高分辨显微红外测试系统在LED行业应用

　　显微红外热分布测试系统

　　LED的诞生是现代生活的一大进步，LED在逐渐成长的过程中，伴随许多失效、故障等问题，然而这些问题的罪魁祸首首指发热问题，LED的发热不均往往会成为LED功能降低甚至失效的原因，为此，金鉴实验室联合英国GMATG公司联合推出显微红外热分布测试系统,采用法国ULIS的非晶硅红外探测器，通过算法、芯片和图像传感技术的改进，打造高精智能化的测试体系,整合出一套显微红外热分布测试系统，价格远低于由国外同类产品，同样的功能，但却有更精确的数据整理系统、更方便的操作体系，正应证了“最好的检测设备是一线的测试工程师研发出来的！”这句话。

　　金鉴显微红外热分布测试系统已演化到第五代：配备20um的微距镜，可用于观察芯片微米级别的红外热分布；通过软件算法处理，图像的分辨率高达5um，能看清芯片晶道；高低温数显精密控温系统，可以模拟芯片工作温度；区域发射率校准软件设置，根据被测物上的不同材质，设置不同发射率，才能得到最真实的温度值；具备人工智能触发记录和大数据存储功能，适合电子行业相关的来料检验、研发检测和客诉处理，以达到企业节省20%的研发和品质支出的目的。

　　金鉴显微红外热分布测试系统，空间分辨率5μm，0.03℃温度分辨率,建有演示实验室,提供评估测试服务显微热成像MEMS,电子器件,激光器件,LED,传感器,氮化镓,SIC,IGBT等等微小样品。

　　金鉴实验室联合英国GMATG公司设立仪器研发中心，自主研发的主要设备有显微显微红外热分布测试系统、显微红外定位系统和激光开封系统。产品获得中科院、暨南大学、南昌大学、华南理工大学、华中科技大学、士兰明芯、清华同方、华灿光电、三安光电、三安集成、天电光电、瑞丰光电等高校科研院所和上市公司的广泛使用，广受老师和科研人员普遍赞誉。性能卓著，值得信赖。

　　与传统红外热像仪相比，金鉴显微红外热分布测试系统优点显著：

 

　　金鉴显微热分布与传统设备大PK：

　　金鉴显微红外热分布测试系统能更清晰观察芯片光热分布，发现电流扩散不均匀的状况。

　　应用领域：

　　芯片电极设计、芯片来料检验、失效分析、灯具热分布测量、灯具灯珠芯片升温热分布动态采集、集成电路失效分析、无损失效分析。

　　金鉴显微红外热分布测试系统特点：

　　1. 20μm微距镜，通过软件强化像素功能将画质清晰度提高4倍，图像分辨率提高至5μm，可用于观察芯片微米级别的红外热分布。

　　LED芯片是LED产业的最核心器件，芯片温度过高会严重影响LED产品质量； 但芯片及芯片内部的温度分布一直是检测难点；金鉴自研发的显微红外热分布测试系统可对LED芯片温度进行检测，通过对内部的温度分布分析，改善设计，提高LED产品质量。金线和正负电极的温度分布状况可以为研发人员提供布线设计依据，以及为芯片研发散热系统提供直观的芯片热分布数据。

　　芯片热分布图

　　2. 模拟器件实际工作温度进行测试，测试数据更真实有效

　　LED光源的光热性能受温度的影响较大，脱离实际工作温度所测试的结果准确性较差，甚至毫无意义。而金鉴自主研发的显微热分布测试系统配备有高低温数显精密控温平台，能稳定控制灯珠引脚温度和基板温度，模拟模拟器件实际工作温度进行测试，提供更为真实有效的数据。该测试平台还配备有水冷降温系统，在100s内可将平台温度由100℃降到室温，有效解决了样品台降温困难的问题，该系统还可以稳定控制样品台温度维持在0℃-室温，适用于一些需要保持低温工作的器件。

　　3. 1TB超大视频录制支持老化测试等长期实时在线监测

　　金鉴显微热分布测试系统的全辐射视频录像可以保存每一帧画面所有像素的温度数据，支持逐帧分析热过程和变化，更容易发现和确认真实的温度值，以及需要进一步检查的位置。工程师可以利用显微热分布测试系统记录灯具发热红外视频，分析出在不同的工作时间，灯具温度变化和温度分布情况，在此基础，达到分析评估LED灯具散热效果，寻找异常温度区域，定位关键失效点。

　　（1）手机可直接录制1000帧热像视频，没有电脑也能自动采集数据。

　　（2）自定义采样速率（最快5帧/秒）。

　　灯具温升变化图

　　灯珠芯片温升变化图

　　4.热灵敏度和分辨率高，便于分辨更小的温差和更小目标，提供更清晰的热像。

　　专业测温，-20℃~650℃宽温度量程，测温误差±2℃或±2%。热灵敏度0.03℃，便于分辨更小的温差和更小目标，提供更清晰的热像。红外分辨率640x480，若使用算法改进的像素增强功能，可有4倍图像清晰度，画质提升为1280x960。

　　5.支持12个点，12个框和3条线的实时温度显示、分析功能，可导出时间温度曲线、三维温度图等测试数据。

　　时间温度曲线：

　　三维温度图：

　　6.手机触屏操作界面，简单易学，即开即用。

　　            

　　手机可直接录制1000帧热像全辐射视频；温变过程实时捕捉；没有PC也能自动采集数据。

　　7. 定制化的热像分析软件

　　金鉴定制PC端、APP分析软件: IR pro、JinJian IR针对LED产业开发的特殊应用功能，人性化的操作界面，更适合LED失效分析、研发测试，纠正多种错误测温方式，开发新的应用领域。具备强大的热像图片分析和报告功能，方便做各个维度的温度数据分析和图像效果处理。

　　案例一：

　　客户送测LED芯片，委托金鉴在指定电流条件下（30mA、60mA、90mA）进行芯片热分布测试。其中60mA为额定电流。

　　点亮条件：30mA、60mA、90mA

　　环境温度：20~25℃/40~60%RH

　　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。金鉴通过显微红外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（30mA、60mA、90mA）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。

　　案例二：

　　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红外热分布测试系统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。显微红外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

　　对漏电灯珠显微红外观察：

　　使用金鉴自主研发的显微红外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

　　死灯芯片负极金道FIB切割：

　　根据显微热分布测试系统的测试数据，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

　　死灯芯片正极金道FIB切割：

　　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： 1.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

　　案例三：委托单位送测LED灯珠样品，要求使用显微红外热分布测试仪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：

　　开始时样品电流为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500mA，10s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

　　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500mA，10s后温度上升到99℃；随后把电流降低到200mA，13s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

　　案例四：分析固晶工艺

　　1. 某公司灯珠发生死灯，开封后可以观察到外延层烧毁、金道烧毁、电极脱落。

　　失效灯珠芯片外观形貌图

　　进一步对失效品灯珠进行金相切片，可以观察到失效品灯珠芯片与固晶胶存在剥离现象。（备注：固晶胶采用的导热绝缘胶）

　　失效灯珠金相切片截面观察

　　3. 进一步取固晶胶剥离与未剥离的灯珠芯片，使用金鉴实验室自主研发的显微红外热分布测试系统，对固晶胶剥离与未剥离芯片进行热分布测试比对，比对结果如下图所示：

　　固晶胶剥离和未剥离的芯片热分布图对比

　　结果显示：固晶胶剥离灯珠芯片表面温度比未剥离芯片表面温度高约110℃，温度相差极大。分析原因，固晶胶脱落导致热量无法通过灯珠支架顺利传导出去，造成芯片周围环境温度变高，灯珠芯片温度升高。该芯片负极区域发热量大，芯片工作环境温度升高时，芯片负极区容易出现温度过高烧毁。

　　案例五：判定多芯片灯珠发热情况

　　客户送测LED灯珠，委托金鉴进行灯珠体检，帮助提升其产品性能和质量。

　　灯珠外观图及芯片热分布图

　　从热分布图中我们发现，该灯珠两颗芯片发热量不一致，A芯片表面温度为61.4℃，B芯片表面温度为70.7℃，温度相差9.3℃，这种情况将会严重影响灯珠性能及可靠性。其原因是：LED芯片较小的电压波动会产生较大的电流变化，该灯珠两颗芯片采用并联方式工作，两颗芯片两端的电压一样，芯片电阻之间的差异会造成流过两颗芯片的电流存在较大差异，从而出现一个灯珠内两颗芯片热功率出现差异。客户针对此种情况，加强对来料芯片电压分BIN的卡控后，杜绝了该种异常现象，其灯珠性能及可靠性得到大大提高。

　　案例六：灯具热分布测试

　　客户送测LED灯具样品，要求进行温度测试。金鉴使用显微红外热分布测试系统可以很直观的显示灯具各区域的温度和热分布，在优化灯具热设计方面作用显著。

　　灯具外观图及其工作时的热分布图

　　案例七：显示屏热分布监测

　　PCB板大屏显示模组存在过热区，过热区亮度会偏低，高温还会加速LED光源的老化，热分布不均势必会造成发光不均，影响显示模组清晰度。在显示屏分辨率快速提升的当下，光热分布不均已成为制约LED显示屏清晰度的最大因素。因此，提升LED显示屏光热分布均匀性对提高当下LED显示屏清晰度，意义重大！

　　PCB板大屏显示模组及其工作时的热分布图

　　案例八：定位电源失效区域

　　委托单位电源出现失效现象，委托金鉴查找电源失效原因。在该案例中，金鉴使用显微红外热分布测试系统对电源进行测试，发现电源结构中的R5电阻在使用时发热严重，经测温发现该电阻温度高达90℃。厂家建议碳膜电阻在满载功率时最佳工作温度在70℃以下，而该电源中R5碳膜电阻在90℃温度下满载工作，长期使用过程中导致R5电阻失效。

　　电源热分布图及热点定位

　　案例九：电源失效分析

　　委托单位反馈该款电源在使用约一年时间后出现烧毁失效，委托金鉴查找电源失效原因。金鉴使用显微红外热分布测试系统对电源进行温度测试，碳膜电阻R9温度高达157.4℃，热敏电阻温度为101.0℃。一般建议碳膜电阻的最佳工作温度为70℃以下，热敏电阻的工作温度在120℃以内，而该电源中碳膜电阻在157.4℃温度下满载工作，因此工程师迅速锁定了该异常点。

　　由于碳膜电阻R9的实测工作温度为157.4℃，根据如下电力减轻曲线可知，155℃温度下的实际使用功率应为额定功率的5%左右，即0.1W左右，根据欧姆定律P=U²/R推算在155℃温度下可以使用的实际额定电压U=82V。而实际使用碳膜电阻R9的电压为366V，说明碳膜电阻R9处于超负荷使用状态，长期超负荷使用可能导致电阻值出现漂移，进而造成同一回路中的其他器件烧毁，发生电源烧毁失效。

　　对正常电源和烧毁电源中的碳膜电阻进行电阻测试，结果显示：正常电源碳膜电阻阻值为67.5kΩ，烧毁的电源同一回路中的碳膜电阻阻值为88.3kΩ，证实碳膜电阻阻值已出现漂移。

　　电阻参数在高温下出现漂移，长期使用会影响电阻的寿命和可靠性，建议委托单位优化电源设计，避免电源器件在高温下长期超负荷使用。

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