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优秀论文

毕业论文

题目：

LED芯片损失和缺陷研究

姓名：

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年级：

专业班级：

指导教师：

深圳信息职业技术学院教务处编

内容摘要

LED（LightEmittingDiode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。

LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附三丰LED在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。

半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。

但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。

当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。

而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。

在这里通过对LED芯片的调研与研究，探讨目前LED不同芯片的结构特点。

了解LED的制备过程、不同类型的LED芯片结构以及LED芯片封装缺陷原因及检测方法，重点说了LED芯片缺陷的缺陷机理原因、理论分析和LED封装缺陷的检查方法。

Abstract

LED（LightEmittingDiode），LEDisasolid-statesemiconductordevices,whichcanbeconverteddirectlyintoelectricitytolight.LEDheartisasemiconductorchip,thechipLEDatoneendattachedtoasupportMitutoyo,oneendisnegative,theotherendtoconnectthepositiveterminalofthepowertomakeupthewholechipisepoxyresin.Semiconductorchipcomposedoftwoparts,partofP-typesemiconductor,inithole-dominated,theotherendistheN-typesemiconductor,inthesideofthemainelectronics.Butwhenthetwosemiconductorconnectedbetweenthemtoforma"PNjunction."Whenthecurrentthroughthewirewhenactingonthechip,electronicswillbepushedParea,withthePzoneinelectronholerecombination,thentheformwillbesenttothephotonenergy,whichistheprincipleofLEDlight.ThewavelengthofthelightisthecoloroflightisdeterminedbytheformationofPNjunctionmaterialdecisions.

HereonLEDchipresearchandstudythestructureofthecurrentcharacteristicsofLEDwithdifferentchips.LEDpreparationtounderstandthedifferenttypesofLEDchipsandLEDchippackagingstructureofDefectsandDetection,saidLEDchipkeydefectcausesdefectsmechanism,theoreticalanalysisanddefectinspectionmethodofLEDpackage.

目录

内容摘要…………………………………………………2

第一章序言………………………………………………5

第二章LED芯片制备过程………………………………7

第三章LED芯片的结构示意图…………………………8

第四章不同类型的LED芯片结构………………………10

第五章LED芯片封装缺陷原因及检测方法……………13

参考文献…………………………………………………18

致谢…………………………………………………………18

序言

LED在城市景观照明、显示屏、道路交通及白光照明等领域的广泛应用，使深圳、厦门、大连、上海、南昌、石家庄等LED产业基地产能有了全面提升。

天津作为国家半导体照明工程产业化的又一个重要基地，已成为国内外LED企业进入环渤海地区的必争之地。

由高工LED和天津东丽区人民政府主办的“第五届LED产业主题高峰论坛”近日在天津举办。

不可否认，天津LED产业相对国内其他地区，发展似乎慢了半拍，此次论坛将极大地促进京津地区乃至华北地区LED产业发展。

天津期待LED后来居上

天津市正在大力发展新材料、新能源产业，LED是他们的重点发展方向。

天津市东丽区委书记张有会在接受记者采访时表示，该区准备成立风投资金来发展高科技产业。

张有会认为，应该从培养和引进领军人才开始。

此次论坛在该区举办有助于推动天津东丽区LED项目的招商引资。

工业和信息化部电子信息司副巡视员关白玉在论坛致辞中表示，工业和信息化部将进一步加强与地方政府的联合与互动，关心关注天津市电子信息产业的发展，与业界同仁共同推动半导体照明产业的进步。

高工LED首席执行官张小飞博士认为，天津是中国北方重要的LED产业基地。

“三安最近在天津投资数十亿元，天津经济技术开发区也是中国首个LED城市示范区，同时天津工业大学开设了中国首个光源和照明专业，为了加强中国特别是北方地区LED企业的沟通和合作，我们特意把第五届中国LED产业主题高峰论坛的举办地点定在天津。

”张小飞说。

论坛期间还举行了天津东丽国家级半导体照明工程高新技术产业化基地落户企业签约仪式，9家企业签订了投资合作意向书，还有56家企业签署了《发展低碳经济“共同推进天津滨海国家半导体照明高科技产业基地建设”倡议书》。

天津LED发展能否后来居上值得期待。

启动中国CALiPER项目

在本次论坛上，中国CALiPER项目正式启动。

美国CALiPER是美国能源部开展的一个LED灯具测试项目，目的是为社会提供SSL灯具的客观数据，指导相关研发活动。

目前国内尚无对LED灯具系统的测试项目，为了促进行业的健康发展，高工LED产业研究所决定和华测检测联合启动中国的CALiPER项目。

高工LED张小飞博士表示，目前国内的LED灯具质量参差不齐，使得社会大众无法正确认识LED，部分企业的劣质产品玷污了LED光源在消费者心目中的形象。

“我们希望通过一系列的测试活动指导LED产业的健康发展。

另外，当前很多企业的产品规格书中列出了一些夸大的信息，使得那些提供真实信息的企业深受其害，甚至不得不跟风，我们希望通过该项目来遏制这种行为。

”张小飞说。

华测检测总监李胜指出，这个项目不以赢利为目的。

“我们将当做一项社会责任来做。

样品购买成本和检测成本由华测检测承担，计入企业社会责任成本，同时也会寻求企业赞助和政府资金支持。

”李胜表示。

EMC带来机遇和挑战

随着“十城万盏”半导体照明工程的深入，一个崭新的名词“合同能源管理（EMC）”逐渐被人们所熟悉。

LED芯片制备过程

外延片→清洗→镀透明电极层→透明电极图形光刻→腐蚀→去胶→平台图形光刻→干法刻蚀→去胶→退火→SiO2沉积→窗口图形光刻→SiO2腐蚀→去胶→N极图形光刻→预清洗→镀膜→剥离→退火→P极图形光刻→镀膜→剥离→研磨→切割→芯片→成品测试。

       其实外延片的生产制作过程是非常复杂的，在展完外延片后，下一步就开始对led外延片做电极（P极，N极），接着就开始用激光机切割led外延片（以前切割led外延片主要用钻石刀），制造成芯片后，在晶圆上的不同位置抽取九个点做参试 。

      1、  主要对电压、波长、亮度进行测试，能符合正常出货标准参数的晶圆片再继续做下一步的操作，如果这九点测试不符合相关要求的晶圆片，就放在一边另外处理。

       2、  晶圆切割成芯片后，100%的目检（VI/VC），操作者要使用放大30倍数的显微镜下进行目测。

       3、  接着使用全自动分类机根据不同的电压，波长，亮度的预测参数对芯片进行全自动化挑选、测试和分类。

       4、  最后对led芯片进行检查（VC）和贴标签。

芯片区域要在蓝膜的中心，蓝膜上最多有5000粒芯片，但必须保证每张蓝膜上芯片的数量不得少于1000粒，芯片类型、批号、数量和光电测量统计数据记录在标签上，附在蜡光纸的背面。

蓝膜上的芯片将做最后的目检测试与第一次目检标准相同，确保芯片排列整齐和质量合格。

这样就制成led芯片（目前市场上统称方片）。

       在led芯片制备过程中，把一些有缺陷的或者电极有磨损的芯片，分捡出来，这些就是后面的散晶，此时在蓝膜上有一些不符合正常出货要求的晶片，也就自然成了边片或毛片等。

       刚才谈到在晶圆上的不同位置抽取九个点做参数测试，对于不符合相关要求的晶圆片作另外处理，这些晶圆片是不能直接用来做led方片，也就不做任何分检了，直接卖给客户了，也就是目前市场上的led大圆片（但是大圆片里也有好东西，如方片）。

LED芯片的结构示意图

了解不同类型的LED芯片结构

LED芯片分为MB芯片，GB芯片，TS芯片，AS芯片等4种.

1.MB芯片定义与特点

定义：

MB芯片：

MetalBonding（金属粘着）芯片；该芯片属于UEC的专利产品

特点﹕

1、采用高散热系数的材料---Si作为衬底，散热容易。

ThermalConductivity

GaAs:

46W/m-K

GaP:

77W/m-K

Si:

125～150W/m-K

Cupper:

300~400W/m-k

SiC:

490W/m-K

2、通过金属层来接合（waferbonding）磊晶层和衬底，同时反射光子，避免衬底的吸收.

3、导电的Si衬底取代GaAs衬底，具备良好的热传导能力（导热系数相差3~4倍），更适应于高驱动电流领域。

4、底部金属反射层，有利于光度的提升及散热。

5、尺寸可加大﹐应用于Highpower领域﹐eg:

42milMB

2.GB芯片定义和特点

定义﹕

GB芯片：

GlueBonding（粘着结合）芯片；该芯片属于UEC的专利产品

特点：

1：

透明的蓝宝石衬底取代吸光的GaAs衬底﹐其出光功率是传统AS（Absorbablestructure）芯片的2倍以上，蓝宝石衬底类似TS芯片的GaP衬底。

2：

芯片四面发光﹐具有出色的Pattern图。

3：

亮度方面﹐其整体亮度已超过TS芯片的水平（8.6mil）。

4：

双电极结构﹐其耐高电流方面要稍差于TS单电极芯片。

3.TS芯片定义和特点

定义：

TS芯片：

transparentstructure（透明衬底）芯片，该芯片属于HP的专利产品。

特点﹕

1.芯片工艺制作复杂，远高于ASLED。

2.信赖性卓越。

3.透明的GaP衬底，不吸收光，亮度高。

4.应用广泛。

4.AS芯片定义与特点

定义：

AS芯片：

Absorbablestructure（吸收衬底）芯片，经过近四十年的发展努力，台湾LED光电业界对于该类型芯片的研发、生产、销售处于成熟的阶段，各大公司在此方面的研发水平基本处于同一水平，差距不大。

大陆芯片制造业起步较晚，其亮度及可靠度与台湾业界还有一定的差距，在这里我们所谈的AS芯片，特指UEC的AS芯片，eg:

712SOL-VR,709SOL-VR,712SYM-VR,709SYM-VR等。

特点：

1.四元芯片，采用MOVPE工艺制备，亮度相对于常规芯片要亮。

2.信赖性优良。

3.应用广泛。

LED芯片封装缺陷原因及检测方法

缺陷机理原因：

LED（Light-emittingdiode）由于寿命长、能耗低等优点被广泛地应用于指示、显示等领域。

可靠性、稳定性及高出光率是LED取代现有照明光源必须考虑的因素。

封装工艺是影响LED功能作用的主要因素之一，封装工艺关键工序有装架、压焊、封装。

由于封装工艺本身的原因，导致LED封装过程中存在诸多缺陷（如重复焊接、芯片电极氧化等），统计数据显示[1-2]：

焊接系统的失效占整个半导体失效模式的比例是25%～30%，在国内[3]，由于受到设备和产量的双重限制，多数生产厂家采用人工焊接的方法，焊接系统不合格占不合格总数的40%以上。

从使用角度分析，LED封装过程中产生的缺陷，虽然使用初期并不影响其光电性能，但在以后的使用过程中会逐渐暴露出来并导致器件失效。

在LED的某些应用领域，如高精密航天器材，其潜在的缺陷比那些立即出现致命性失效的缺陷危害更大。

因此，如何在封装过程中实现对LED芯片的检测、阻断存在缺陷的LED进入后序封装工序，从而降低生产成本、提高产品的质量、避免使用存在缺陷的LED造成重大损失就成为LED封装行业急需解决的难题。

目前，LED产业的检测技术主要集中于封装前晶片级的检测及封装完成后的成品级检测，而国内针对封装过程中LED的检测技术尚不成熟。

本文在LED芯片非接触检测方法的基础上，在LED引脚式封装过程中，利用p-n结光生伏特效应，分析了封装缺陷对光照射LED芯片在引线支架中产生的回路光电流的影响，采用电磁感应定律测量该回路光电流，实现LED封装过程中芯片质量及封装缺陷的检测。

1理论分析

　　1.1p-n结的光生伏特效应[m]根据p-n结光生伏特效应，光生电流IL表示为：

式中，A为p-n结面积，q是电子电量，Ln、Lp分别为电子和空穴的扩散长度，J表示以光子数计算的平均光强，α为p-n结材料的吸收系数，β是量子产额，即每吸收一个光子产生的电子一空穴对数。

在LED引脚式封装过程中，每个LED芯片是被固定在引线支架上的，LED芯片通过压焊金丝（铝丝）与引线支架形成了闭合回路，如图1。

若忽略引线支架电阻，LED支架回路光电流等于芯片光生电流IL。

可见，当p-n结材料和掺杂浓度一定时，支架回路光电流与光照强度I成正比

　　LED芯片受到腐蚀因素影响或沾染油污时，在芯片电极表面生成一层非金属膜，产生封装缺陷[11]。

电极表面存在非金属膜层的LED芯片压焊工序后，焊接处形成金属一介质-金属结构，也称为隧道结。

当一定强度的光照射在LED芯片上，若LED芯片失效，支架回路无光电流流过若非金属膜层足够厚，只有极少数电子可以隧穿膜层势垒，LED支架回路也无光电流流过;若非金属膜层较薄，由于LED芯片光生电流在隧道结两侧形成电场，电子主要以场致发射的方式隧穿膜层，流过单位面积膜层的电流可表示为。

其中q为电子电量，m为电子质量，矗为普朗克常数，vx、vy、vz分别是电子在x、y、z方向的隧穿速度，T（x）为电子的隧穿概率。

又任意势垒的电子隧穿概率可表示为

其中jin、jout。

分别是进入膜层和穿过膜层的电流密度，

x指向为芯片电极表面到压焊点，为膜层中z方向任意点的势垒，E是垂直芯片电极表面速度为vx电子的能量。

图2为在电场f’作用‘F芯片电极表面的势垒图，其中EF为费米能级，U''为电子发射势垒。

由图2，若芯片电极表面为突变结，其值为U0，光生电流在隧道结两侧形成的电场强度为F，电极表面以外的势垒为U0-qFx。

取芯片电极导带底为参考能级E0（x=0），因而有x<0处，U（x）=0;x>0处，U（x）=U0-qFx，根据条件U（x）=E=U0-qFx2

式中d为膜层厚度，V为膜层隧道结两侧电压。

当LED芯片发生光生伏特效应时，由式（7）可知，流过芯片电极表面非金属膜层的电流受到膜层厚度的影响，随着膜层增厚，流过膜层的电流减小，流过LED支架回路的光电流也将减小。

综上所述，引脚式LED支架回路光电流的有无或大小可以反映封装工艺中LED芯片的功能状态及芯片电极与引线支架的电气连接情况，因此，可以通过检测LED支架回路光电流达到检测引脚式封装工艺中芯片功能状态和封装缺陷。

封装缺陷的检测方法：

　　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

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AnsoftMaxwell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。

参考文献：

（1）、LED芯片制备过程

（2）、LED芯片的结构示意图

（3）、LED芯片分类来源：

LED环球在线发布：

2009-08-2701:

45

（4）、LED芯片封装缺陷检测方法研究来源：

传感技术学报　作者：

蔡有海　文玉梅发布：

2010-02-02

（5）、LED知识

致谢：

走的最快的总是时间，来不及感叹，大学生活已近尾声，两年多的努力与付出，随着本次论文的完成，将要划下完美的句号。

从课题选择到具体的写作过程，无不凝聚着老师的心血和汗水。

老师要指导很多同学的论文，加上本来就有的教学任务和科研项目，工作量之大可想而知，她还在百忙之中抽出大量的时间来指导我们。

他的循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪，他的渊博的专业知识，精益求精的工作作风，严以律己、宽以待人的崇高风范，将一直是我工作、学习中的榜样。

在我的毕业论文写作期间，老师为我提供了种种专业知识上的指导和一些富于创造性的建议，没有这样的帮助和关怀，我不会这么顺利的完成毕业论文。

在此表示深深的感谢和崇高的敬意。

评语：

本论文研究了“LED芯片损失和缺陷研究”，分别阐述了LED芯片制备过程、LED芯片的结构示意图，以及LED芯片封装缺陷原因及检测方法。

论文选题恰当，具有较强（理论或和实践）意义和新颖性，结合深圳的产业背景，及时跟踪LED发展方向和要求。

文题相符，逻辑性强，研究设计合理，内容翔实，数据处理方法正确。

从论文中不难看出，作者对于LED芯片技术领域有了深入的了解，对评价LED质量有很强的实用价值。

另外，作者的写作态度，积极主动，能按照学校的要求与自己在开题报告中拟定的写作进度分阶段地完成论文的研究与写作计划。

对于初稿中从形式到内容等方方面面的错误，一经指出，作者都能认真对待，反复修改。

写作规范，语句通顺，达到学校对毕业论文的各种要求，是一篇优秀的毕业论文。

成绩：

指导教师（或评委）：

教研室主任：

日期：