基于pn结的光生伏特效应，本文研究了一种非接触式在线检测方法。通过测量pn结光生伏特效应在引线中产生的光生电流，检测封装过程中芯片质镀及芯片与支架之间的电气连接状态。通过分析pn结光生伏特效应的等效电路，详细论述了半导体材料的各种参数及等效电路中各电参数与支架上流过的光生电流的关系。实验对各种不同颜色的LED样品进行了测量。研究表明，该方法可以实现LED芯片的在线检测，有较大的应用价值。

　　1 引言

　　（LED）以其体积小、响应速度快、寿命长、可靠性高、功耗低等优点已广泛应用于指示、显示、普通等领域。随着其应用范围的不断扩大，提高的可靠性和稳定性，降低其生产成本成为不可忽视的问题，因此LED生产过程中的质量检测显得尤为重要。

　　目前对LED的检测主要集中在封装前的晶片检测及封装完成后的成品检测。晶片检测主要是针对LED的核心结构pn结的检测，包括EBIC（ectronbeam induced current）、OBIC（optical beam in-duced current）、SPV（surface photovohaic）及SQUID（superconducting quantum interference device）法等。其中EBIC、OBIC和SPV法都是基于半导体的光电效应，通过接触式测量电子束或者光激励半导体产生的电流或电压的变化规律来检测半导体器件的参数、功能及工作状态。SQUID法则是通过非接触方式测苣光电流产生的磁场分布来实现pn结的检测，但由于磁场变化极其微弱，必须采用超导量子磁强计（SQUID），检测仪器系统构成非常复杂，且价格昂贵。这几种方法都不适用于大批量牛产的在线应用。目前在LED生产过程中在线应用的测量方式都是针对封装完成后的成品检测，如LED分光分色机等。成品检测能够较好地测量LED产品的各种参数和特性，实现产品的分级，但是不能及早地发现产品的质量问题，无法阻断次品的后续加丁过程，造成材料的浪费，因此研究一种能在LED生产过程中在线检测的方法显得非常必要。

　　针对封装过程中存在的诸多缺陷（如芯片失效、固晶胶连和焊接质量问题等），本文提出一种应用于LED封装过程中的非接触在线检测方法，通过测量pn结光生伏特效应在其引线支架中产生的光生电流，分析LED封装过程中芯片质量及芯片与支架之问的电气连接状态。本文就是在此基础上，进一步分析pn结光生伏特效应的等效电路，详细论述半导体材料的各种参数及等效电路中各电参数与支架上流过的光牛电流的关系，并通过实验分析这些参数对检测结果造成的影响。

　　2 检测原理

　　2.1 pn结光生伏特效应

　　光生伏特效应最早是由法国物理学家Becquerel提出来的。当用适当波长的光hv≥Eg,h为普朗克常量，矿为激励光频率，Eg为半导体材料的禁带宽度）照射非均匀半导体（如pn结等）时，由于内建电场的作用（不加外电场），半导体内部产生电动势（光生电压），对于pn结，光照产生的载流子各自向相反方向运动，会在pn结内形成自n区向P区的光牛电流。这种由内建电场引起的光电效应，称为光生伏特效应。光生电流IL表示为：

　　式中：A为Pn结面积，q是电子电量，w是势垒区宽度，Ln、Lp,分别为电子、空穴的扩散长度，β是量子产额，即每吸收一个光子产生的电子一空穴对数，对于LED来说，β一般不大于1,P表示以光子数计算的平均光强度（即单位时间内单位面积被半导体材料吸收的光子数），它可以通过式（2）获得。

　　式中：d是pn结的厚度，α为半导体材料的吸收系数，与材料本身、掺杂浓度以及激励光的波长有关，P（x）是在pn结内位置算处（假定pn结表面坐标位置为0）的激励光强度，表示为：

　　式中：P0是在pn结表面的激励光强度。

　　根据爱因斯坦关系式，电子和空穴的扩散长度Ln和Lp可表示为

　　式中：KB为玻尔兹曼常数，T为开氏温度，μn、μp分别为电子、空穴迁移率，与材料本身、掺杂浓度以及温度有关， τn、τp分别为电子、空穴载流子寿命，小注入情况下，有：

　　式中：pp、nn分别为P区和n区多数载流子的浓度，r称为电子-空穴复合概率，仅是温度的函数，由式（5）可以看出，在小注入条件下，当温度和掺杂一定时，寿命是一个常数。这说明，在一定的温度条件下，电子和空穴的扩散长度Ln和Lp是由构成pn结的半导体材料及其掺杂浓度所决定。

　　在式（1）中，pn结的结面积A及势垒区宽度w都是与LED器件结构相关的参数。如果Ln、Lp≥w,则势垒区对光生电流的作用可以忽略。而对于pn结的结面积A.一般认为，尺寸相同的LED的结面积A是相等的。对一种常用的GaP材料制成的12mil红光LED,芯片面积A=0.3 ×0.3mm2时，若β=1,当单位时间内单位面积被半导体材料吸收的平均光强度P

　　（以光子数计）为5.45 ×1021/m2s,理论计算可产生的光生电流为101μA.

　　由前面的分析可以看出：

　　1）对于不同颜色的LED,由于制成pn结的材料和结构都存在差异，光生电流IL不仅与pn结表面光照强度P0有关，式（1）中描述的其它参数也会对其产生影响，包括由pn结材料及掺杂决定的电子、空穴的扩散长度Ln、Lp和材料的吸收系数α，以及与LED器件结构有关的pn结面积A,势垒宽度w和pn结厚度d;

　　2）对于相同颜色同种类型且功能完好的LED,因为材料和结构都相同，参数相同，因此产生的光生电流IL.相等，但若LED pn结功能失效，不产生光生伏特效应，光生电流IL的值为0;

　　3）对于某一确定的LED芯片，若芯片功能完好，产生的光生电流IL与光照强度P0成正比。

　　2.2光生伏特效应的等效电路

　　在本文的检测方法中，是通过测量pn结光生伏特效应在其引线支架中产生的光生电流，来分析LED封装过程中芯片质量及芯片与支架之间的连接状态，而实际待检测的LED并不是一个理想的器件，由于的内阻，并联电阻及串联电阻的作用，pn结光生伏特效应产生的光生电流IL并不完全等于流过支架的光生电流，因此支架上流过的电流大小还反映了LED某些电参数的状态。

　　若将引线支架的内阻RL看作是光照时LED的负载，pn结光生伏特效应产生的光生电流IL作为一个恒流源，则光照时I,ED的等效电路如图l所示图1中，Rsh是并联电阻，包括pn结内的漏电阻以及结边缘的漏电阻，Rs1是P区和n区的体电阻，尺吐包括电极的电阻以及电极和结之间的接触电阻，Rs=Rs1+Rs2称为LED的串联电阻，I是引线支架上流过的电流，后面也称做负载电流，IF是流过理想二极管D的正向电流，它与二极管两端的电压VD满足关系式，

　　式中Is是反向饱和电流，η是与LED电流复合机制有关的一个参数，不同类型LED的η值不同。

　　根据图l所示的等效电路，可以得到光生电流IL与支架上流过的电流I的关系为：

　　式中：

　　由式（6）和式（7）可以看出，支架上流过的电流I与LED的多个电参数都有关系。对于相同颜色同种类型且功能完好的不同I,ED样品，因为材料和结构都相同，其体电阻Rs1并联电阻Rsh以及电流电压关系也认为是相同的。而封装过程中存在的诸多缺陷（固晶胶连或焊接质量问题）则会导致不同LED的电极电阻及电极和结之间的接触电阻Rs2存在差异。由于Rs为一低电阻，小于1Ω 欧姆，Rsh止为一高电阻，约有几kΩ，LED引线支架的电阻也非常小，一般在mΩ量级，因此有时不考虑Rsh和RL的影响，则光生电流IL与支架上流过的电流，的关系式以简化为：

　　对于2.1节所述的红色LED样品，当产生的光生电流IL为101μA时，若取串联电阻Rs=1Ω，AR正=0.1 Ω，根据式（8），则支架上流过的电流，的变化略小于10%.这说明，接触电阻的微小差异都会对支架上流过的光生电流I产生较大的影响。因此。对于功能完好的LED芯片，通过分析支架上流过的光生电流，可以获得接触电阻的大小，进而可以检测LED封装过程中芯片与引线支架之间的电气连接状态。

　　3 实验

　　3.1 实验

　　实验选用的激励光源为一种蓝色芯片黄色的大功率,激励光经过透镜汇聚以增强照射在芯片表面的光强，为了便于观察，激励光源采用脉冲输出方式，脉冲持续时间为5 ms.检测的样品包括红色、黄色及绿色LED,所有芯片尺寸一致，为12 mil×12 mil.由于支架上流过的光生电流非常小，测睦的电流，经调理电路后得到最终的检测电压信号。为了便于比较，实验测量了流过支架的电流为1μA时最后获得的检测电压信号的幅值约为13 mV.所有实验都是在相同的照射条件及测量条件下实现的。

　　3.2 结果讨论

　　实验首先测量了不同颜色LED的检测信号，如图2所示。

　　图2中横坐标表示检测时间，纵坐标表示经调理电路处理后的检测电压信号幅值。由图2可以看出。在相同的实验条件下，对于不同颜色的LED,最后获得的检测信号的幅值是不同的。根据2.1节的分析，这与LED材料和器件结构参数都有关系。实验中选用的芯片的尺寸相同，因此不考虑pn结的结面积A的影响，而Ln、Lp≥ω，势垒宽度的影响也可以忽略，则影响检测结果的主要参数是pn结的厚度d、电子、空穴的扩散长度Ln、Lp以及材料的吸收系数α。由于pn结本身的尺寸很小，不同LED的厚度α及扩散长度Ln、Lp不会差异很大，而吸收系数α会因为材料、掺杂浓度以及入射光的波长的不同有几倍以至几个数量级的差异，因此本文认为，这是造成这里检测结果不同的主要原因。图2中，红色LED的检测幅值最大，黄色次之，绿色最小，这是因为，实验中选用的激励光源是蓝色芯片黄色荧光粉的白光LED,红色LED的波长最长，能吸收激励光源中的几乎所有波长成分，黄色LED只能吸收蓝光成分及部分黄光成分，而绿色LED,由于其波长小于激励光源中的黄光成分，吸收的光子数最少，因此产生的光生电流最小，最终的检测电压值也越小，这与2.1节中理论分析结果的第1）条是一致的。

　　图3表示同种材料同种类型，功能完好且连接状态良好的红色LED i个不同样品的检测结果随激励光强度变化的情况。三个样品是从引线支架连接在一起的20个LED巾随机抽取的。为了便于观察，检测的电压信号幅值已换算成光激励pn结时产生的光生电流IL.

　　由图3可知。三个样品在相同的光照下产生的光生电流是很接近的，并且光生电流IL与光照强度P0成正比，几个样品之间的固定误差可能是因为光照位置的微小偏差造成的。当激励光功率为2 mW时，产生的光生电流大约为96μA,这比理论计算值小5μA,这是因为理论计算时未考虑LED串联电阻的影响，凶此可以认为实验与2.1节中理论分析结果第2）条和第3）是符合的。

　　在图l所示的等效电路中，Rs2也与负载RL是串联的，由于电极的电阻以及电极和结之间的接触电阻Rs2很难直接测量，因此实验中通过串联不同的负载电阻RL,来模拟接触电阻Rs对检测结果造成的影响。在激励光功率为2 mw时（此时产生的光生电流IL约为96μA），得到图3中样品1l流过负载的电流I与负载电阻RL的变化关系。如图4所示。

　　由图4可知，随着外加负载RL的增大，流过负载的电流越来越小，尤其从图4（b）可以看出，当外加负载为0时，负载电流为96μA,而当负载电阻变化到0.4Ω，负载电流下降到7lμA,下降率达26%,由于串联电阻Rs的值无法准确估计，因此实验结果与2.2结中理论计算的值有差异。实验与理论都表明，接触电阻Rs的微小变化会使支架上流过的电流I产生很大的改变。对于功能完好的LED芯片，通过测肇支架上流过的光生电流I可以计算得到I,ED的串联电阻Rs,若串联电阻值无穷大，则芯片与电极之间可能出现了脱胶、漏焊或者焊丝断裂问题，若串联电阻与正常连接状态下的串联电阻有大的差异，则芯片与电极之间可能出现其它的焊接问题，如虚焊，重复焊接等。因此，通过分析支架上流过的光生电流值，可以检测LED封装过程中芯片与引线支架之间的电气连接状态。

　　4 结论

　　针对LED封装过程巾急需解决的产品质量检测问题，基于pn结的光生伏特效应，研究了一种非接触式的LED芯片在线检测方法。通过测量pn结光生伏特效应在引线支架中产生的光生电流，检测LED封装过程中芯片质量及芯片与支架之问的连接状态，并进一步分析了pn结光生伏特效应的等效电路，详细论述了半导体材料的各种参数及等效电路中各电参数与支架上流过的光生电流的关系，以及这些参数对检测结果造成的影响。实验结果表明，对不同颜色的LED,在相同的激励条件下，由于LED材料及结构参数的不同，测量的光生电流值有很大差异。而对于相同颜色同种类型的不同LED,由于芯片本身质量或者其电气连接状态的影响，也存在一定的差异，根据这种差异就可以分析LED封装过程中芯片质量及芯片与支架之间的电气连接状态。研究表明，该方法可以实现LED芯片的在线检测，有较大的应用价值。