LED芯片封装缺陷检测方法研究

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。

②对于环形结构磁芯线圈，实验值较理论值小。根据式(8)，对于条形结构磁芯线圈，假设磁芯有效磁路长度le=100lg，此时有效磁导率μe≈100。若磁芯改为环形，则非闭合气隙长度lg≈0，此时有效磁导率μe≈μr=2300，由理论计算可知，12mil黄色焊接质量合格LED在信号检测端感生电动势幅值约为1.4V；由图5(b)知，实验得到信号值约为220mV，实验值远小于理论值。上述计算是在理想情况下进行的，在实际实验过程中，环形磁芯线圈是由U形磁芯和条形磁芯搭接而成的，搭接处气隙lg仍然存在，因而磁路不可能完全闭合，由式(8)知，气隙对有效磁导率影响很大，所以有效磁导率仍小于相对磁导率，因此，实验值远小于理论值。

③不同磁芯结构均可实现LED封装缺陷的检测，但检测信号的信噪比差异较大。由图5可以看出，虽然实验中磁芯线圈采用不同结构，对于焊接质量合格的LED，其光激励检测信号均明显大于封装过程中芯片电极表面存在非金属膜的LED光激励检测信号，通过比较两者检测信号幅值的大小，可将封装过程中芯片电极表面存在非金属膜的LED捡出。对图5(a)，实验使用的线圈中磁芯为条形结构，存在气隙lg，磁感应强度B增强倍数为有效磁导率μe，同时检测信号易受外界干扰，因而检测信号幅值较小且存在较大的检测噪声，使得两种芯片光激励信号信噪比都较小，给后端信号处理带来难度，影响封装缺陷检测的精确度。将线圈中磁芯搭接成环形后构成闭合磁回路，磁感应强度B得到有效增强，磁损耗较小，受到空间电磁场的干扰相对也较小，所以检测信号信噪比得到显著改善。

④不同磁芯结构影响谐振回路的工作频率。实验过程中，LC谐振回路的电容C相等，环形磁芯的有效磁导率大于条形磁芯的有效磁导率，因而环形磁芯线圈的电感L大于条形磁芯线圈的电感，所以其谐振回路的谐振频率较小；从图5可以看出，条形磁芯线圈构成的谐振回路的谐振频率约为9.75kHz，而环形磁芯线圈构成的谐振回路的谐振频率约为7.33kHz。

⑤理论分析和实验结果分析可得，该方法对LED支架回路电流具有较高的检测精度，通过检测支架回路电流激起的磁场在线圈两端感生出电动势的大小，并与焊接质量合格的LED的检测信号进行比较，实现对封装过程中存在封装缺陷的LED进行检测。