【摘要】：为了在大批量封装生产线上对LED的封装质量进行实时检测，利用LED具有与PD类似的光伏效应的特点，导出了LED芯片/器件封装质量与光生电流之间的关系，并根据LED封装工艺过程的特点，研制了LED封装质量非接触检测实验平台，完成了芯片、固晶、焊接质量影响的模仿实验，证实了方法的可行性，并开发出了实际样机。
【关键词】： LED；封装质量；非接触；在线检测
基金项目：国家自然科学基金项目赞助(60676031)，重庆市科技攻关重大项目赞助(CSTC,2005AA40062B1)
1、引言
近些年来，随着制作本钱的降落和发光效率、光衰等技巧瓶颈的突破，我国的LED照明产业进进了加速发展阶段，利用市场敏捷增加，这导致了LED封装产品的宏大市场，催生出了成千上万家LED封装企业，使我国成为国际上LED封装的第一产量大国，LED封装产品的年产值从2004年的99亿元、2006年的140亿元，发展到2008年的185亿元，而年产量更是已经突破万亿只[1][2]。若LED封装的废品/次品率为0.1％，则全国每年万亿只LED封装产品中就可能产生数亿只废品/次品，造成近亿元的直接经济丧失。
为了保证封装质量，LED封装企业都是通过在封装前的镜检与封装后的分检来保证LED封装质量。封装前的镜检即在封装前对用显微镜对原材料芯片进行人工外观检查，观察芯片材料表面是否有机械损伤及麻点麻坑、芯片尺寸及电极大小是否符合工艺请求、电极图案是否完整，并剔除分歧格芯片，避免其流进下道工艺、产生次品；封装后的分检即在封装完成后，采用主动分光分色机对封装成品的光、电参数进行检查，并根据检测成果进行分档、然后包装。显然封装前的镜检与封装后的分检，只能将封装中生产出的次品与正品区离开来、或将正品按参数进行分档，不能提高封装的成品率。
对于现代化的全主动封装线，其自身的任何渺小差别都将敏捷对封装产品的质量产生直接影响。则因此在全主动封装线全面普及的条件下，在封装生产过程中主动地对封装质量进行在线实时检测，已经成了提高封装程度、保证封装质量的一个必定需求。由于LED芯片尺寸小、封装工艺请求高、封装生产速度快，因此很难在封装过程中进行实时的质量检测与把持。
2、LED封装工艺的特点分析
要在LED封装工艺过程中对其芯片/封装质量进行实时在线检测，就必需首先懂得LED封装的工艺特点、LED的参数特点。
2.1 LED封装的工艺过程
LED封装的任务是将外引线连接到LED芯片的电极上，同时保护好LED芯片，并且起到提高光取出效率的作用。而LED的封装情势是五花八门，重要根据不同的利用处合采用相应的外形尺寸。而支架式全环氧包封是目前用量最大、产量最高的情势，因此也应当是LED封装产品德量在线检测的重点突破对象。
支架式全环氧包封的重要工序是[4]，首先对LED芯片进行镜检、扩片，并在一组连筋的支架排中每个LED支架的反光碗中心处以及芯片的背电极处点上银胶（即点胶、备胶工艺），然后用真空吸嘴将LED芯片吸起安顿在支架的反光碗中心处，并通过烧结将芯片的背电极与支架固结在一起（即固晶工艺）；通过压焊将电极引线引到LED芯片上，完成产品内外引线的连接工作（即压焊工艺）；将光学环氧胶真空除泡后灌注进LED成型模内、然后将支架整体压进LED成型模内（即灌胶工艺），对环氧胶进行高温固化、退火降温，固化之后脱模（即固化工艺），最后切断LED支架的连筋(图1所示)，最落后行分检、包装。
2.2 LED封装工艺的特点分析
从LED的封装工艺过程看，在芯片的扩片、备胶、点晶环节，有可能对芯片造成损伤，对LED的所有光、电特征产生影响；而在支架的固晶、压焊过程中，则有可能产生芯片错位、内电极接触不良，或者外电极引线虚焊或焊接应力，芯片错位影响输出光场的散布及效率，而内外电极的接触不良或虚焊则会增大LED的接触电阻；在灌胶、环氧固化工艺中，则可能产赌气泡、热应力，对LED的输出光效产生影响。
因此可知，LED芯片与封装工艺皆会对其光、电特征产生影响，因此LED的终极质量是各个工艺环节的综合反应。要提高其封装产品德量，需要对各个生产工艺环节进行实时检测、调剂工艺参数，以将次品、废品把持在最低限度。
由于封装工艺过程的精致、复杂、高速特征，惯例的接触式丈量几乎难以实现封装中的质量检测，非接触丈量是最有盼看的手段。
3、非接触检测的基础原理
3.1 LED芯片的光伏特征
发光二极管LED芯片的核心是掺杂的PN结，当给它施加正向工作电压VD时，驱使价带中的空***穿过PN结进进N型区、同时驱动导带中的电子超出PN结进进P型区，在结的四周过剩的载流子会产生复合，在复合过程中发光、从而把电能转换为光能。其在电流驱动条件下发光的性质是由PN的掺杂特征决定，而光电二极管PD的光电特征的也是由PN的掺杂特征决定的，因此LED与PD在本质上有相近之处，这样当光束照射到开路的LED芯片上时，会在LED芯片的PN结两端分辨产生光生载流子电子、空***的堆积，形成光生电压VL。若将此LED芯片的外电路短路，则其PN结两真个光生载流子会定向运动形成光生电流IL：[4][5]
（1）
式中：A为芯片的PN结面积，q是电子电量，w是PN结的势垒区宽度，Ln、Lp 分辨为电子、空***的扩散长度，β是量子产额（即每接收一个光子产生的电子-空***对数）， 是照射到PN结上的均匀光强度(即单位时间内单位面积被半导体材料接收的光子数)。它们分辨为：
； （2）
（3）
其中，μn、μp分辨为电子、空***迁移率（与材料本身、掺杂浓度以及温度有关），KB为玻尔兹曼常数，T为开氏温度，τn、τp分辨为电子、空***载流子寿命（与材料本身及温度有关），α为半导体PN结材料本身、掺杂浓度以及鼓励光的波长有关的材料接收系数，d是PN结的厚度，P(x)是在PN结内地位x处的鼓励光强度。
考核式（1）~（3）可知，LED芯片的光伏特征与其PN结的结构参数、材料参数相干，而这些参数正好是决定LED发光特征的关键参数，因此假如一只LED芯片的发光特征好、则其光伏特征也好，反之亦然。因此可以利用LED芯片发光特征与光伏特征之间的这种内在接洽，通过测试其光伏特征来间接检验其发光特征，判定LED芯片质量的优劣，实现其封装质量的非接触检测。
3.2 LED光伏特征的等效电路
对于支架式封装的LED而言，在封装过程中是将一组连筋的支架装夹在封装机上，然后将芯片与支架封装在一起，构成图1所示的支架封装结构。由图1（b）、（c）可以看出，LED的支架、支架连筋、引线、银胶与LED芯片一起，构成了一个完整的外电路短接通道，正符合光伏效应的工作请求。而对于LED封装质量的惯例检测方法而言，这种工作条件是完整无法开展检测的。
由于实际的LED并不是一个单纯的幻想PN结，它不仅包含PN结的内阻、并联电阻及串联电阻，还包含支架、支架连筋、引线、银胶，因此PN结在外界光照下产生的光生伏殊效应形成的光生电流IL并不完整即是流过支架的光生电流IL1。因此支架上流过的电流是LED光电参数的综合反应。
若将引线支架的内阻RL看作是光照时LED的负载、PN结光生伏殊效应产生的光生电流IL看作为一个恒流源，则光照时LED的等效电路如图2所示。即工作于光生伏殊效应下的LED由可等效为一个幻想电流源IL、一个幻想二极管D、以及相应的等效串、并联电阻Rsh、Rs。其中等效并联电阻Rsh包含PN结内的漏电阻以及结边缘的漏电阻，而等效串联电阻Rs包含P区和N区的体电阻Rs1、电极的电阻以及电极和结之间的接触电阻Rs2，且
（4）
而IL1是引线支架上流过的负载电流，IF是流过幻想二极管D的正向电流，它与二极管两真个电压VD满足关系式：
（5）
式中Is是二极管的反向饱和电流，η是与PN结电流复合机制有关的一个参数，它们都是由LED芯片的特征决定。因此IF反应了LED的芯片特征。
图2、 支架式LED封装结构的等效电路图
根据图2所示的等效电路，可以得到光生电流IL与支架上流过的电流IL1的关系为：
（6）
将式（1）、（4）、（5）带进（6），并收拾、变形，则可得到LED支架上的光生电流IL1为：
（7）
由式（7）可以看出，对于LED封装产品而言，外线路上的电流IL1由两部分组成，其中分子部分重要反应芯片的内在质量，而分母则重要反应芯片外部的器件质量（如封装过程中存在的固晶胶连、引线焊接质量等诸多缺点）。因此只要检测连筋上的光电流，既可全面把握LED芯片/器件的封装质量。
4、LED封装质量非接触在线检测的弱信号检测技巧
4.1 系统实现原理
考核图1（b）、（c）及式（7）可知，在LED压焊之后、灌胶之前，就已经形成了LED光伏效应必需的短接电路，因此可以在压焊后、灌胶前，利用LED的光伏效应对芯片质量、固晶质量、压焊质量进行检测，及时挑出次品进行人工修补，并根据检测成果对LED封装生产线的相应工艺参数进行实时修正，进一步把持次品率。而在环氧封装完成后、切筋前的环节，则还可以再次利用LED的光伏效应对封装的后果进行非接触检测，领导对环氧灌胶、固化工艺的实时调剂，剔除次品/废品。
根据图1及式（7）可知，利用LED的光伏效应进行芯片/封装的非接触检测，其关键有三，一是用特定光束准确地照射到LED芯片上，非接触地供给光伏效应所需的光鼓励；二是用特别的技巧手段不，非接触地获取支架回路中的光生电流；三是根据获取的光生电流，对芯片的质量缺点进行判定。为此采用图3所示原理系统，实现LED的非接触检测[5][6]。
其中半导体激光器LD发出的光经聚焦后投射到LED芯片上，以对LED激发使其产生光伏效应。而在信号的采集环节，采用电磁耦合方法获取LED在光照下输出的电流信号，以实现非接触丈量。最后采用采用式（7）对光电流进行盘算处理，对LED的质量进行判别，并找出影响封装质量的原因，区分出芯片、封装的因素。
固然在光照下LED会产生光伏效应，但其光伏效应远远弱于作为光电探测器的光电二极管PD，因此其光生电流IL极为微弱，只有微安数目级，因此非接触地获取支架回路中的光生电流，是其中技巧难度最大的一个关键。固然采用电磁耦合方法可实现LED光生电流的非接触丈量，但是电磁耦合的方法同时也会耦合进了空间电磁场，这些外界电磁场噪声与干扰远远比光生电流IL强，因此从强烈的外界电磁场信号中提取出十分微弱的光生电流IL非常艰苦。为此采用抗混滤波、锁相放大的组合方法，实现了从强烈的环境噪声中分别光生电流IL的目标。
4.2 系统验证实验
利用图3所示原理系统，搭建了实验平台，对数组支架式LED封装产品进行了原理验证实验。实验条件是支架式LED封装环氧封装脱模后、但尚未切断连筋的成品组。重要实验有系统检测后果的综合定性实验、芯片固晶错位对LED输出光生电流影响的模仿实验、引线焊接质量对LED输出光生电流的模仿影响实验等[4][5]。
4.2.1 不同芯片LED的对照实验
图4是不同芯片LED的对照实验后果。其中图4（a）、（b）、（c）分辨是三只不同芯片LED在同等条件下的对照实验，图4（d）则是没有LED的输出成果（相当于纯粹环境噪声的成果）。从图4 可看出，不同芯片的差别得到了充分的体现；而且从表1可看出，30次实验重复成果有极好的一致性。另外从图4还可以看出，每只LED的检测时间仅5毫秒，假如按1：1的信号占空比盘算，则在不考虑机械运动与惯性的条件下，纯粹从电气处理的角度看，此方法可以达到100只/秒的检测速度。
(a) 1#芯片LED (b) 2#芯片LED
(b) 3#芯片LED (d) 噪声
图4、 不同芯片LED的对照实验成果
表1、重复实验成果
电压均值（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％
噪声 0.1273 6.489×10-5 ———
4.2.2 LED芯片固晶错位影响的模仿实验
当固晶地位有偏差时，芯片将偏离环氧透镜球心肠位，这时进射的激光束经透镜后将产生偏折而不能全部聚焦到芯片上，导致芯片接收到得总光强P变弱。由式（7）可以看出，进射光强P的变更将引起IL1的线性变更。因此系统输出的信号强度，也能反应固晶的质量。为此通过调剂照射LED的激光光源强度，来模仿固晶偏差，实在验成果如图5所示，与（7）式完整吻合。
图5、固晶错位影响的模仿实验成果 图6、引线焊接质量影响的模仿实验成果
4.2.3 引线焊接质量影响的模仿实验成果
在图2所示的等效电路中，Rs2与负载RL是串联的，由于电极的电阻以及电极和结之间的接触电阻Rs2很难直接丈量，因此实验中通过串联不同的负载电阻RL来模仿接触电阻Rs 对检测成果造成的影响，其实验成果如图6所示。由图6可知，随着外加负载RL的增大，流过负载的电流越来越小。实验与理论都表明，接触电阻Rs的渺小变更会使支架上流过的电流IL1产生很大的转变。对于功效完好的LED芯片，通过丈量支架上流过的光生电流IL1可以盘算得到LED的串联电阻Rs。若串联电阻值无限大，则芯片与电极之间可能呈现了银胶脱胶、漏焊或者焊丝断裂标题，若串联电阻与正常连接状态下的串联电阻有大的差别，则芯片与电极之间可能呈现了其它的焊接标题，如虚焊、重复焊接等。因此，通过火析支架上流过的光生电流值，可以检测LED封装过程中芯片与引线支架之间的电气连接状态。
5、结论
由于我国 LED封装产量十分宏大，因此在大批量封装生产线上对LED的封装质量进行实时在线检测，能够调换有效改良目前大批量的封装生产企业采用的人工肉眼检查落伍现状、有效下降次品/废品率。为此，充分利用LED具有与PD类似的光伏效应的特点、以及所建立的LED芯片/器件封装质量与光电流之间的关系，搭建了LED封装质量非接触检测实验平台，并通过模仿实验证实了芯片差别、固晶质量、焊接质量的影响都可以通过检测仪输出信号的特点体现出来，而且检测的离散度小于10-6，检测速度可达100只/秒。在此基础上，还开发出了图7所示实际检测样机[7]，并正在进行实际检测样机与封装生产线的系统集成，以及LED参数的进一步的量化研究。
【参考文献】
1、 梁红兵，LED：三大利用引领增加 封装业寻求突围，2007年第 41期 第 C6版；
2、 赛迪参谋信息产业研究中心，中国LED照明市场现状及趋势分析，中国照明网，，2009-7-15；
3、 Ledinfo，LED封装的工艺流程，中国LED技巧论坛 ，2007-5-13 12:21:02
4、 毋玉芬,文玉梅,李平,张鑫,李恋,尹飞，LED芯片封装在线非接触检测系统，传感技巧学报，2008，21（6）：1061~1065；
5、 李恋, 李平, 文玉梅, 尹飞, 毋玉芬, 张鑫，采用光生伏殊效应的LED芯片在线检测方法研究，仪器仪表学报，2009，30（3）：454~458；
6、 文玉梅；李平；李恋；文静，一种LED芯片的检测方法，中国专利数据库检索系统，200710078657，
7、 文玉梅；李平；李恋；文静，一种带LED缺点检测装置的焊线机，中国专利数据库检索系统，200710093098
【作者简介】：陈伟民（1955.12— ）、男、云南、重庆大学光电工程学院教授、博士生导师、工学博士、重要研究方向电技巧及系统、传感器与测试技巧。
LED芯片/器件封装缺点的非接触检测技巧
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