Спосіб виявлення гарячих областей випромінюючої поверхні світлодіода

Реферат: Винахід належить до технічної фізики і електронної техніки, зокрема до теплофізики і визначення розподілення температури поверхні, до застосування рідких кристалів. Спосіб виявлення гарячих областей випромінюючої поверхні світлодіода (СД) полягає у застосуванні плівки термоіндикаторів гістерезисних, які здатні зберігати візуальні відображення гарячих областей поверхні при спостереженні в поляризаційному мікроскопі після припинення випромінювання. Це дозволяє фіксувати місця і розміри гарячих областей поверхні кристала СД, які виникають під час випромінювання. Технічний результат винаходу полягає в створенні нового способу виявлення гарячих областей, які виникають на яскраво випромінюючій поверхні світлодіода під час випромінювання, в визначенні координат аномально нагрітих локальних областей поверхні для проведення аналізу, встановлення і усунення причин їх виникнення. UA 103943 C2 (12) UA 103943 C2 UA 103943 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Спосіб належить до технічної фізики і електронної техніки, зокрема до теплофізики і визначення розподілення температури поверхні, до застосування рідких кристалів. Розподілення температури на випромінюючій поверхні світлодіода (СД) зумовлене розподіленням струмів в структурі СД і створеному ним розподіленням джерел тепловиділення. Навіть при рівномірному розподіленню по структурі СД струмів область поверхні кристала СД в центрі буде більше нагрітою, ніж на периферії. Виникнення інших локально нагрітих областей (гарячих областей) на поверхні кристала СД є наслідком 1) присутності локальних ділянок в р-n переході СД, в яких підвищені струми створюють локальні джерела тепловиділення або присутності таких джерел, які спричинені опорами на контактних площадках до р- і n-шарів, 2) нерівномірності тепловідводу через з'єднуючий шар між кристалом СД і корпусом, що спричиняється неоднорідністю шару (наявністю пустот, різнорідних включень, клиновидності тощо). Існування названих вище гарячих областей на поверхні кристала СД є аномальним. Тому по виявлених гарячих областям часто визначають місця знаходження (координати) і розміри дефектних областей. Рівень температури поверхні кристала СД визначається тепловим опором між нею і зовнішньою поверхнею збірки СД, а також тепловим опором між зовнішньою поверхнею збірки і навколишнім середовищем. Найбільша температура на поверхні кристала досягається в найбільше нагрітій області. По цій температурі визначають допустиму потужність споживання СД, допустиму температуру зовнішнього середовища, тобто допустимі умови експлуатації. Із наведеного вище випливає важливість вирішення задачі виявлення гарячих областей на поверхні кристала СД в складі конструкції збірки. В електронній техніці для виявлення гарячих точок на поверхні напівпровідникового кристала виробу найчастіше використовуються способи, які дозволяють візуально спостерігати області з підвищеною температурою. Серед них найбільше вживаними є способи, в яких використовується інфрачервона радіометрія [1] і рідкокристалічна термографія [2-7]. Але для виявлення гарячих областей на світловипромінюючій у видимому діапазоні поверхні СД, особливо СД з великою яскравістю випромінювання, ці способи не можуть бути застосованими так, як вони застосовуються для кристалів напівпровідникових приладів і інтегральних схем. Можливо, над'яскраве випромінювання СД є причиною того, що в сучасній літературі відсутні приклади застосування способів інфрачервоної радіометрії, які добре розроблені для визначення температури не випромінюючих поверхонь. Задачею запропонованого винаходу є спосіб виявлення гарячих областей на випромінюючій поверхні СД, незалежний від спектра і яскравості випромінювання. Аналогами запропонованого способу є способи, в яких виявлення гарячих областей поверхні базується на їх візуальному відображенні, зокрема ті способи [2-7], в яких для цього використовуються нанесені на поверхню плівки рідких кристалів. Всі вони застосовуються для виявлення гарячих точок на поверхнях кристалів виробів електронної техніки, які не випромінюють у видимому діапазоні. Між собою ці способи відрізняються типом рідкого кристалла (нематичний чи холестеричний), використанням розчинників, способом подачі напруги на кристал виробу. Серед способів аналогів [2-7] найближчим до запропонованого винаходу є спосіб (прототип), що описаний в роботі [7]. В способі прототипу використовується плівка холестеричного рідкого кристала (ХРК), який існує в твердому, рідкокристалічному і ізотропному станах і, в якому рідкокристалічний стан існує в двох станах: смектичному і холестеричному. Температури існування ХРК в смектичному стані менші температур його існування в холестеричному стані. Плівка ХРК в смектичному стані в поляризаційному мікроскопі при схрещених поляризаторах виглядає прозоро темною, а плівка ХРК в холестеричному стані при схрещених поляризаторах виглядає яскраво світлою. В плівці ХРК, яка накриває поверхню, локальні області поверхні, нагріті до температури холестеричного стану, в поляризаційному мікроскопі при схрещених поляризаторах відображаються локальними яскраво світлими областями на прозоро темному фоні плівки в смектичному стані. Осаджена із розчину на поверхню кристала напівпровідникового приладу чи інтегральної схеми, така плівка ХРК дозволяє візуально в поляризаційному мікроскопі виявляти локальні гарячі області на поверхні кристала під час споживання ним потужності. В способі прототипу поверхня кристала з плівкою ХРК освітлюється через об'єктив тільки поляризованим світлом мікроскопа. Відбите від поверхні кристала поляризоване світло, проходячи через плівку ХРК, розсіюється і змінює поляризацію в локальних областях з холестеричним станом ХРК. Останнє дозволяє пройти йому через аналізатор. Тому області 1 UA 103943 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 плівки ХРК на поверхні кристала, нагріті до температури холестеричного стану, виглядають світлими. Якщо досліджувана поверхня випромінює яскраве світло у видимому діапазоні, то виявити на ній локально нагріті області по способу прототипу неможливо тому, що це світло значно інтенсивніше, ніж освітлення поверхні світлом мікроскопа. Для випромінювання СД плівка ХРК в різних станах не є помітною перешкодою, тобто плівка ХРК помітно не модулює світло, що випромінює СД. Крім того, світло яскраво випромінюючої поверхні неможливо поляризувати перед його входженням в плівку ХРК на цій поверхні. Основні недоліки способу прототипу полягають в тому, що в застосованій в ньому плівці ХРК візуально відображаються гарячі області поверхні, яка не випромінює у видимому діапазоні і тільки під час дії джерела її нагрівання, що застосована в прототипі плівка ХРК не здатна зберігати візуальні відображення гарячих областей поверхні після відключення джерела її нагрівання. Тому спосіб прототипу не може бути застосованим для виявлення гарячих областей яскраво випромінюючої у видимому діапазоні поверхні світлодіода. В основі запропонованого способу лежить використання властивостей плівки термоіндикатора гістерезисного, осадженої на поверхню із розчину, і візуальному відображенні станів плівки в поляризаційному мікроскопі. Термоіндикатори гістерезисні - це рідкокристалічні композиції холестеричного типу, які можуть існувати в трьох станах: твердому, рідкокристалічному (холестеричному) і ізотропному. Кожний тип термоіндикатора гістерезисного являє собою суміш кількох компонентів - холестеричних рідких кристалів з певною процентною часткою кожного в складі суміші. Як компоненти найчастіше використовуються холестерилолеат, холестерилпеларгонат, холестерилхлорид, холестерилбензоат. Перед використанням термоіндикатор гістерезисний потребує нагрівання до температури плавлення і ретельного перемішування при цій температурі. Кожний стан плівки термоіндикатора гістерезисного на поверхні має своє візуальне відображення в поляризаційному мікроскопі при схрещених поляризаторах. Плівка, нагріта до температури ізотропного стану термоіндикатора, є прозорою і при схрещених поляризаторах виглядає темною. Ця ж плівка, нагріта до температури холестеричного стану, при схрещених поляризаторах мікроскопа виглядає світлою. Якщо є локальні області поверхні, нагріті до температури ізотропного стану вибраного типу термоіндикатора гістерезисного, а за межами цих локальних областей поверхня нагріта до температури холестеричного стану, то в плівці цього термоіндикатора, яка покриває поверхню, локальні області поверхні з температурою ізотропного стану візуально відображаються при схрещених поляризаторах локальними темними областями на світлому фоні. Ці візуальні відображення в плівці термоіндикатора гістерезисного зберігаються деякий час після відключення джерела нагрівання поверхні, тобто на деякий час вони запам'ятовуються. Це дає можливість зафіксувати гарячі області, які виникають під час дії джерела нагрівання. Із наведених властивостей плівки термоіндикатора гістерезисного випливає суть запропонованого способу виявлення гарячих областей випромінюючої поверхні світлодіода. На світловипромінюючу поверхню СД до його включення із розчину осаджується плівка термоіндикатора гістерезисного. Конструкція збірки СД розміщується на столі поляризаційного мікроскопа. СД підключається до джерела живлення на споживання потужності, при якій деякі локальні області випромінюючої поверхні нагріваються до ізотропного стану термоіндикатора. Після відключення споживання потужності (при відсутності випромінювання) візуальні відображення цих областей в плівці термоіндикатора зберігаються і спостерігаються в поляризаційному мікроскопі при схрещених поляризаторах. В такому стані (відсутнє випромінювання) поверхня СД з плівкою термоіндикатора гістерезисного і візуальним відображенням в ній локально нагрітих областей фіксується відеокамерою, встановленою на мікроскопі, і запам'ятовується в комп'ютері. Спільні ознаки запропонованого у винаході способу і способу прототипу: 1) плівки осаджуються на поверхню із розчинів; 2) для виявлення гарячих областей поверхні використовується візуальні відображення фазових станів в плівках; 3) нанесена на поверхню плівка спостерігається в поляризаційному мікроскопі при схрещених поляризаторах. Суттєві відмінності запропонованого способу від способу прототипу. В прототипі використовується плівка ХРК, в якій візуально відображаються і спостерігаються гарячі області поверхні тільки під час дії джерел її нагрівання і, яка не випромінює у видимому діапазоні. Плівка ХРК не зберігає візуальні відображення гарячих областей після припинення дії джерел нагрівання поверхні. В запропонованому способі використовується плівка термоіндикатора гістерезисного, в якій візуально відображаються гарячі області поверхні під час дії джерел нагрівання, а відображення цих областей зберігаються і спостерігаються після припинення дії 2 UA 103943 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 джерел нагрівання поверхні, в тому числі поверхні, яка випромінювала у видимому діапазоні під час дії джерел нагрівання. Основною суттєвою ознакою запропонованого винаходу є використання плівки термоіндикатора гістерезисного, яка здатна зберігати деякий час візуальні відображення в ній локально нагрітих областей випромінюючої поверхні СД після відключення споживання потужності, тобто при відсутності випромінювання, що забезпечує можливість зафіксувати гарячі області, які виникають під час випромінювання. Сукупність суттєвих ознак запропонованого у винаході способу включає в себе: 1) використовується тільки плівка термоіндикатора гістерезисного і візуальне відображення в ній гарячих областей поверхні; 2) під час випромінювання поверхні плівка термоіндикатора гістерезисного на ній не спостерігається; 3)гарячі області випромінюючої поверхні виявляються по їх візуальних відображеннях в плівці термоіндикатора гістерезисного, які зберігаються в плівці, спостерігаються і фіксуються після відключення випромінювання поверхні. Технічний результат винаходу полягає в створенні нового способу виявлення гарячих областей, які виникають на яскраво випромінюючій поверхні світлодіода під час випромінювання, в визначенні координат аномально нагрітих локальних областей поверхні для проведення аналізу, встановлення і усунення причин їх виникнення. Створений спосіб не потребує використання дорогого устаткування і спеціальних умов, є простим і дешевим в реалізації. Нижче наводиться приклад здійснення запропонованого способу при виявленні гарячих областей на яскраво випромінюючій поверхні матриці синіх СД Acriche ф. Seoul Semiconductor. Кристал матриці зібраний на алюмінієвій пластині. Обезжирення і відмивання випромінюючої поверхні кристала матриці виконували занурюванням алюмінієвої пластини з кристалом матриці СД в відповідний розчинник і прополіскуванням в ньому пластини протягом 3-4 хв. Для цього використовувались розчинники, які не взаємодіють зі з'єднуючим шаром між кристалом СД і корпусом збірки (алюмінієвою пластиною). Після кожного розчинника пластину просушували на терморегулюючому столі протягом ~ 20 хв. До осадження плівки термоіндикатора гістерезисного із розчину випромінюючу поверхню СД обробляли 1 % спиртовим розчином лецитину. Ця операція значно покращувала змочування поверхні розчином термоіндикатора гістерезисного і осадження на ній плівки термоіндикатора. В скляний стакан наливали 1 % спиртовий розчин лецитину до такого рівня, щоб в розчин можна було занурити алюмінієву пластину з СД перпендикулярно до рівня розчину. Алюмінієву пластину декілька разів повільно занурювали і витягували із розчину так, щоби рівень розчину переміщався по поверхні матриці СД. Після цього пластину розміщували на терморегулюючому столі з встановленою температурою 80 °С і витримували на ньому протягом 60 хв. Потім пластину занурювали в спирт і прополіскували в ньому, після чого розміщали її на терморегулюючому столі і просушували на ньому при температурі 80 °С протягом 30 хв. В наведеному прикладі здійснення запропонованого способу використовувався термоіндикатор гістерезисний, який знаходився в холестеричному стані в інтервалі температур від 16 °С до 39 °С. Для осадження плівки термоіндикатора гістерезисного на випромінюючу поверхню матриці СД використовували розчин термоіндикатора в петролейному ефірі. Алюмінієву пластину з кристалом матриці СД розміщували на горизонтальній поверхні стола. Розчин термоіндикатора всмоктували аптечною піпеткою і опускали на поверхню СД. За 1-2 хв. петролейний ефір випаровувався із розчину і на поверхню СД осаджувалась плівка термоіндикатора. Для контролю якості осадженої плівки алюмінієву пластину розміщували на столі поляризаційного мікроскопа і поверхню СД з плівкою термоіндикатора спостерігали при схрещених поляризаторах мікроскопа. Якісна плівка виглядала рівномірно світлою на всій площині поверхні кристалу матриці СД. Якщо плівка термоіндикатора на поверхні нерівномірно світла, то на цю поверхню опускали ще порцію розчину термоіндикатора. Після осадження якісної плівки термоіндикатора на поверхню матриці СД алюмінієву пластину розміщували і закріплювали на столі поляризаційного мікроскопа. На контактні площадки матриці СД за допомогою мікроманіпуляторів встановлювали зонди, закріплені на маніпуляторах, з'єднували провідниками зонди із джерелом електричного живлення. Якщо контактні площадки матриці СД розпаяні на контактні площадки, що закріплені на алюмінієвій пластині і ізольовані від неї, то вони з'єднувалися провідниками з джерелом електричного живлення. Включали відеокамеру, з'єднану з комп'ютером. Об'єктив мікроскопа налаштовували на чітке зображення поверхні кристала матриці СД і плівки термоіндикатора на поверхні як при спостереженні безпосередньо через окуляр, так і на телеекрані. 3 UA 103943 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Процес виявлення і фіксації відображень в плівці термоіндикатора гарячих областей поверхні матриці СД складався з виконання наступних операцій. Схрещували поляризатори мікроскопа. Включали джерело живлення матриці і подавали напругу. Виключали джерело живлення і спостерігали плівку термоіндикатора на поверхні. Підбирали таку напругу і тривалість перебування під нею матриці, при яких в плівці термоіндикатора гістерезисного появлялись темні локальні області, які спостерігались і зберігались в ній після відключення джерела живлення на протязі 1-2хв. Зразу після відключення джерела живлення записували в комп'ютер візуальне відображення плівки термоіндикатора з відображенням в ній локальних темних областей - гарячих областей поверхні матриці СД і фіксували відповідні їм значення напруги і тривалості її включення. Для виявлення гарячих областей поверхні СД при мінімальних потужностях споживання, а отже при мінімальному випромінюванні, збірку матриці розміщували на терморегулюючому столі, встановленому на столі мікроскопа. Нагрівали збірку до такої температури, щоб температура поверхні матриці СД належала інтервалу температур, в якому термоіндикатор існує в холестеричному стані, і була близькою до температури фазового переходу в ізотропний стан. Наступні операції виконували так, як описано вище. Приклад виявлення гарячих областей на фрагменті яскраво випромінюючій поверхні матриці синіх СД Acriche ф.Seoul Semiconductor з застосуванням запропонованого способу показаний на фото Фіг. 1-Фіг. 3. Темні області на фото - це гарячі області поверхні. Температура границі темної області 39 °С. Кожному фото на фігурах відповідають зафіксовані параметри: U - напруга, до якої підключена матриця, І - струм, що проходить через матрицю, t - тривалість включення напруги, Тс - температура навколишнього середовища. Фото Фіг. 1-Фіг. 3 зафіксовані при Тс = 19,5 °С. На Фіг. 1 показано фото фрагменту поверхні при U=0. Фото Фіг. 2 зафіксовано при U=54 В, 1=8 мА, t = 3сек., а фото Фіг. 3 - при U=55 В, 1=10 мА, і = 2сек. Джерела інформації: 1. Rocotoniaina J. P., Breitenstein О., Langekamp M. Localization of weak heat Sources in electronic devices using high sensitive Lock-in IR thermography. Material Science and Engineering, 2002, В 91-92, P. 481-484. 2.Patent № 5767489 US. Mark S. Ferrier. Enhanced resolution liquid crystal microtermography method and apparatus. June, 1998. 3. Patent № 46828257 US. Tan, Peng. Liquid crystal hot spot detection with infinitesimal temperature control. 07,1987. 4. H. Lin, M. Khan, T. Giao. Dynamic of liquid crystal hot spot examination of functional failures on th production testers. Proceedings from the 20 International Symposium Testing and Faulere Analysis. 1994, P.81. 5. V. M. Popov, A.S. Klimenko, A. P. Pokanevich, 1.1. Gavrilyuk, and N. V. Moshel. Liquid-Crystal Thermography of Hot Spots on Electronic Components. Russian Microelectronics. 2007. Vol. 36. № 6. P. 392-401. 6. Попов В. М, Клименко А. С, Поканевич А. П. Усовершенствованный метод выявления горячих точек в изделиях микроэлектроники. Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2008, №3, С. 55-58. 7. Патент на винахід № 77499 України. Спосіб виявлення локальних джерел тепловиділення в зразках кристалів інтегральних схем та напівпровідникових приладів. Попов В.М., Клименко А.С, Поканевич О. П., Мошель М. В., 15. 12.2006. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 50 55 Спосіб виявлення гарячих областей випромінюючої поверхні світлодіода (СД), який включає нанесення на поверхню плівки рідкого кристала, спостереження поверхні в поляризаційному мікроскопі і фіксацію візуального відображення температури поверхні в плівці рідкого кристала під час дії джерела нагрівання поверхні, який відрізняється тим, що на випромінюючу поверхню СД до випромінювання осаджують із розчину плівку термоіндикатора гістерезисного, включають СД на споживання потужності, а поверхню СД спостерігають в поляризаційному мікроскопі при схрещених поляризаторах після відключення споживання потужності, фіксують візуальне відображення в плівці термоіндикатора гістерезисного гарячих областей поверхні, які спостерігаються як темні області на світлому фоні. 4 UA 103943 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5