發出了實際樣機。
【關鍵詞】： LED；封裝質量；非接觸；在線檢測
基金項目：國家自然科學基金項目贊助(60676031)，重慶市科技攻關重大項目贊助(CSTC,2005AA40062B1)
1、引言
　　近些年來，隨著制作本錢的降落和發光效率、光衰等技巧瓶頸的突破，我國的LED照明產業進進了加速發展階段，利用市場敏捷增加，這導致了LED封裝產品的宏大市場，催生出了成千上萬家LED封裝企業，使我國成為國際上LED封裝的第一產量大國，LED封裝產品的年產值從2004年的99億元、2006年的140億元，發展到2008年的185億元，而年產量更是已經突破萬億只[1][2]。若LED封裝的廢品/次品率為0.1％，則全國每年萬億只LED封裝產品中就可能產生數億只廢品/次品，造成近億元的直接經濟喪失。
　　為了保證封裝質量，LED封裝企業都是通過在封裝前的鏡檢與封裝后的分檢來保證LED封裝質量。封裝前的鏡檢即在封裝前對用顯微鏡對原材料芯片進行人工外觀檢查，觀察芯片材料表面是否有機械損傷及麻點麻坑、芯片尺寸及電極大小是否符合工藝請求、電極圖案是否完整，并剔除分歧格芯片，避免其流進下道工藝、產生次品；封裝后的分檢即在封裝完成后，采用主動分光分色機對封裝成品的光、電參數進行檢查，并根據檢測成果進行分檔、然后包裝。顯然封裝前的鏡檢與封裝后的分檢，只能將封裝中生產出的次品與正品區離開來、或將正品按參數進行分檔，不能提高封裝的成品率。
　　對于現代化的全主動封裝線，其自身的任何渺小差別都將敏捷對封裝產品的質量產生直接影響。則因此在全主動封裝線全面普及的條件下，在封裝生產過程中主動地對封裝質量進行在線實時檢測，已經成了提高封裝程度、保證封裝質量的一個必定需求。由于LED芯片尺寸小、封裝工藝請求高、封裝生產速度快，因此很難在封裝過程中進行實時的質量檢測與把持。

2、LED封裝工藝的特點分析
　　要在LED封裝工藝過程中對其芯片/封裝質量進行實時在線檢測，就必需首先懂得LED封裝的工藝特點、LED的參數特點。
　　2.1 LED封裝的工藝過程
　　LED封裝的任務是將外引線連接到LED芯片的電極上，同時保護好LED芯片，并且起到提高光取出效率的作用。而LED的封裝情勢是五花八門，重要根據不同的利用處合采用相應的外形尺寸。而支架式全環氧包封是目前用量最大、產量最高的情勢，因此也應當是LED封裝產品德量在線檢測的重點突破對象。
　　支架式全環氧包封的重要工序是[4]，首先對LED芯片進行鏡檢、擴片，并在一組連筋的支架排中每個LED支架的反光碗中心處以及芯片的背電極處點上銀膠（即點膠、備膠工藝），然后用真空吸嘴將LED芯片吸起安頓在支架的反光碗中心處，并通過燒結將芯片的背電極與支架固結在一起（即固晶工藝）；通過壓焊將電極引線引到LED芯片上，完成產品內外引線的連接工作（即壓焊工藝）；將光學環氧膠真空除泡后灌注進LED成型模內、然后將支架整體壓進LED成型模內（即灌膠工藝），對環氧膠進行高溫固化、退火降溫，固化之后脫模（即固化工藝），最后切斷LED支架的連筋(圖1所示)，最落后行分檢、包裝。
　　2.2 LED封裝工藝的特點分析
　　從LED的封裝工藝過程看，在芯片的擴片、備膠、點晶環節，有可能對芯片造成損傷，對LED的所有光、電特征產生影響；而在支架的固晶、壓焊過程中，則有可能產生芯片錯位、內電極接觸不良，或者外電極引線虛焊或焊接應力，芯片錯位影響輸出光場的散布及效率，而內外電極的接觸不良或虛焊則會增大LED的接觸電阻；在灌膠、環氧固化工藝中，則可能產賭氣泡、熱應力，對LED的輸出光效產生影響。
　　因此可知，LED芯片與封裝工藝皆會對其光、電特征產生影響，因此LED的終極質量是各個工藝環節的綜合反應。要提高其封裝產品德量，需要對各個生產工藝環節進行實時檢測、調劑工藝參數，以將次品、廢品把持在最低限度。
由于封裝工藝過程的精致、復雜、高速特征，慣例的接觸式丈量幾乎難以實現封裝中的質量檢測，非接觸丈量是最有盼看的手段。

3、非接觸檢測的基礎原理
　　3.1 LED芯片的光伏特征
　　發光二極管LED芯片的核心是摻雜的PN結，當給它施加正向工作電壓VD時，驅使價帶中的空***穿過PN結進進N型區、同時驅動導帶中的電子超出PN結進進P型區，在結的四周過剩的載流子會產生復合，在復合過程中發光、從而把電能轉換為光能。其在電流驅動條件下發光的性質是由PN的摻雜特征決定，而光電二極管PD的光電特征的也是由PN的摻雜特征決定的，因此LED與PD在本質上有相近之處，這樣當光束照射到開路的LED芯片上時，會在LED芯片的PN結兩端分辨產生光生載流子電子、空***的堆積，形成光生電壓VL。若將此LED芯片的外電路短路，則其PN結兩真個光生載流子會定向運動形成光生電流IL：[4][5]
（1）
　　式中：A為芯片的PN結面積，q是電子電量，w是PN結的勢壘區寬度，Ln、Lp 分辨為電子、空***的擴散長度，β是量子產額（即每接收一個光子產生的電子-空***對數）， 是照射到PN結上的均勻光強度(即單位時間內單位面積被半導體材料接收的光子數)。它們分辨為：
； （2）
（3）
　　其中，μn、μp分辨為電子、空***遷移率（與材料本身、摻雜濃度以及溫度有關），KB為玻爾茲曼常數，T為開氏溫度，τn、τp分辨為電子、空***載流子壽命（與材料本身及溫度有關），α為半導體PN結材料本身、摻雜濃度以及鼓勵光的波長有關的材料接收系數，d是PN結的厚度，P(x)是在PN結內地位x處的鼓勵光強度。
　　考核式（1）~（3）可知，LED芯片的光伏特征與其PN結的結構參數、材料參數相干，而這些參數正好是決定LED發光特征的關鍵參數，因此假如一只LED芯片的發光特征好、則其光伏特征也好，反之亦然。因此可以利用LED芯片發光特征與光伏特征之間的這種內在接洽，通過測試其光伏特征來間接檢驗其發光特征，判定LED芯片質量的優劣，實現其封裝質量的非接觸檢測。
　　3.2 LED光伏特征的等效電路
　　對于支架式封裝的LED而言，在封裝過程中是將一組連筋的支架裝夾在封裝機上，然后將芯片與支架封裝在一起，構成圖1所示的支架封裝結構。由圖1（b）、（c）可以看出，LED的支架、支架連筋、引線、銀膠與LED芯片一起，構成了一個完整的外電路短接通道，正符合光伏效應的工作請求。而對于LED封裝質量的慣例檢測方法而言，這種工作條件是完整無法開展檢測的。
　　由于實際的LED并不是一個單純的幻想PN結，它不僅包含PN結的內阻、并聯電阻及串聯電阻，還包含支架、支架連筋、引線、銀膠，因此PN結在外界光照下產生的光生伏殊效應形成的光生電流IL并不完整即是流過支架的光生電流IL1。因此支架上流過的電流是LED光電參數的綜合反應。
　　若將引線支架的內阻RL看作是光照時LED的負載、PN結光生伏殊效應產生的光生電流IL看作為一個恒流源，則光照時LED的等效電路如圖2所示。即工作于光生伏殊效應下的LED由可等效為一個幻想電流源IL、一個幻想二極管D、以及相應的等效串、并聯電阻Rsh、Rs。其中等效并聯電阻Rsh包含PN結內的漏電阻以及結邊緣的漏電阻，而等效串聯電阻Rs包含P區和N區的體電阻Rs1、電極的電阻以及電極和結之間的接觸電阻Rs2，且
（4）
　　而IL1是引線支架上流過的負載電流，IF是流過幻想二極管D的正向電流，它與二極管兩真個電壓VD滿足關系式：
（5）
　　式中Is是二極管的反向飽和電流，η是與PN結電流復合機制有關的一個參數，它們都是由LED芯片的特征決定。因此IF反應了LED的芯片特征。

圖2、 支架式LED封裝結構的等效電路圖
根據圖2所示的等效電路，可以得到光生電流IL與支架上流過的電流IL1的關系為：
（6）
　　將式（1）、（4）、（5）帶進（6），并收拾、變形，則可得到LED支架上的光生電流IL1為：
（7）
　　由式（7）可以看出，對于LED封裝產品而言，外線路上的電流IL1由兩部分組成，其中分子部分重要反應芯片的內在質量，而分母則重要反應芯片外部的器件質量（如封裝過程中存在的固晶膠連、引線焊接質量等諸多缺點）。因此只要檢測連筋上的光電流，既可全面把握LED芯片/器件的封裝質量。

4、LED封裝質量非接觸在線檢測的弱信號檢測技巧
　4.1 系統實現原理
　　考核圖1（b）、（c）及式（7）可知，在LED壓焊之后、灌膠之前，就已經形成了LED光伏效應必需的短接電路，因此可以在壓焊后、灌膠前，利用LED的光伏效應對芯片質量、固晶質量、壓焊質量進行檢測，及時挑出次品進行人工修補，并根據檢測成果對LED封裝生產線的相應工藝參數進行實時修正，進一步把持次品率。而在環氧封裝完成后、切筋前的環節，則還可以再次利用LED的光伏效應對封裝的后果進行非接觸檢測，領導對環氧灌膠、固化工藝的實時調劑，剔除次品/廢品。
　　根據圖1及式（7）可知，利用LED的光伏效應進行芯片/封裝的非接觸檢測，其關鍵有三，一是用特定光束準確地照射到LED芯片上，非接觸地供給光伏效應所需的光鼓勵；二是用特別的技巧手段不，非接觸地獲取支架回路中的光生電流；三是根據獲取的光生電流，對芯片的質量缺點進行判定。為此采用圖3所示原理系統，實現LED的非接觸檢測[5][6]。
　　其中半導體激光器LD發出的光經聚焦后投射到LED芯片上，以對LED激發使其產生光伏效應。而在信號的采集環節，采用電磁耦合方法獲取LED在光照下輸出的電流信號，以實現非接觸丈量。最后采用采用式（7）對光電流進行盤算處理，對LED的質量進行判別，并找出影響封裝質量的原因，區分出芯片、封裝的因素。
　　固然在光照下LED會產生光伏效應，但其光伏效應遠遠弱于作為光電探測器的光電二極管PD，因此其光生電流IL極為微弱，只有微安數目級，因此非接觸地獲取支架回路中的光生電流，是其中技巧難度最大的一個關鍵。固然采用電磁耦合方法可實現LED光生電流的非接觸丈量，但是電磁耦合的方法同時也會耦合進了空間電磁場，這些外界電磁場噪聲與干擾遠遠比光生電流IL強，因此從強烈的外界電磁場信號中提取出十分微弱的光生電流IL非常艱苦。為此采用抗混濾波、鎖相放大的組合方法，實現了從強烈的環境噪聲中分別光生電流IL的目標。
　　4.2 系統驗證實驗
　　利用圖3所示原理系統，搭建了實驗平臺，對數組支架式LED封裝產品進行了原理驗證實驗。實驗條件是支架式LED封裝環氧封裝脫模后、但尚未切斷連筋的成品組。重要實驗有系統檢測后果的綜合定性實驗、芯片固晶錯位對LED輸出光生電流影響的模仿實驗、引線焊接質量對LED輸出光生電流的模仿影響實驗等[4][5]。
　　4.2.1 不同芯片LED的對照實驗
　　圖4是不同芯片LED的對照實驗后果。其中圖4（a）、（b）、（c）分辨是三只不同芯片LED在同等條件下的對照實驗，圖4（d）則是沒有LED的輸出成果（相當于純粹環境噪聲的成果）。從圖4 可看出，不同芯片的差別得到了充分的體現；而且從表1可看出，30次實驗重復成果有極好的一致性。另外從圖4還可以看出，每只LED的檢測時間僅5毫秒，假如按1：1的信號占空比盤算，則在不考慮機械運動與慣性的條件下，純粹從電氣處理的角度看，此方法可以達到100只/秒的檢測速度。

(a) 1#芯片LED (b) 2#芯片LED

(b) 3#芯片LED (d) 噪聲
圖4、 不同芯片LED的對照實驗成果

表1、重復實驗成果
電壓均值（V） 方差（V） 信噪比
芯片1 1.2814 4.654×10-6 906.6％
芯片2 1.2807 4.368×10-6 906.05 ％
芯片3 0.3733 9.644×10-5 193.3％
噪聲 0.1273 6.489×10-5 ———
　　4.2.2 LED芯片固晶錯位影響的模仿實驗
　　當固晶地位有偏差時，芯片將偏離環氧透鏡球心腸位，這時進射的激光束經透鏡后將產生偏折而不能全部聚焦到芯片上，導致芯片接收到得總光強P變弱。由式（7）可以看出，進射光強P的變更將引起IL1的線性變更。因此系統輸出的信號強度，也能反應固晶的質量。為此通過調劑照射LED的激光光源強度，來模仿固晶偏差，實在驗成果如圖5所示，與（7）式完整吻合。

圖5、固晶錯位影響的模仿實驗成果 圖6、引線焊接質量影響的模仿實驗成果
　　4.2.3 引線焊接質量影響的模仿實驗成果
　　在圖2所示的等效電路中，Rs2與負載RL是串聯的，由于電極的電阻以及電極和結之間的接觸電阻Rs2很難直接丈量，因此實驗中通過串聯不同的負載電阻RL來模仿接觸電阻Rs 對檢測成果造成的影響，其實驗成果如圖6所示。由圖6可知，隨著外加負載RL的增大，流過負載的電流越來越小。實驗與理論都表明，接觸電阻Rs的渺小變更會使支架上流過的電流IL1產生很大的轉變。對于功效完好的LED芯片，通過丈量支架上流過的光生電流IL1可以盤算得到LED的串聯電阻Rs。若串聯電阻值無限大，則芯片與電極之間可能呈現了銀膠脫膠、漏焊或者焊絲斷裂標題，若串聯電阻與正常連接狀態下的串聯電阻有大的差別，則芯片與電極之間可能呈現了其它的焊接標題，如虛焊、重復焊接等。因此，通過火析支架上流過的光生電流值，可以檢測LED封裝過程中芯片與引線支架之間的電氣連接狀態。

5、結論
　　由于我國 LED封裝產量十分宏大，因此在大批量封裝生產線上對LED的封裝質量進行實時在線檢測，能夠調換有效改良目前大批量的封裝生產企業采用的人工肉眼檢查落伍現狀、有效下降次品/廢品率。為此，充分利用LED具有與PD類似的光伏效應的特點、以及所建立的LED芯片/器件封裝質量與光電流之間的關系，搭建了LED封裝質量非接觸檢測實驗平臺，并通過模仿實驗證實了芯片差別、固晶質量、焊接質量的影響都可以通過檢測儀輸出信號的特點體現出來，而且檢測的離散度小于10-6，檢測速度可達100只/秒。在此基礎上，還開發出了圖7所示實際檢測樣機[7]，并正在進行實際檢測樣機與封裝生產線的系統集成，以及LED參數的進一步的量化研究。
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5、 李戀, 李平, 文玉梅, 尹飛, 毋玉芬, 張鑫，采用光生伏殊效應的LED芯片在線檢測方法研究，儀器儀表學報，2009，30（3）：454~458；
6、 文玉梅；李平；李戀；文靜，一種LED芯片的檢測方法，中國專利數據庫檢索系統，200710078657，
7、 文玉梅；李平；李戀；文靜，一種帶LED缺點檢測裝置的焊線機，中國專利數據庫檢索系統，200710093098
【作者簡介】：陳偉民（1955.12— ）、男、云南、重慶大學光電工程學院教授、博士生導師、工學博士、重要研究方向電技巧及系統、傳感器與測試技巧。