CN111965216A - 基于脉冲涡流红外的led芯片焊接层空洞率无损评价方法 - Google Patents

基于脉冲涡流红外的led芯片焊接层空洞率无损评价方法 Download PDF

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Abstract

基于脉冲涡流红外的LED芯片焊接层空洞率无损评价方法，首先将激励线圈和高分辨率红外相机放置在LED芯片上方，利用冷却装置对与感应加热装置相连的激励线圈进行冷却；然后利用感应加热装置给激励线圈施加脉冲激励电流的同时，通过数据采集装置给高分辨率红外相机一个触发信号，使高分辨率红外相机的图像采集与施加于激励线圈的激励信号实现同步；最后将高分辨率红外相机采集的RGB图像转换为灰度图，通过分析灰度图中空洞区域即可对LED芯片焊接层空洞率对进行无损评价；本发明方法可以快速对LED芯片焊接层空洞率进行无损评价，为其提供了可靠的评价方法，具有良好的应用前景。

Description

基于脉冲涡流红外的LED芯片焊接层空洞率无损评价方法
技术领域
本发明涉及LED芯片焊接层空洞率无损评估领域，具体涉及一种基于脉冲涡流红外的LED芯片焊接层空洞率无损评价方法。
背景技术
LED由于具有节能、环保、寿命长等优点，在工业和民用等领域得到了广泛的应用。随着微电子和光电子应用系统的微型化、高速化、大密度和大功率的发展，器件的散热显得尤为重要。器件的散热不仅与系统热设计和布局有关，还与器件和各层之间的粘结质量有关。LED芯片焊接层空洞是引起LED失效的一种重要因素，它是造成芯片由于散热不良而失效的主要原因。
LED芯片在焊接过程中，由于焊接表面玷污、氧化等原因，会在焊接层产生空洞，这些空洞会减小LED散热的有效面积，导致散热不良，因此对LED芯片焊接层空洞率进行无损评价具有实际意义。
脉冲涡流红外是一种新兴的无损检测技术，具有非接触、观测范围大和分辨率高等优点。脉冲涡流红外无损检测技术通过激励线圈中的高频激励电流对物体施加交变磁场，再通过红外相机采集物体表面温度变化的图像序列，最后通过分析温度图像序列即可对物体进行无损检测和无损评估。
发明内容
为了达到上述评价LED芯片焊接层空洞率的目的，本发明的目的在于提供一种基于脉冲涡流红外的LED芯片焊接层空洞率无损评价方法，该方法实验装置由加热装置、冷却装置、高分辨率红外相机、激励线圈和数据采集装置组成；实现该方法时，首先将激励线圈和高分辨率红外相机放置在LED芯片上方，利用冷却装置对与加热装置相连的激励线圈进行冷却；然后利用加热装置给激励线圈施加脉冲激励电流的同时，通过数据采集装置给高分辨率红外相机一个触发信号，使高分辨率红外相机的图像采集与施加于激励线圈的激励信号实现同步；最后将高分辨率红外相机采集的RGB图像转换为灰度图，通过分析灰度图中空洞区域即可LED芯片焊接层空洞率对进行无损评价；本发明方法可以快速对LED芯片焊接层空洞率进行可靠的无损评价，具有良好的应用前景。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
基于脉冲涡流红外的LED芯片焊接层空洞率无损评价方法，包括如下步骤：
步骤1：搭建实验装置，该实验装置由感应加热装置、冷却装置、高分辨率红外相机、激励线圈和数据采集装置组成；其中数据采集装置与感应加热装置和高分辨率红外相机连接，并给感应加热装置和高分辨率红外相机同步触发信号；感应加热装置接收到触发信号后施加脉冲激励电流给激励线圈，激励线圈放置于LED芯片上方，同时冷却装置与感应加热装置相连对激励线圈进行冷却；高分辨率红外相机接收到来自数据采集装置的触发信号后开始LED芯片的采集图像序列并将图像序列传输给数据采集装置；
步骤2：首先打开冷却装置并根据LED芯片的尺寸大小选择尺寸适配的激励线圈，将激励线圈放置于LED芯片表面上方0.5mm处；然后对高分辨率红外相机进行温度校准，校准完毕后进行调焦操作，保证LED芯片在高分辨率红外相机中的图像清晰，同时高分辨率红外相机与激励线圈之间的距离必须大于500mm，防止激励线圈产生的磁场影响高分辨率红外相机的性能；
步骤3：在数据采集装置中设置感应加热装置给激励线圈施加的激励电流的参数，包括：电流幅值、激励频率和激励时间；然后在数据采集装置中设置高分辨率红外相机采集图像序列的参数，包括：采样频率和总的采集时间；总的采集时间必须大于激励时间；
步骤4：用数据采集装置同时给感应加热装置和高分辨率红外相机一个触发信号，感应加热装置接收到触发信号的同时开始给激励线圈施加一个脉冲激励电流，激励波形表达式如式(1)所示；与此同时，当高分辨率红外相机接收到来自数据采集装置发出的触发信号时，开始采集LED芯片表面温度的变化。
I(t)＝I0×(1-e-10000t)×sin(ωt) (1)
式中：I(t)表示t时刻的激励电流值，I0表示脉冲激励电流的幅值，ω为脉冲激励电流的角频率，t为时间；
激励线圈中的脉冲电流会在空间激发交变磁场，LED基本封装结构中的焊料层在交变磁场中会产生涡流；根据焦耳定律可知，部分涡流会在材料内部由电能转化为热能，且产生的焦耳热Q正比于涡流密度Js和电场密度E：
Figure BDA0002645312050000041
式中：σ表示焊料层的电导率；Js表示涡流密度；E表示电场强度，其表达式由式(3)表示。
Figure BDA0002645312050000042
式中：A表示磁矢位，可由式(4)得到；t表示时间。
Figure BDA0002645312050000043
式中：μ表示焊料层的磁导率；
由涡流产生的焦耳热Q将会在焊料层内部传播，其传播规律遵循式(5)；
Figure BDA0002645312050000044
式中：ρ表示焊料层的密度；Cp表示焊料层的比热容；k表示焊料层的热导率；T表示温度；Q表示焦耳热；
当焊料层内部存在空洞时，这些空洞将会影响热传导的过程，导致LED芯片表面温度分布不均匀，最终会在高分辨率红外相机采集的图像序列中体现出来；
步骤5：对高分辨率红外相机采集的图像序列进行图像处理，最终计算得到LED芯片焊接层的空洞率；由于高分辨率红外相机采集的图像为RGB图像，而RGB图像中的温度分布细节难以进行数字化的调整，所以需要对采集的图像序列进行图像处理：首先，将高分辨率红外相机采集的RGB图像转化为灰度图，然后对灰度图进行灰度变换增强，使图像更清晰以便于计算焊料层的空洞率。
和现有技术相比，本发明的优点如下：
1)本发明方法具有高效、高精度的特点，可实现对LED芯片进行批量的焊接层空洞率检测，且本发明方法中的温升很小，对LED芯片结构没有危害，可实现对LED芯片焊接层空洞率的无损评价；
2)本发明方法可以为LED芯片的焊接和LED产品的应用提供科学的无损评价方法，确保LED芯片的焊接质量符合应用的要求，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明中应用的LED芯片焊接层空洞率无损检测实验装置各个组件连接示意图以及LED芯片焊接结构示意图。
图2(a)将高分辨率红外相机采集的RGB图像转化后的灰度图。
图2(b)为对灰度图进行灰度变换增强后的图像。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明：
对于如图1所示的LED芯片焊接结构被测试样，本发明方法的检测步骤为：如图1所示，首先将激励线圈和高分辨率红外相机放置在LED芯片上方，利用冷却装置对与感应加热装置相连的激励线圈进行冷却；然后利用感应加热装置给激励线圈施加脉冲激励电流的同时，通过数据采集装置给高分辨率红外相机一个触发信号，使高分辨率红外相机的图像采集与施加于激励线圈的激励信号实现同步；最后利用图2(a)和图2(b)中所示的图像处理过程，将高分辨率红外相机采集的RGB图像转换为灰度图，通过分析灰度图中空洞区域即可LED芯片焊接层空洞率对进行无损评价。
下面结合图1、图2具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
基于脉冲涡流红外的LED芯片焊接层空洞率无损评价方法，包括如下步骤：
步骤1：按照图1中所示搭建实验装置，该实验装置由感应加热装置、冷却装置、高分辨率红外相机、激励线圈和数据采集装置组成；其中数据采集装置与感应加热装置和高分辨率红外相机连接，并给感应加热装置和高分辨率红外相机同步触发信号；感应加热装置接收到触发信号后施加脉冲激励电流给激励线圈，激励线圈放置于LED芯片上方，同时冷却装置与感应加热装置相连对激励线圈进行冷却；高分辨率红外相机接收到来自数据采集装置的触发信号后开始采集LED芯片的图像序列并将图像序列传输给数据采集装置；
步骤2：首先打开冷却装置并根据图1中LED芯片焊接结构示意图中的LED芯片的尺寸大小选择尺寸适配的激励线圈，将激励线圈放置于LED芯片表面上方0.5mm处；然后对高分辨率红外相机进行温度校准，校准完毕后进行调焦操作，保证LED芯片在高分辨率红外相机中的图像清晰，同时高分辨率红外相机与激励线圈之间的距离必须大于500mm，防止激励线圈产生的磁场影响高分辨率红外相机的性能；
步骤3：在数据采集装置中设置感应加热装置给激励线圈施加的激励电流的参数，包括：电流幅值、激励频率和激励时间；然后在数据采集装置中设置高分辨率红外相机采集图像序列的参数，包括：采样频率和总的采集时间；总的采集时间必须大于激励时间；
步骤4：用数据采集装置同时给感应加热装置和高分辨率红外相机一个触发信号，感应加热装置接收到触发信号的同时开始给激励线圈施加一个脉冲激励电流，激励波形表达式如式(1)所示；与此同时，当高分辨率红外相机接收到来自数据采集装置发出的触发信号时，开始采集LED芯片表面温度的变化。
I(t)＝I0×(1-e-10000t)×sin(ωt) (1)
式中：I(t)表示t时刻的激励电流值，I0表示脉冲激励电流的幅值，ω为脉冲激励电流的角频率，t为时间；
激励线圈中的脉冲电流会在空间激发交变磁场，LED基本封装结构中的焊料层在交变磁场中会产生涡流。根据焦耳定律可知，部分涡流会在材料内部由电能转化为热能，且产生的焦耳热Q正比于涡流密度Js和电场密度E：
Figure BDA0002645312050000071
式中：σ表示焊料层的电导率；Js表示涡流密度；E表示电场强度，其表达式由式(3)表示。
Figure BDA0002645312050000081
式中：A表示磁矢位，可由式(4)得到；t表示时间。
Figure BDA0002645312050000082
式中：μ表示焊料层的磁导率；
由涡流产生的焦耳热Q将会在焊料层内部传播，其传播规律遵循式(5)。
Figure BDA0002645312050000083
式中：ρ表示焊料层的密度；Cp表示焊料层的比热容；k表示焊料层的热导率；T表示温度；Q表示焦耳热。
当焊料层内部存在空洞时，这些空洞将会影响热传导的过程，导致LED芯片表面温度分布不均匀，最终会在高分辨率红外相机采集的图像序列中体现出来。
步骤5：对高分辨率红外相机采集的图像序列进行图像处理，最终计算得到LED芯片焊接层的空洞率。由于高分辨率红外相机采集的图像为RGB图像，而RGB图像中的温度分布细节难以进行数字化的调整，所以需要对采集的图像序列进行图像处理。按照图2中的图像处理流程，首先，将高分辨率红外相机采集的RGB图像转化为灰度图(图2(a))，然后对灰度图进行灰度变换增强(图2(b))，使图像更清晰以便于计算焊料层的空洞率。

Claims (2)

1.基于脉冲涡流红外的LED芯片焊接层空洞率无损评价方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：搭建实验装置，该实验装置由感应加热装置、冷却装置、高分辨率红外相机、激励线圈和数据采集装置组成；其中数据采集装置与感应加热装置和高分辨率红外相机连接，并给加感应热装置和高分辨率红外相机同步触发信号；感应加热装置接收到触发信号后施加脉冲激励电流给激励线圈，激励线圈放置于LED芯片上方，同时冷却装置与感应加热装置相连对激励线圈进行冷却；高分辨率红外相机接收到来自数据采集装置的触发信号后开始采集LED芯片的图像序列并将图像序列传输给数据采集装置；
步骤2：首先打开冷却装置并根据LED芯片的尺寸大小选择尺寸适配的激励线圈，将激励线圈放置于LED芯片表面上方处；然后对高分辨率红外相机进行温度校准，校准完毕后进行调焦操作，保证LED芯片在高分辨率红外相机中的图像清晰，同时高分辨率红外相机与激励线圈之间的距离必须大于500mm，防止激励线圈产生的磁场影响高分辨率红外相机的性能；
步骤3：在数据采集装置中设置感应加热装置给激励线圈施加的激励电流的参数，包括：电流幅值、激励频率和激励时间；然后在数据采集装置中设置高分辨率红外相机采集图像序列的参数，包括：采样频率和总的采集时间；总的采集时间必须大于激励时间；
步骤4：用数据采集装置同时给感应加热装置和高分辨率红外相机一个触发信号，感应加热装置接收到触发信号的同时开始给激励线圈施加一个脉冲激励电流，激励波形表达式如式(1)所示；与此同时，当高分辨率红外相机接收到来自数据采集装置发出的触发信号时，开始采集LED芯片表面温度的变化。
I(t)＝I0×(1-e-10000t)×sin(ωt) (1)
式中：I(t)表示t时刻的激励电流值，I0表示脉冲激励电流的幅值，ω为脉冲激励电流的角频率，t为时间；
激励线圈中的脉冲电流会在空间激发交变磁场，LED基本封装结构中的焊料层在交变磁场中会产生涡流；根据焦耳定律可知，部分涡流会在材料内部由电能转化为热能，且产生的焦耳热Q正比于涡流密度Js和电场密度E：
Figure FDA0002645312040000021
式中：σ表示焊料层的电导率；Js表示涡流密度；E表示电场强度，其表达式由式(3)表示。
Figure FDA0002645312040000022
式中：A表示磁矢位，由式(4)得到；t表示时间；
Figure FDA0002645312040000023
式中：μ表示焊料层的磁导率；
由涡流产生的焦耳热Q将会在焊料层内部传播，其传播规律遵循式(5)；
Figure FDA0002645312040000031
式中：ρ表示焊料层的密度；Cp表示焊料层的比热容；k表示焊料层的热导率；T表示温度；Q表示焦耳热；
当焊料层内部存在空洞时，这些空洞将会影响热传导的过程，导致LED芯片表面温度分布不均匀，最终会在高分辨率红外相机采集的图像序列中体现出来；
步骤5：对高分辨率红外相机采集的图像序列进行图像处理，最终计算得到LED芯片焊接层的空洞率；由于高分辨率红外相机采集的图像为RGB图像，而RGB图像中的温度分布细节难以进行数字化的调整，所以需要对采集的图像序列进行图像处理：首先，将高分辨率红外相机采集的RGB图像转化为灰度图，然后对灰度图进行灰度变换增强，使图像更清晰以便于计算焊料层的空洞率。
2.根据权利要求1所述的基于脉冲涡流红外的LED芯片焊接层空洞率无损评价方法，其特征在于：所述激励线圈放置于LED芯片表面上方0.5mm处。
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