In detail Analyses LEDs door een combinatie van X-ray Computed Tomography (CT) en lichtmicroscopie (LM) gecorreleerd met Scanning Electron Microscopy (SEM)
Summary
Een workflow voor een uitgebreide micro-karakterisering van actieve optische apparaten wordt geschetst. Bevat structurele en functionele onderzoeken door middel van CT, LM en SEM. De werkwijze is aangetoond voor een witte LED die nog steeds kan worden gebruikt als er karakterisatie.
Abstract
In failure analysis, device characterization and reverse engineering of light emitting diodes (LEDs), and similar electronic components of micro-characterization, plays an important role. Commonly, different techniques like X-ray computed tomography (CT), light microscopy (LM) and scanning electron microscopy (SEM) are used separately. Similarly, the results have to be treated for each technique independently. Here a comprehensive study is shown which demonstrates the potentials leveraged by linking CT, LM and SEM. In depth characterization is performed on a white emitting LED, which can be operated throughout all characterization steps. Major advantages are: planned preparation of defined cross sections, correlation of optical properties to structural and compositional information, as well as reliable identification of different functional regions. This results from the breadth of information available from identical regions of interest (ROIs): polarization contrast, bright and dark-field LM images, as well as optical images of the LED cross section in operation. This is supplemented by SEM imaging techniques and micro-analysis using energy dispersive X-ray spectroscopy.
Introduction
Dit artikel toont de mogelijkheden en voordelen van een combinatie van X-ray computertomografie (CT) met correlatieve licht- en elektronenmicroscopie (CLEM) voor de voorbeeldige diepgaande karakterisering van light emitting diodes (LED). Met deze techniek is het mogelijk om de micro bereiding van de LED plannen zodanige wijze dat terwijl een dwarsdoorsnede microscopisch kan worden afgebeeld de elektrische functionaliteit behoudt in de rest van het monster. De procedure heeft een aantal unieke kenmerken: ten eerste, de geplande micro voorbereiding door middel van de geleverde volume van het gehele monster verkregen door CT; ten tweede, de waarneming van de LED met lichtmicroscopie (LM) met de volledige verscheidenheid aan beeldvormende technieken (licht en donker veld, polarisatie contrast, etc.); ten derde, observatie van de LED in bediening door LM; ten vierde, de observatie van dezelfde regio's met het volledige scala aan elektronenmicroscopie beeldvormende technieken bestaande uit secundaire eLectron (SE) en back scatter elektronen (BSE) beeldvorming, evenals energie-dispersieve X-stralen fluorescentie spectroscopie (EDX).
LEDs voor verlichting toepassingen zijn ontworpen om wit licht uitstralen, maar in bepaalde toepassingen kleur variabiliteit gunstig kan zijn. Deze brede emissie kan niet worden bereikt door uitlaatgassen van een samengestelde halfgeleider, omdat LEDs zenden straling in een smalle spectrale band (circa 30 nm maximale volle breedte half (FWHM)). Daarom wit LED-licht wordt meestal gegenereerd door de combinatie van een blauwe LED met fosfor die op de korte golflengte straling over een groot spectrum 1 om te zetten in brede emissie. Kleurvariabelen ledoplossingen gewoonlijk gebruik van ten minste drie primaire kleuren, die over het algemeen in hogere marktprijzen maken. 2
Het gebruik van hetzij CT, LM of SEM is natuurlijk bekend is (bijvoorbeeld in foutanalyse voor LEDs 3-15), maar dealomvattende en doelgerichte combinatie van alle drie de technieken die hier beschreven, kan nieuwe inzichten bieden en sneller tracks in de richting van zinvolle karakterisering resultaten mogelijk te maken.
Uit 3d microstructurele analyse van het verpakte inrichting CT de gebieden van belang (ROI) kunnen worden geïdentificeerd en geselecteerd. Met deze niet-destructieve methode kunnen elektrische verbindingen worden geïdentificeerd en beschouwd voor verdere bereiding. De precieze bereiding van een 2D-doorsnede laat onderzoeken van de werkende inrichting ondanks het destructieve karakter van deze werkwijze. De doorsnede kan nu worden gekarakteriseerd door CLEM 16,17 die een zeer efficiënte en flexibele karakterisering identieke ROI maakt LM en SEM. Door deze benadering kunnen de voordelen van zowel microscopische technieken worden gecombineerd. Zo wordt een snelle identificatie van ROI's in de LM gevolgd door een hoge-resolutie beeldvorming in de SEM. Maar bovendien de correlatie van informatieLM (bijvoorbeeld kleur, optische eigenschappen, deeltjesgrootte distributie) met de visualisatie en analysetechnieken van de SEM (bijvoorbeeld deeltjesgrootte, oppervlaktemorfologie, elementdistributie) kan meer inzicht in functionele en microstructuur bij een witte LED.
Protocol
Representative Results
Discussion
De voordelen van deze multimodale benadering bestaan uit de locatie-afhankelijke correlatie van de verkregen gegevens. De multimodale aanpak hier beschreven moet worden afgezet in de daaropvolgende analyses met elke techniek afzonderlijk. Zo kan luminescentie eigenschappen toegankelijk in LM gekoppeld op samenstellingen zoals gedetecteerd met SEM / EDS. De hoeveelheid informatie die door CT kan worden uitgebreid met diepgaande analyses van doorsneden voorbereid op een gerichte manier. CT data ook snel de locatie v…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs vriendelijk erkennen financiële steun van de "Akademische Gesellschaft Lippstadt" alsook van het "Ministerium für Innovation, Wissenschaft und Forschung des Landes Nordrhein-Westfalen". Foto's in de figuren 1, 2 en 5 met dank aan Markus Horstmann, Hamm-Lippstadt University of Applied Sciences.
Materials
| X-Ray Computer Tomograph | General Electric | not applicable | type: nanotom s research edition |
| acquisition software | General Electric | not applicable | phoenix Datos| x2 acquisition and corresponding manual |
| reconstruction software | General Electric | not applicable | phoenix Datos| x2 acquisition and corresponding manual |
| rendering software | Volume Graphics | not applicable | VGStudio Max 2.2 and corresponding manual |
| grinder (manual) | Struers | 5296327 | Labopol 21 |
| sample holder | Struers | 4886102 | UniForce |
| grinder (automated) | Struers | 6026127 | Tegramin 25 |
| epoxy resin/hardener | Struers | 40200030/40200031 | Epoxy fix resin / Epoxy fix hardener |
| Ethanol | Struers | 950301 | Kleenol |
| Light Microscope | Zeiss | not applicable | Axio Imager M2m |
| Electron Microscope | Zeiss | not applicable | Sigma |
| CLEM software | Zeiss | not applicable | Axio Vision SE64 Rel.4.9 and corresponding manual |
| CLEM sample holder | Zeiss | 432335-9101-000 | Specimen holder CorrMic MAT Universal B |
| SEM Adapter for CLEM sample holder | Zeiss | 432335-9151-000 | SEM Adapter for Specimen holder CorrMic MAT Universal B |
| sputter coater | Quorum | not applicable | Q150TES |
| EDS detector | Röntec | not applicable | X-Flash 1106 |
| solder | Stannol | 535251 | type: HS10 |
| LED | Lumileds | not applicable | LUXEON Rebel warm white, research sample |
References
- Mueller-Mach, R., Mueller, G. O., Krames, M. R., Trottier, T. High-power phosphor-converted light-emitting diodes based on III-Nitrides. IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 8 (2), 339-345 (2002).
- Branas, C., Azcondo, F. J., Alonso, J. M. Solid-State Lighting: A System Review. IEEE Ind. Electron. Mag. 7 (4), 6-14 (2013).
- Chang, M. -. H., Das, D., Varde, P. V., Pecht, M. Light emitting diodes reliability review. Microelectron. Reliab. 52 (5), 762-782 (2012).
- Ayodha, T., Han, H. S., Kim, J., Kim, S. Y. Effect of chip die bonding on thermal resistance of high power LEDs. Intersoc. Conf. Therm. Thermomechanical Phenom. Electron. Syst. ITHERM. , 957-961 (2012).
- Cason, M., Estrada, R. Application of X-ray MicroCT for non-destructive failure analysis and package construction characterization. Proc. Int. Symp. Phys. Fail. Anal. Integr. Circuits, IPFA. , (2011).
- Chen, R., Zhang, Q., Peng, T., Jiao, F., Liu, S. Failure analysis techniques for high power light emitting diodes. 2011 12th Int. Conf. Electron. Packag. Technol. High Density Packag. , 1-4 (2011).
- Chen, Z., Zhang, Q., et al. Study on the reliability of application-specific led package by thermal shock testing, failure analysis, and fluid-solid coupling thermo-mechanical simulation. IEEE Trans. Components, Packag. Manuf. Technol. 2 (7), 1135-1142 (2012).
- Luniak, M., Holtge, H., Brodmann, R., Wolter, K. -. J. Optical Characterization of Electronic Packages with Confocal Microscopy. 2006 1st Electron. Syst. Technol. Conf. 2 (16), 1813-1815 (2006).
- Marks, M. R., Hassan, Z., Cheong, K. Y. Characterization Methods for Ultrathin Wafer and Die Quality: A Review. IEEE Trans. Components, Packag. Manuf. Technol. 4 (12), 2042-2057 (2014).
- Rosc, J., Hammer, H., et al. Reliability assessment of contact wires in LED-devices using in situ X-ray computed tomography and thermo-mechanical simulations. Proc. 5th Electron. Syst. Technol. Conf. , 1-6 (2014).
- Zhaohui, C., Qin, Z., Kai, W., Xiaobing, L., Sheng, L. Reliability test and failure analysis of high power LED packages. J. Semicond. 32 (1), 014007 (2011).
- Hamon, B., Bataillou, B., Hamon, B., Mendizabal, L., Gasse, A., Feuillet, G. N-contacts degradation analysis of white flip chip LEDs during reliability tests. 2014 IEEE Int. Reliab. Phys. Symp. , FA.1.1-FA.1.6 (2014).
- Tsai, M. -. Y., Tang, C. -. Y., Yen, C. -. Y., Chang, L. -. B. Bump and Underfill Effects on Thermal Behaviors of Flip-Chip LED Packages: Measurement and Modeling. IEEE Trans. Device Mater. Reliab. 14 (1), 161-168 (2014).
- Wang, F. -. K., Lu, Y. -. C. Useful lifetime analysis for high-power white LEDs. Microelectron. Reliab. 54 (6-7), 1307-1315 (2014).
- Liu, Y., Zhao, J., Yuan, C. C. -. A., Zhang, G. Q., Sun, F. Chip-on-Flexible Packaging for High-Power Flip-Chip Light-Emitting Diode by AuSn and SAC Soldering. IEEE Trans. Components, Packag. Manuf. Technol. 4 (11), 1754-1759 (2014).
- Thomas, C., Edelmann, M., Lysenkov, D., Hafner, C., Bernthaler, T., Schneider, G. Correlative Light and Electron Microscopy (CLEM) for Characterization of Lithium Ion Battery Materials. Microsc. Microanal. 16, 784-785 (2010).
- Thomas, C., Ogbazghi, T. Correlative Microscopy of Optical Materials. Imaging & Microscopy. 3, 32-34 (2014).
