LED 芯片封装缺陷检测方法研究

　　完成压焊工序后，LED处于闭合短路状态，直接导出回路电流进行检测不可行。虽然支架回路有一定电阻，但光生电流只有微安量级，因而支架回路中的压降非常小，用一般的电压测量方法难度较大，而且接触式检测会引入接触电阻，影响检测的准确性。因此，考虑用非接触式的电流检测方法。根据法拉第电磁感应定律，利用引脚式LED自身特征，检测时将带磁芯线圈中磁芯的一端插入图1所示闭合回路z中，LED支架回路作为一级绕组，带磁芯线圈作为次级绕组，并在线圈的两端并联上电容C，与线圈L组成LC谐振回路。以交变的光激励LED芯片时，支架回路中产生交变电流，交流载流回路会在周围空间产生交变磁场，次级线圈交变磁场则在次级线圈中产生感生电动势。若交变光频率与LC谐振回路频率相等时，LC回路发生共振，此时次级线圈两端感生电动势最大。因此，可以通过检测次级线圈两端感生电动势间接达到检测支架回路光电流的目的，实现对封装工艺中芯片功能状况及焊接质量的检测。

　LC谐振回路中，线圈中磁芯起到增强磁感应强度B的作用，从而增加检测信号幅值。又线圈中磁芯的有效磁导率与相对磁导率间关系可表示为[14]：

式中，μe磁芯的有效磁导率，胁为磁芯的相对磁导率，μr为磁芯的有效磁路长度，名为非闭合气隙长度。

　　由式(8)可以看出，影响有效磁导率胁从而影响磁感应强度B的参数有：

　　①磁芯材料的相对磁导率胁。与所选软磁磁芯材料有关(软磁材料初始相对磁导率一般大于1000)，当磁芯材料选定后，其相对磁导率为确定值。

　　②磁芯的有效长度le、非闭合气隙长度lg，它们由磁芯的结构决定。微弱电流产生的磁场易受外界因素干扰，磁路越长，干扰越大，所以磁芯的有效长度宜短。

　　在磁芯材料确定的情况下，为了得到较大磁感应强度B，需改变线圈中磁芯的结构。若磁芯结构设计为环形，由式(8)知，磁感应强度B增大倍数理论上与磁芯的相对磁导率卢，大小相等，检测信号幅值将达到最大。与条形磁芯同种材质的u型磁芯上搭接一块条形磁芯就构成环形磁芯线圈，其搭接方式有两种，如图3示。

　　检测时将绕有线圈的U型磁芯的一端插入图1所示1闭合回路，感应LED支架回路中回路电流产生的交变磁通，再将条形磁芯搭接在U型磁芯上，使感应磁路闭合。由于搭接方式不同，两种搭接方式的磁芯线圈处在支架回路所产生的交变磁场中时，其搭接处磁路也将不同，用Ansoft Maxwell软件仿真两种搭接方式的磁芯搭接处在交变磁场中的磁回路，结果如图4示

　　图4中(a)、(b)仿真结果对应于图3中(a)、(b)两种线圈磁芯搭接方式。比较两种线圈磁芯搭接处磁路仿真结果可以看出：①图3(a)示磁芯搭接处磁路在空气介质中的回路最短，所受磁阻最小，因此磁损耗也最小。②由于待测LED支架回路电流为微安量级，激起的磁场较小，易受空间电磁场的干扰，图3(b)示磁芯搭接处磁路暴露在空气介质中较多，受干扰的几率较大。由上述分析，图3(a)磁芯搭接方式较优，可以增强信号检测端抑制干扰能力，增加检测信号幅值，一定程度上提高光激励检测信号信噪比，进而提高缺陷检测精度。

　　2实验及分析

　　2．1实验

　　为了比较条形磁芯线圈与环形磁芯线圈对封装缺陷检测精度的影响，现分别使用条形磁芯线圈和图3(a)示环形磁芯线圈进行实验。磁芯材料为 PC40，其初始相对磁导率约为2300，条形磁芯的外形几何尺寸为1．6minx3．2ram×20mm，线圈匝数为300匝；环形磁芯横截面尺寸为 1．6mm×3．2mm，其有效磁路长度约等于条形磁芯，线圈匝数为300匝。实验中激励光源为一种超高亮度贴片式白光LED，激励光源用占空比为50％的方波信号驱动，方波信号可由一系列正弦变化的信号叠加而成，使其基频与谐振回路的工作频率相同，即LC谐振回路实现了对方波信号的选频，所以穿过线圈磁通链的变化率就是方波基频信号的变化率；检测对象分别是GaP材料12mil黄色焊接质量合格的LED和焊接过程中芯片电极有非金属膜的LED。从线圈两端输出的信号经放大、滤波、峰值检波后见图5。实验中放大器的放大倍数为103倍。

　　2．2结果分析

　　本文介绍的LED芯片封装缺陷检测方法是通过检测LED支架回路光电流间接实现的。由图5可以看出，支架回路光电流激发的磁场在不同磁芯结构线圈两端感生电动势大小不同；不同磁芯结构线圈，检测信号的信噪比差异较大。具体表现为：

　　①焊接质量合格的LED，实验检测值与理论计算值相吻合。图5(a)为使用条形线圈磁芯的实验结果，封装工艺中焊接质量合格的LED，信号检测端产生的光激励信号经放大、滤波、峰值检波后幅值约为60mV。选12mil黄色LED芯片进行理论值计算，芯片面积A=0.3mm×0．3mm，取 β=0.5当单位时间内单位面积被半导体材料吸收的平均光强(以光子数计)为5.45×1021个／m2s 时，由式(1)可计算出光生电流约为42μA。由毕奥-萨伐尔定理、叠加定理及法拉第电磁感应定律，可求得12mil黄色LED芯片在信号检测端感生电动势幅值约为63mV,去除实验误差和计算误差，理论值和实验值较好地吻合。