В Depth Анализы светодиодов с помощью комбинации рентгеновской компьютерной томографии (КТ) и световой микроскопии (LM) коррелируют с сканирующей электронной микроскопии (SEM)
Summary
Последовательность действий для комплексной микро-характеристик активных оптических устройств описано. Она содержит структурные, а также функциональные исследования с помощью КТ, LM и SEM. Метод демонстрируется на белый светодиод, который может быть по-прежнему использоваться во время определения характеристик.
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
Эта статья демонстрирует возможности и преимущества сочетания рентгеновской компьютерной томографии (КТ) с корреляционного световой и электронной микроскопии (Клем) за образцовое в глубине характеристики светодиодов (LED). С помощью этого метода можно планировать микро подготовку светодиода таким образом, что в то время как поперечное сечение можно визуализировать микроскопически электрическая функциональность сохраняется в оставшейся части образца. Процедура имеет несколько уникальных особенностей: во-первых, запланированный микро подготовку по помощи оказанной объема всего образца, полученного с помощью КТ; во- вторых, наблюдение светодиода с помощью световой микроскопии (LM) с полным разнообразием доступных методов визуализации (яркие и темные поля, контраст поляризации и т.д.); в-третьих, наблюдение светодиода в эксплуатацию LM; в-четвертых, наблюдение идентичных регионов с полным разнообразием методов визуализации электронной микроскопии, включающий вторичную еLectron (SE) и обработки изображений обратное рассеяние электронов (BSE), а также энергетической дисперсии рентгеновской флуоресцентной спектроскопии (EDX).
Светодиоды для освещения приложений предназначена для излучения белого света, хотя в некоторых случаях изменчивость цвета может быть благоприятным. Такое широкое излучение не может быть достигнуто за счет эмиссии из одного сложного полупроводника, так как светодиоды испускают излучение в узком спектральном диапазоне (около 30 нм полная ширина полувысоте (FWHM)). Поэтому белый светодиод обычно генерируется с помощью комбинации синего светодиода с фосфором , которые преобразуют коротковолновое излучение в широком излучения в широком спектральном диапазоне 1. Цвет переменной LED решения , как правило , используют по крайней мере , трех праймериз, что в целом приводит к более высоким рыночным ценам. 2
Использование либо КТ, LM или SEM, конечно , хорошо известны (например, при анализе отказов для светодиодов 3 – 15), однаковсестороннее и целенаправленное сочетание всех трех методов, описанных здесь, может предложить новые идеи и позволит быстрее треки в сторону значимых результатов характеристики.
Из 3D микроструктурного анализа упакованного устройства в КТ в регионах, представляющих интерес (трансформирования) могут быть определены и выбраны. С помощью этого метода неразрушающего, электрические соединения также могут быть идентифицированы и рассмотрены для дальнейшей подготовки. Точная подготовка 2D сечения позволяет исследования устройства в эксплуатацию, несмотря на разрушительный характер этого метода. Поперечное сечение в настоящее время можно охарактеризовать CLEM 16,17 , которая обеспечивает очень эффективную и гибкую характеристику идентичных трансформирования с LM, а также SEM. При таком подходе, преимущества обоих методов микроскопии можно комбинировать. Например, быстрое определение трансформирования в LM следуют изображений с высоким разрешением в РЭМ. Но, кроме того, соотношение информации, полученной отЛМ (например, цвет, оптические свойства, распределение частиц) с методами визуализации и анализа РЭМ (например, размер частиц, морфология поверхности, распределение элементов) позволяет более глубокое понимание функционального поведения и микроструктуры в пределах белого светодиода.
Protocol
Representative Results
Discussion
Преимущества такого мультимодального подхода состоит в месте-зависимой корреляции полученных данных. Мультимодальный подход, описанный здесь, должен быть противопоставлен в последующих анализах с каждой методики в отдельности. Например, люминесцентные свойства, видимые в LM могут бы…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы любезно признают финансовую поддержку от "Akademische Gesellschaft Липпштадта", а также от "Ministerium für Innovation, Wissenschaft унд Forschung де Ланды Северный Рейн-Вестфалия". Фотографии на рисунках 1, 2 и 5 любезно Маркус Horstmann, Hamm-Липпштадта Университет прикладных наук.
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).
