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金鉴显微红外热测试系统在LED芯片的应用案例发布时间:2019-05-24

    LED芯片作为热敏感器件,温度和热分布性能直接影响其性能及可靠性。LED芯片尺寸较小,传统的接触式测温方式无法测试芯片表面温度;电学法等方式可以测试芯片结温,但所得温度是芯片的平均温度,无法观测到芯片的温度场分布。金鉴显微红外热测试系统,采用非接触式无损红外测温方式,可测试样品微米级区域的温度及温度分布,满足LED芯片温度及温度场分布的测试需求。还能通过定位LED芯片热点来寻找芯片漏电点。


案例一:金鉴显微红外热点定位系统查找芯片漏电点

    客户反馈在测试芯片抗静电能力测试后,LED芯片出现漏电现象现在,委托金鉴要求查找芯片漏电点。 


测试原理:

     在通电点亮的LED芯片后,使用金鉴显微红外热点定位系统对芯片表面进行热分布扫描,如果LED芯片存在缺陷点,缺陷处的温度将无法迅速通过金属线传导散开,此时,会导致缺陷处温度累积升高,并进一步引起金属线电阻以及电流变化,通过金鉴显微红外热点定位测试系统可在线观看到芯片的热分布异常,定位缺陷位置。该方法常用于LED芯片内部高阻抗及低阻抗分析,芯片漏电路径分析。


测试过程:

正向点亮漏电LED芯片,Vf偏低反向测试芯片漏电流显示漏电流较大

    正向点亮漏电LED芯片,Vf偏低(左图)。反向测试芯片漏电流显示漏电流较大(右图)


芯片漏电测试 

    金鉴工程师利用金鉴自研发显微红外热点定位热分布测试系统对漏电芯片进行点亮测试。

    显微红外热点定位热分布测试结果显示:漏电芯片上热分布不均,存在异常热点,热点即为芯片漏电缺陷点。

漏电芯片图

 

    存在缺陷或性能不佳的半导体器件通常会表现出异常的局部功耗分布,最终会导致局部温度增高。金鉴显微红外热点定位热分布系统,利用新型高分辨率微观缺陷定位技术,可在大范围内高效而准确地确定关注区域(异常点)位置。图示为在金鉴显微红外热点定位测试布设备下LED芯片漏电图:

 LED芯片热点定位图

LED芯片热点定位图


     在金鉴显微红外热点定位测试系统中,不同模式调色板下的芯片漏电图如图所示显示:

 不同调色板下的LED芯片热点定位图

不同调色板下的LED芯片热点定位图


     对于受损LED来说,缺陷引起的非辐射复合几率增加,在加压增强的情况下,局部的高电场或强复合所引起的红外辐射能量被金鉴显微红外探测系统所接收,可以看到明亮的发光点或者热斑,再经过CCD图像转换处理,将其与器件表面的光学发射像叠加,就可以确认漏电造成发光点的位置。可见光与红外双重成像技术精确定位细微缺陷!

可见光-热成像图

 

案例二:金鉴显微红外热点定位系统查找紫外垂直芯片漏电点

    客户反馈其紫外垂直芯片存在漏电现象,送测裸晶芯片,委托金鉴查找芯片漏电点。

 可见光图和热成像图融合,精准定位LED芯片热点

可见光图和热成像图融合,精准定位LED芯片热点

    取裸晶芯片进行外观观察,发现芯片结构完整,无击穿形貌,表面干净无污染。通过金鉴探针系统对裸晶芯片加载反向电压后,在暗室中使用显微红外热点定位系统的热点自动搜寻功能定位到了芯片上若干热点。经过可见光与热成像双重成像融合后,可以清晰观察到热点所在,即为芯片漏电缺陷处。


案例三:芯片热性能分析

    客户送测LED芯片,委托金鉴在指定电流条件下(30mA60mA90mA)进行芯片热分布测试。其中60mA为额定电流。


    点亮条件:30mA60mA90mA

    环境温度:20~25/40~60%RH



 不同加载电流下芯片热分布对比图

不同加载电流下芯片热分布对比图

     灯珠正常使用时,额定电流为60mA。金鉴通过显微热分布测试系统发现,该芯片在额定电流下工作,芯片存在发热不均匀的现象,其负极靠近芯片边缘位置温度比正电极周围高10度左右。建议改芯片电极设计做适当优化,以提高发光效率和产品稳定性。

    该芯片不同电流下(30mA60mA90mA)都存在发热不均的现象,芯片正极区域温度明显高于负极区域温度。当芯片超电流(90mA)使用时,我们发现过多的电流并没有转变成为光能,而是转变成为热能。


案例四:芯片结构设计不当失效分析

    某灯具厂家把芯片封装成灯珠后,做成灯具,在使用一个月后出现个别灯珠死灯现象,委托金鉴查找原因。本案例,金鉴发现该灯具芯片有漏电、烧电极和掉电极的现象,通过自主研发的显微热分布测试仪发现芯片正负电极温差过大,再经过FIB对芯片正负电极切割发现正极Al层过厚和正极下缺乏二氧化硅阻挡层。显微热分布测试系统在本案例中,起到定位失效点的关键作用。


对漏电灯珠通电光学显微镜观察:

   金鉴随机取1pc漏电灯珠进行化学开封,使用3V/50uA直流电通电测试,发现灯珠存在电流分布不均现象,负极一端处的亮度较高。 

芯片光分布图

芯片光分布图


对漏电灯珠显微红外观察:

    使用金鉴自主研发的显微热分布测试系统对同样漏电芯片表面温度进行测量,发现芯片正负电极温度差距很大,数据显示如图,负极电极温度为129.2℃,正极电极温度为82.0℃,电极两端温差>30℃。


 芯片热分布图

芯片热分布图

死灯芯片负极金道FIB切割:

    根据显微热分布测试系统仪的测试数据,金鉴工程师把芯片失效原因定位到芯片自身结构问题上,因此对死灯灯珠芯片靠近负极电极烧毁位置下方的金道做FIB切割,结果显示芯片采用Cr-Al-Cr-Pt-Au反射结构,铝(Al)层与第1层铬(Cr)层结合良好。芯片负极的铝层厚度约为100nm

 LED芯片负极金道FIB切割及截面形貌观察

LED芯片负极金道FIB切割及截面形貌观察

死灯芯片正极金道FIB切割:

    1. 金鉴工程师对死灯灯珠芯片正极金道做FIB切割,结果显示芯片采用Cr-Al-Cr-Pt-Au反射结构,金鉴发现:Cr-Al-Cr-Pt层呈现波浪形貌,尤其ITO层呈现波浪形貌,ITO层熔点较低,正极在高温下,芯片正极ITO-Cr-Al-Cr-Pt层很容易融化脱落,这也是金鉴观察到前面部分芯片正极脱落的原因。


    2. 芯片正极的铝层厚度约为251nm,明显比负极100nm要厚,而负极和正极Cr-Al-Cr-Pt-Au是同时的蒸镀溅射工艺,厚度应该一致。


    3. 在芯片正极金道ITO层下,我们没有发现二氧化硅阻挡层。而没有阻挡层恰好导致了正负电极分布电流不均,电极温差大,造成本案的失效真因。

 LED芯片正极金道FIB切割及截面形貌观察

LED芯片正极金道FIB切割及截面形貌观察


案例五:芯片温度变化观察

    委托单位送测LED灯珠样品,要求使用显微热分布测试系统观察灯珠在不同电流下表面温度的变化情况。


对大尺寸的倒装芯片进行观察:

    时样品电流为1A,此时芯片表面温度约134℃;一段时间后,电流降低到800mA,温度在切换电流后的2s内,温度下降到125℃,随后逐渐下降到115℃达到稳定;紧接着再把电流降低到500mA10s后,温度从115℃下降到91℃。


 加载电流变化下大尺寸倒装芯片的温度-时间曲线图

加载电流变化下大尺寸倒装芯片的温度-时间曲线图


对小尺寸的倒装芯片进行观察

    样品在300mA下稳定时,芯片表面温度约为68℃;电流增加到500mA10s后温度上升到99℃;随后把电流降低到200mA13s后温度下降到57℃,此时把电流增加到400mA,芯片表面温度逐渐上升,在20s后温度达到稳定,此时温度约为83℃;最后把电流降低到100mA后,温度逐渐下降。

 

加载电流变化下小尺寸倒装芯片的温度-时间曲线图

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