高分辨顯微紅外測試系統(tǒng)在LED行業(yè)應(yīng)用

　　顯微紅外熱分布測試系統(tǒng)

　　LED的誕生是現(xiàn)代生活的一大進(jìn)步，LED在逐漸成長的過程中，伴隨許多失效、故障等問題，然而這些問題的罪魁禍?zhǔn)资字赴l(fā)熱問題，LED的發(fā)熱不均往往會成為LED功能降低甚至失效的原因，為此，金鑒實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合英國GMATG公司聯(lián)合推出顯微紅外熱分布測試系統(tǒng),采用法國ULIS的非晶硅紅外探測器，通過算法、芯片和圖像傳感技術(shù)的改進(jìn)，打造高精智能化的測試體系,整合出一套顯微紅外熱分布測試系統(tǒng)，價格遠(yuǎn)低于由國外同類產(chǎn)品，同樣的功能，但卻有更精確的數(shù)據(jù)整理系統(tǒng)、更方便的操作體系，正應(yīng)證了“最好的檢測設(shè)備是一線的測試工程師研發(fā)出來的！”這句話。

　　金鑒顯微紅外熱分布測試系統(tǒng)已演化到第五代：配備20um的微距鏡，可用于觀察芯片微米級別的紅外熱分布；通過軟件算法處理，圖像的分辨率高達(dá)5um，能看清芯片晶道；高低溫?cái)?shù)顯精密控溫系統(tǒng)，可以模擬芯片工作溫度；區(qū)域發(fā)射率校準(zhǔn)軟件設(shè)置，根據(jù)被測物上的不同材質(zhì)，設(shè)置不同發(fā)射率，才能得到最真實(shí)的溫度值；具備人工智能觸發(fā)記錄和大數(shù)據(jù)存儲功能，適合電子行業(yè)相關(guān)的來料檢驗(yàn)、研發(fā)檢測和客訴處理，以達(dá)到企業(yè)節(jié)省20%的研發(fā)和品質(zhì)支出的目的。

　　金鑒顯微紅外熱分布測試系統(tǒng)，空間分辨率5μm，0.03℃溫度分辨率,建有演示實(shí)驗(yàn)室,提供評估測試服務(wù)顯微熱成像MEMS,電子器件,激光器件,LED,傳感器,氮化鎵,SIC,IGBT等等微小樣品。

　　金鑒實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合英國GMATG公司設(shè)立儀器研發(fā)中心，自主研發(fā)的主要設(shè)備有顯微顯微紅外熱分布測試系統(tǒng)、顯微紅外定位系統(tǒng)和激光開封系統(tǒng)。產(chǎn)品獲得中科院、暨南大學(xué)、南昌大學(xué)、華南理工大學(xué)、華中科技大學(xué)、士蘭明芯、清華同方、華燦光電、三安光電、三安集成、天電光電、瑞豐光電等高?？蒲性核蜕鲜泄镜膹V泛使用，廣受老師和科研人員普遍贊譽(yù)。性能卓著，值得信賴。

　　與傳統(tǒng)紅外熱像儀相比，金鑒顯微紅外熱分布測試系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)顯著：

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　　金鑒顯微熱分布與傳統(tǒng)設(shè)備大PK：

　　金鑒顯微紅外熱分布測試系統(tǒng)能更清晰觀察芯片光熱分布，發(fā)現(xiàn)電流擴(kuò)散不均勻的狀況。

　　應(yīng)用領(lǐng)域：

　　芯片電極設(shè)計(jì)、芯片來料檢驗(yàn)、失效分析、燈具熱分布測量、燈具燈珠芯片升溫?zé)岱植紕討B(tài)采集、集成電路失效分析、無損失效分析。

　　金鑒顯微紅外熱分布測試系統(tǒng)特點(diǎn)：

　　1. 20μm微距鏡，通過軟件強(qiáng)化像素功能將畫質(zhì)清晰度提高4倍，圖像分辨率提高至5μm，可用于觀察芯片微米級別的紅外熱分布。

　　LED芯片是LED產(chǎn)業(yè)的最核心器件，芯片溫度過高會嚴(yán)重影響LED產(chǎn)品質(zhì)量； 但芯片及芯片內(nèi)部的溫度分布一直是檢測難點(diǎn)；金鑒自研發(fā)的顯微紅外熱分布測試系統(tǒng)可對LED芯片溫度進(jìn)行檢測，通過對內(nèi)部的溫度分布分析，改善設(shè)計(jì)，提高LED產(chǎn)品質(zhì)量。金線和正負(fù)電極的溫度分布狀況可以為研發(fā)人員提供布線設(shè)計(jì)依據(jù)，以及為芯片研發(fā)散熱系統(tǒng)提供直觀的芯片熱分布數(shù)據(jù)。

　　芯片熱分布圖

　　2. 模擬器件實(shí)際工作溫度進(jìn)行測試，測試數(shù)據(jù)更真實(shí)有效

　　LED光源的光熱性能受溫度的影響較大，脫離實(shí)際工作溫度所測試的結(jié)果準(zhǔn)確性較差，甚至毫無意義。而金鑒自主研發(fā)的顯微熱分布測試系統(tǒng)配備有高低溫?cái)?shù)顯精密控溫平臺，能穩(wěn)定控制燈珠引腳溫度和基板溫度，模擬模擬器件實(shí)際工作溫度進(jìn)行測試，提供更為真實(shí)有效的數(shù)據(jù)。該測試平臺還配備有水冷降溫系統(tǒng)，在100s內(nèi)可將平臺溫度由100℃降到室溫，有效解決了樣品臺降溫困難的問題，該系統(tǒng)還可以穩(wěn)定控制樣品臺溫度維持在0℃-室溫，適用于一些需要保持低溫工作的器件。

　　3. 1TB超大視頻錄制支持老化測試等長期實(shí)時在線監(jiān)測

　　金鑒顯微熱分布測試系統(tǒng)的全輻射視頻錄像可以保存每一幀畫面所有像素的溫度數(shù)據(jù)，支持逐幀分析熱過程和變化，更容易發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)真實(shí)的溫度值，以及需要進(jìn)一步檢查的位置。工程師可以利用顯微熱分布測試系統(tǒng)記錄燈具發(fā)熱紅外視頻，分析出在不同的工作時間，燈具溫度變化和溫度分布情況，在此基礎(chǔ)，達(dá)到分析評估LED燈具散熱效果，尋找異常溫度區(qū)域，定位關(guān)鍵失效點(diǎn)。

　?。?）手機(jī)可直接錄制1000幀熱像視頻，沒有電腦也能自動采集數(shù)據(jù)。

　?。?）自定義采樣速率（最快5幀/秒）。

　　燈具溫升變化圖

　　燈珠芯片溫升變化圖

　　4.熱靈敏度和分辨率高，便于分辨更小的溫差和更小目標(biāo)，提供更清晰的熱像。

　　專業(yè)測溫，-20℃~650℃寬溫度量程，測溫誤差±2℃或±2%。熱靈敏度0.03℃，便于分辨更小的溫差和更小目標(biāo)，提供更清晰的熱像。紅外分辨率640x480，若使用算法改進(jìn)的像素增強(qiáng)功能，可有4倍圖像清晰度，畫質(zhì)提升為1280x960。

　　5.支持12個點(diǎn)，12個框和3條線的實(shí)時溫度顯示、分析功能，可導(dǎo)出時間溫度曲線、三維溫度圖等測試數(shù)據(jù)。

　　時間溫度曲線：

　　三維溫度圖：

　　6.手機(jī)觸屏操作界面，簡單易學(xué)，即開即用。

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　　手機(jī)可直接錄制1000幀熱像全輻射視頻；溫變過程實(shí)時捕捉；沒有PC也能自動采集數(shù)據(jù)。

　　7. 定制化的熱像分析軟件

　　金鑒定制PC端、APP分析軟件: IR pro、JinJian IR針對LED產(chǎn)業(yè)開發(fā)的特殊應(yīng)用功能，人性化的操作界面，更適合LED失效分析、研發(fā)測試，糾正多種錯誤測溫方式，開發(fā)新的應(yīng)用領(lǐng)域。具備強(qiáng)大的熱像圖片分析和報告功能，方便做各個維度的溫度數(shù)據(jù)分析和圖像效果處理。

　　案例一：

　　客戶送測LED芯片，委托金鑒在指定電流條件下（30mA、60mA、90mA）進(jìn)行芯片熱分布測試。其中60mA為額定電流。

　　點(diǎn)亮條件：30mA、60mA、90mA

　　環(huán)境溫度：20~25℃/40~60%RH

　　不同加載電流下芯片熱分布對比圖

　　燈珠正常使用時，額定電流為60mA。金鑒通過顯微紅外熱分布測試系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，該芯片在額定電流下工作，芯片存在發(fā)熱不均勻的現(xiàn)象，其負(fù)極靠近芯片邊緣位置溫度比正電極周圍高10度左右。建議改芯片電極設(shè)計(jì)做適當(dāng)優(yōu)化，以提高發(fā)光效率和產(chǎn)品穩(wěn)定性。

　　該芯片不同電流下（30mA、60mA、90mA）都存在發(fā)熱不均的現(xiàn)象，芯片正極區(qū)域溫度明顯高于負(fù)極區(qū)域溫度。當(dāng)芯片超電流（90mA）使用時，我們發(fā)現(xiàn)過多的電流并沒有轉(zhuǎn)變成為光能，而是轉(zhuǎn)變成為熱能。

　　案例二：

　　某燈具廠家把芯片封裝成燈珠后，做成燈具，在使用一個月后出現(xiàn)個別燈珠死燈現(xiàn)象，委托金鑒查找原因。本案例，金鑒發(fā)現(xiàn)該燈具芯片有漏電、燒電極和掉電極的現(xiàn)象，通過自主研發(fā)的顯微紅外熱分布測試系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)芯片正負(fù)電極溫差過大，再經(jīng)過FIB對芯片正負(fù)電極切割發(fā)現(xiàn)正極Al層過厚和正極下缺乏二氧化硅阻擋層。顯微紅外熱分布測試系統(tǒng)在本案例中，起到定位失效點(diǎn)的關(guān)鍵作用。

　　對漏電燈珠通電光學(xué)顯微鏡觀察：

　　金鑒隨機(jī)取1pc漏電燈珠進(jìn)行化學(xué)開封，使用3V/50uA直流電通電測試，發(fā)現(xiàn)燈珠存在電流分布不均現(xiàn)象，負(fù)極一端處的亮度較高。

　　芯片光分布圖

　　對漏電燈珠顯微紅外觀察：

　　使用金鑒自主研發(fā)的顯微紅外熱分布測試系統(tǒng)對同樣漏電芯片表面溫度進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)芯片正負(fù)電極溫度差距很大，

　　數(shù)據(jù)顯示如圖，負(fù)極電極溫度為129.2℃，正極電極溫度為82.0℃，電極兩端溫差>30℃。

　　芯片熱分布圖

　　死燈芯片負(fù)極金道FIB切割：

　　根據(jù)顯微熱分布測試系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)，金鑒工程師把芯片失效原因定位到芯片自身結(jié)構(gòu)問題上，因此對死燈燈珠芯片靠近負(fù)極電極燒毀位置下方的金道做FIB切割，結(jié)果顯示芯片采用Cr-Al-Cr-Pt-Au反射結(jié)構(gòu)，鋁（Al）層與第1層鉻（Cr）層結(jié)合良好。芯片負(fù)極的鋁層厚度約為100nm。

　　LED芯片負(fù)極金道FIB切割及截面形貌觀察

　　死燈芯片正極金道FIB切割：

　　金鑒工程師對死燈燈珠芯片正極金道做FIB切割，結(jié)果顯示芯片采用Cr-Al-Cr-Pt-Au反射結(jié)構(gòu)，金鑒發(fā)現(xiàn)： 1.Cr-Al-Cr-Pt層呈現(xiàn)波浪形貌，尤其ITO層呈現(xiàn)波浪形貌，ITO層熔點(diǎn)較低，正極在高溫下，芯片正極ITO-Cr-Al-Cr-Pt層很容易融化脫落，這也是金鑒觀察到前面部分芯片正極脫落的原因。

　　2.芯片正極的鋁層厚度約為251nm，明顯比負(fù)極100nm要厚，而負(fù)極和正極Cr-Al-Cr-Pt-Au是同時的蒸鍍?yōu)R射工藝，厚度應(yīng)該一致。

　　3.在芯片正極金道ITO層下，我們沒有發(fā)現(xiàn)二氧化硅阻擋層。而沒有阻擋層恰好導(dǎo)致了正負(fù)電極分布電流不均，電極溫差大，造成本案的失效真因。

　　LED芯片正極金道FIB切割及截面形貌觀察

　　案例三：委托單位送測LED燈珠樣品，要求使用顯微紅外熱分布測試儀觀察燈珠在不同電流下表面溫度的變化情況。

　　對大尺寸的倒裝芯片進(jìn)行觀察：

　　開始時樣品電流為1A，此時芯片表面溫度約134℃；一段時間后，電流降低到800mA，溫度在切換電流后的2s內(nèi)，溫度下降到125℃，隨后逐漸下降到115℃達(dá)到穩(wěn)定；緊接著再把電流降低到500mA，10s后，溫度從115℃下降到91℃。

　　加載電流變化下大尺寸倒裝芯片的溫度-時間曲線圖

　　對小尺寸的倒裝芯片進(jìn)行觀察：

　　樣品在300mA下穩(wěn)定時，芯片表面溫度約為68℃；電流增加到500mA，10s后溫度上升到99℃；隨后把電流降低到200mA，13s后溫度下降到57℃，此時把電流增加到400mA，芯片表面溫度逐漸上升，在20s后溫度達(dá)到穩(wěn)定，此時溫度約為83℃；最后把電流降低到100mA后，溫度逐漸下降。

　　加載電流變化下小尺寸倒裝芯片的溫度-時間曲線圖

　　案例四：分析固晶工藝

　　1. 某公司燈珠發(fā)生死燈，開封后可以觀察到外延層燒毀、金道燒毀、電極脫落。

　　失效燈珠芯片外觀形貌圖

　　進(jìn)一步對失效品燈珠進(jìn)行金相切片，可以觀察到失效品燈珠芯片與固晶膠存在剝離現(xiàn)象。（備注：固晶膠采用的導(dǎo)熱絕緣膠）

　　失效燈珠金相切片截面觀察

　　3. 進(jìn)一步取固晶膠剝離與未剝離的燈珠芯片，使用金鑒實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的顯微紅外熱分布測試系統(tǒng)，對固晶膠剝離與未剝離芯片進(jìn)行熱分布測試比對，比對結(jié)果如下圖所示：

　　固晶膠剝離和未剝離的芯片熱分布圖對比

　　結(jié)果顯示：固晶膠剝離燈珠芯片表面溫度比未剝離芯片表面溫度高約110℃，溫度相差極大。分析原因，固晶膠脫落導(dǎo)致熱量無法通過燈珠支架順利傳導(dǎo)出去，造成芯片周圍環(huán)境溫度變高，燈珠芯片溫度升高。該芯片負(fù)極區(qū)域發(fā)熱量大，芯片工作環(huán)境溫度升高時，芯片負(fù)極區(qū)容易出現(xiàn)溫度過高燒毀。

　　案例五：判定多芯片燈珠發(fā)熱情況

　　客戶送測LED燈珠，委托金鑒進(jìn)行燈珠體檢，幫助提升其產(chǎn)品性能和質(zhì)量。

　　燈珠外觀圖及芯片熱分布圖

　　從熱分布圖中我們發(fā)現(xiàn)，該燈珠兩顆芯片發(fā)熱量不一致，A芯片表面溫度為61.4℃，B芯片表面溫度為70.7℃，溫度相差9.3℃，這種情況將會嚴(yán)重影響燈珠性能及可靠性。其原因是：LED芯片較小的電壓波動會產(chǎn)生較大的電流變化，該燈珠兩顆芯片采用并聯(lián)方式工作，兩顆芯片兩端的電壓一樣，芯片電阻之間的差異會造成流過兩顆芯片的電流存在較大差異，從而出現(xiàn)一個燈珠內(nèi)兩顆芯片熱功率出現(xiàn)差異。客戶針對此種情況，加強(qiáng)對來料芯片電壓分BIN的卡控后，杜絕了該種異?，F(xiàn)象，其燈珠性能及可靠性得到大大提高。

　　案例六：燈具熱分布測試

　　客戶送測LED燈具樣品，要求進(jìn)行溫度測試。金鑒使用顯微紅外熱分布測試系統(tǒng)可以很直觀的顯示燈具各區(qū)域的溫度和熱分布，在優(yōu)化燈具熱設(shè)計(jì)方面作用顯著。

　　燈具外觀圖及其工作時的熱分布圖

　　案例七：顯示屏熱分布監(jiān)測

　　PCB板大屏顯示模組存在過熱區(qū)，過熱區(qū)亮度會偏低，高溫還會加速LED光源的老化，熱分布不均勢必會造成發(fā)光不均，影響顯示模組清晰度。在顯示屏分辨率快速提升的當(dāng)下，光熱分布不均已成為制約LED顯示屏清晰度的最大因素。因此，提升LED顯示屏光熱分布均勻性對提高當(dāng)下LED顯示屏清晰度，意義重大！

　　PCB板大屏顯示模組及其工作時的熱分布圖

　　案例八：定位電源失效區(qū)域

　　委托單位電源出現(xiàn)失效現(xiàn)象，委托金鑒查找電源失效原因。在該案例中，金鑒使用顯微紅外熱分布測試系統(tǒng)對電源進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)電源結(jié)構(gòu)中的R5電阻在使用時發(fā)熱嚴(yán)重，經(jīng)測溫發(fā)現(xiàn)該電阻溫度高達(dá)90℃。廠家建議碳膜電阻在滿載功率時最佳工作溫度在70℃以下，而該電源中R5碳膜電阻在90℃溫度下滿載工作，長期使用過程中導(dǎo)致R5電阻失效。

　　電源熱分布圖及熱點(diǎn)定位

　　案例九：電源失效分析

　　委托單位反饋該款電源在使用約一年時間后出現(xiàn)燒毀失效，委托金鑒查找電源失效原因。金鑒使用顯微紅外熱分布測試系統(tǒng)對電源進(jìn)行溫度測試，碳膜電阻R9溫度高達(dá)157.4℃，熱敏電阻溫度為101.0℃。一般建議碳膜電阻的最佳工作溫度為70℃以下，熱敏電阻的工作溫度在120℃以內(nèi)，而該電源中碳膜電阻在157.4℃溫度下滿載工作，因此工程師迅速鎖定了該異常點(diǎn)。

　　由于碳膜電阻R9的實(shí)測工作溫度為157.4℃，根據(jù)如下電力減輕曲線可知，155℃溫度下的實(shí)際使用功率應(yīng)為額定功率的5%左右，即0.1W左右，根據(jù)歐姆定律P=U2/R推算在155℃溫度下可以使用的實(shí)際額定電壓U=82V。而實(shí)際使用碳膜電阻R9的電壓為366V，說明碳膜電阻R9處于超負(fù)荷使用狀態(tài)，長期超負(fù)荷使用可能導(dǎo)致電阻值出現(xiàn)漂移，進(jìn)而造成同一回路中的其他器件燒毀，發(fā)生電源燒毀失效。

　　對正常電源和燒毀電源中的碳膜電阻進(jìn)行電阻測試，結(jié)果顯示：正常電源碳膜電阻阻值為67.5kΩ，燒毀的電源同一回路中的碳膜電阻阻值為88.3kΩ，證實(shí)碳膜電阻阻值已出現(xiàn)漂移。

　　電阻參數(shù)在高溫下出現(xiàn)漂移，長期使用會影響電阻的壽命和可靠性，建議委托單位優(yōu)化電源設(shè)計(jì)，避免電源器件在高溫下長期超負(fù)荷使用。

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