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、焊接質量影響的模擬實驗，證實了方法的可行性，并開發(fā)出了實際樣機。

1、引言

近些年來，隨著制造成本的下降和發(fā)光效率、光衰等技術瓶頸的突破，我國的LED照明產業(yè)進入了加速發(fā)展階段，應用市場迅速增長，這導致了LED封裝產品的巨大市場，催生出了成千上萬家LED封裝企業(yè)，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(fā)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(shù)億只廢品/次品，造成近億元的直接經濟損失。

為了保證封裝質量，LED封裝企業(yè)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要求、電極圖案是否完整，并剔除不合格芯片，避免其流入下道工藝、產生次品；封裝后的分檢即在封裝完成后，采用自動分光分色機對封裝成品的光、電參數(shù)進行檢查，并根據檢測結果進行分檔、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(qū)分開來、或將正品按參數(shù)進行分檔，不能提高封裝的成品率。

對于現(xiàn)代化的全自動封裝線，其自身的任何微小差異都將迅速對封裝產品的質量產生直接影響。則因此在全自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，已經成了提高封裝水平、保證封裝質量的一個必然需求。由于LED芯片尺寸小、封裝工藝要求高、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控制。

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，就必須首先了解LED封裝的工藝特點、LED的參數(shù)特點。

2.1LED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的封裝形式是五花八門，主要根據不同的應用場合采用相應的外形尺寸。而支架式全環(huán)氧包封是目前用量最大、產量最高的形式，因此也應該是LED封裝產品質量在線檢測的重點突破對象。

支架式全環(huán)氧包封的主要工序是[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芯片吸起安置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(huán)氧膠真空除泡后灌注入LED成型模內、然后將支架整體壓入LED成型模內（即灌膠工藝），對環(huán)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)，最后進行分檢、包裝。

2.2LED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(huán)節(jié)，有可能對芯片造成損傷，對LED的所有光、電特性產生影響；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分布及效率，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(huán)氧固化工藝中，則可能產生氣泡、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、電特性產生影響，因此LED的最終質量是各個工藝環(huán)節(jié)的綜合反映。要提高其封裝產品質量，需要對各個生產工藝環(huán)節(jié)進行實時檢測、調整工藝參數(shù)，以將次品、廢品控制在最低限度。

由于封裝工藝過程的精細、復雜、高速特性，常規(guī)的接觸式測量幾乎難以實現(xiàn)封裝中的質量檢測，非接觸測量是最有希望的手段。

3、非接觸檢測的基本原理

3.1LED芯片的光伏特性

發(fā)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，驅使價帶中的空穴穿過PN結進入N型區(qū)、同時驅動導帶中的電子越過PN結進入P型區(qū)，在結的附近多余的載流子會發(fā)生復合，在復合過程中發(fā)光、從而把電能轉換為光能。其在電流驅動條件下發(fā)光的性質是由PN的摻雜特性決定，而光電二極管PD的光電特性的也是由PN的摻雜特性決定的，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結兩端分別產生光生載流子電子、空穴的堆積，形成光生電壓VL。若將此LED芯片的外電路短路，則其PN結兩端的光生載流子會定向流動形成光生電流IL：

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(qū)寬度，Ln、Lp分別為電子、空穴的擴散長度，β是量子產額（即每吸收一個光子產生的電子-空穴對數(shù)），P是照射到PN結上的平均光強度(即單位時間內單位面積被半導體材料吸收的光子數(shù))。它們分別為：

其中，μn、μp分別為電子、空穴遷移率（與材料本身、摻雜濃度以及溫度有關），KB為玻爾茲曼常數(shù)，T為開氏溫度，τn、τp分別為電子、空穴載流子壽命（與材料本身及溫度有關），α為半導體PN結材料本身、摻雜濃度以及激勵光的波長有關的材料吸收系數(shù)，d是PN結的厚度，P(x)是在PN結內位置x處的激勵光強度。

考察式（1）~（3）可知，LED芯片的光伏特性與其PN結的結構參數(shù)、材料參數(shù)相關，而這些參數(shù)正好是決定LED發(fā)光特性的關鍵參數(shù)，因此如果一只LED芯片的發(fā)光特性好、則其光伏特性也好，反之亦然。因此可以利用LED芯片發(fā)光特性與光伏特性之間的這種內在聯(lián)系，通過測試其光伏特性來間接檢驗其發(fā)光特性，判斷LED芯片質量的優(yōu)劣，實現(xiàn)其封裝質量的非接觸檢測。

3.2LED光伏特性的等效電路

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要求。而對于LED封裝質量的常規(guī)檢測方法而言，這種工作條件是完全無法開展檢測的。

由于實際的LED并不是一個單純的理想PN結，它不僅包含PN結的內阻、并聯(lián)電阻及串聯(lián)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特效應形成的光生電流IL并不完全等于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(shù)的綜合反映。

若將引線支架的內阻RL看作是光照時LED的負載、PN結光生伏特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。即工作于光生伏特效應下的LED由可等效為一個理想電流源IL、一個理想二極管D、以及相應的等效串、并聯(lián)電阻Rsh、Rs。其中等效并聯(lián)電阻Rsh包括PN結內的漏電阻以及結邊緣的漏電阻，而等效串聯(lián)電阻Rs包括P區(qū)和N區(qū)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

而IL1是引線支架上流過的負載電流，IF是流過理想二極管D的正向電流，它與二極管兩端的電壓VD滿足關系式：

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(shù)，它們都是由LED芯片的特性決定。因此IF反映了LED的芯片特性。

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：

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，其中分子部分主要反映芯片的內在質量，而分母則主要反映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陷）。因此只要檢測連筋上的光電流，既可全面掌握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術

4.1系統(tǒng)實現(xiàn)原理

考察圖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光伏效應必須的短接電路，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，并根據檢測結果對LED封裝生產線的相應工藝參數(shù)進行實時修正，進一步控制次品率。而在環(huán)氧封裝完成后、切筋前的環(huán)節(jié)，則還可以再次利用LED的光伏效應對封裝的效果進行非接觸檢測，指導對環(huán)氧灌膠、固化工藝的實時調整，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，非接觸地提供光伏效應所需的光激勵；二是用特殊的技術手段不，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，對芯片的質量缺陷進行判斷。為此采用圖3所示原理系統(tǒng)，實現(xiàn)LED的非接觸檢測[5][6]。

其中半導體激光器LD發(fā)出的光經聚焦后投射到LED芯片上，以對LED激發(fā)使其產生光伏效應。而在信號的采集環(huán)節(jié)，采用電磁耦合方式獲取LED在光照下輸出的電流信號，以實現(xiàn)非接觸測量。最后采用采用式（7）對光電流進行計算處理，對LED的質量進行判別，并找出影響封裝質量的原因，區(qū)分出芯片、封裝的因素。

雖然在光照下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(shù)量級，因此非接觸地獲取支架回路中的光生電流，是其中技術難度最大的一個關鍵。雖然采用電磁耦合方式可實現(xiàn)LED光生電流的非接觸測量，但是電磁耦合的方式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非常困難。為此采用抗混濾波、鎖相放大的組合方式，實現(xiàn)了從強烈的環(huán)境噪聲中分離光生電流IL的目的。

4.2系統(tǒng)驗證實驗

利用圖3所示原理系統(tǒng)，搭建了試驗平臺，對數(shù)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(huán)氧封裝脫模后、但尚未切斷連筋的成品組。主要實驗有系統(tǒng)檢測效果的綜合定性實驗、芯片固晶錯位對LED輸出光生電流影響的模擬實驗、引線焊接質量對LED輸出光生電流的模擬影響實驗等[4][5]。

4.2.1不同芯片LED的對比實驗

圖4是不同芯片LED的對比實驗效果。其中圖4（a）、（b）、（c）分別是三只不同芯片LED在同等條件下的對比實驗，圖4（d）則是沒有LED的輸出結果（相當于純粹環(huán)境噪聲的結果）。從圖4可看出，不同芯片的差異得到了充分的體現(xiàn)；而且從表1可看出，30次實驗重復結果有極好的一致性。另外從圖4還可以看出，每只LED的檢測時間僅5毫秒，如果按1：1的信號占空比計算，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。

4.2.2LED芯片固晶錯位影響的模擬實驗

當固晶位置有偏差時，芯片將偏離環(huán)氧透鏡球心位置，這時入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，導致芯片接受到得總光強P變弱。由式（7）可以看出，入射光強P的變化將引起IL1的線性變化。因此系統(tǒng)輸出的信號強度，也能反映固晶的質量。為此通過調整照射LED的激光光源強度，來模擬固晶偏差，其實驗結果如圖5所示，與（7）式完全吻合。

4.2.3引線焊接質量影響的模擬實驗結果

在圖2所示的等效電路中，Rs2與負載RL是串聯(lián)的，由于電極的電阻以及電極和結之間的接觸電阻Rs2很難直接測量，因此實驗中通過串聯(lián)不同的負載電阻RL來模擬接觸電阻Rs對檢測結果造成的影響，其試驗結果如圖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的微小變化會使支架上流過的電流IL1產生很大的改變。對于功能完好的LED芯片，通過測量支架上流過的光生電流IL1可以計算得到LED的串聯(lián)電阻Rs。若串聯(lián)電阻值無窮大，則芯片與電極之間可能出現(xiàn)了銀膠脫膠、漏焊或者焊絲斷裂問題，若串聯(lián)電阻與正常連接狀態(tài)下的串聯(lián)電阻有大的差異，則芯片與電極之間可能出現(xiàn)了其它的焊接問題，如虛焊、重復焊接等。因此，通過分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(tài)。

5、結論

由于我國LED封裝產量十分巨大，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，能夠替代有效改善目前大批量的封裝生產企業(yè)采用的人工肉眼檢查落后現(xiàn)狀、有效降低次品/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，并通過模擬實驗證明了芯片差異、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征體現(xiàn)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(fā)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(tǒng)集成，以及LED參數(shù)的進一步的量化研究。