LED芯片/器件封裝缺陷的非接觸檢測技術
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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、并聯電阻Rsh、Rs。其中等效并聯電阻Rsh包括PN結內的漏電阻以及結邊緣的漏電阻，而等效串聯電阻Rs包括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
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，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。
4.1系統實現原理
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進行實時修正，進一步控制次品率。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效果進行非接觸檢測，指導對環氧灌膠、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，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，采用電磁耦合方式獲取LED在光照下輸出的電流信號，以實現非接觸測量。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，實現了從強烈的環境噪聲中分離光生電流IL的目的。
4.2系統驗證實驗
利用圖3所示原理系統，搭建了試驗平臺，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。主要實驗有系統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；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。
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