I Dybde Analyser af lysdioder ved en kombination af X-ray Computed Tomography (CT) og Light Microscopy (LM) korreleret med Scanning Electron Microscopy (SEM)
Summary
En arbejdsgang for omfattende mikro-karakterisering af aktive optiske enheder er skitseret. Den indeholder strukturelle såvel som funktionelle undersøgelser ved hjælp af CT, LM og SEM. Fremgangsmåden er påvist i en hvid LED, som kan stadig betjenes under karakterisering.
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
Denne artikel viser potentialet og fordelene ved en kombination af røntgen computertomografi (CT) med korrelative lys- og elektronmikroskopi (CLEM) for eksemplet i dybden karakterisering af lysdioder (LED). Med denne teknik er det muligt at planlægge mikro fremstilling af LED på en sådan måde, at mens et tværsnit kan afbildes mikroskopisk den elektriske funktionalitet er bevaret i den resterende del af prøven. Proceduren har flere unikke funktioner: For det første, den planlagte mikro forberedelse ved hjælp af det afsmeltede volumen af hele prøven fås ved CT; for det andet, observation af LED ved lysmikroskopi (LM) med fuldstændig forskellige billeddiagnostiske teknikker til rådighed (lyse og mørke felt, polarisering kontrast etc.); for det tredje, observation af LED i drift ved LM; fjerde observation af identiske regioner med fuld vifte af elektronmikroskopi billeddiagnostiske teknikker omfattende sekundær eLectron (SE) og tilbage scatter elektron (BSE) afbildning, samt energi dispersiv røntgenfluorescens spektroskopi (EDX).
Lysdioder til belysning programmer er udviklet til at udsende hvidt lys, selv om farven variation i visse anvendelser kan være positiv. Denne brede emission kan ikke opnås ved emission fra en sammensat halvleder, da lysdioder udsender stråling i et snævert spektralbånd (ca. 30 fuld bredde halv maksimum nm (FWHM)). Derfor hvide LED lys er almindeligt genereres af kombinationen en blå LED med fosfor, som omdanner den korte bølgelængde stråling i bred emission over et stort spektralområde 1. Color variabel LED løsninger normalt gør brug af mindst tre primærfarver, som generelt resulterer i højere markedspriser. 2
Anvendelsen af enten CT, LM eller SEM er selvfølgelig velkendt (fx i fejlanalyse til LED'er 3 – 15), menomfattende og målrettet kombination af alle tre teknikker beskrevet her, kan tilbyde nye indsigter og vil gøre det muligt hurtigere spor i retning af meningsfulde karakterisering resultater.
Fra 3D mikrostrukturelle analyse af det emballerede enhed i CT regionerne af interesse (ROI'er) kan identificeres og udvælges. Med denne ikke-destruktiv metode, kan elektriske forbindelser også identificeres og anses for yderligere forberedelse. Den præcise fremstilling af en 2D tværsnit tillader undersøgelser af indretningen i drift på trods af den destruktive karakter af denne metode. Tværsnittet kan nu karakteriseres ved CLEM 16,17, som muliggør en meget effektiv og fleksibel karakterisering af identisk ROI'er med LM samt SEM. Ved denne fremgangsmåde kan fordelene ved begge mikroskopiteknikker kombineres. For eksempel er en hurtig identifikation af ROI'er i LM efterfulgt af høj opløsning billeddannelse i SEM. Men desuden korrelationen af oplysninger fraLM (f.eks farve, optiske egenskaber, partikelfordeling) med visualisering og analyseteknikker i SEM (fx partikelstørrelse, overflademorfologi, element distribution) giver en dybere forståelse af funktionel adfærd og mikrostruktur i en hvid LED.
Protocol
Representative Results
Discussion
Fordelene ved denne multimodale tilgang består i placeringen-afhængige korrelation af de indsamlede data. Den multimodale tilgang beskrevet her bør kontrasteres i efterfølgende analyser med hver teknik separat. For eksempel kan luminescensegenskaber synlige i LM være knyttet til sammensætninger som påvist under anvendelse af SEM / EDS. De oplysninger volumen opnås ved CT kan udvides med i dybdegående analyser af tværsnit forberedt på en målrettet måde. CT-data også muliggøre hurtig placering af mulige omr…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne venligt for finansiel støtte fra den "Akademische Gesellschaft Lippstadt" samt fra "Ministerium für Innovation, Wissenschaft und Forschung des Landes Nordrhein-Westfalen". Fotografier i figur 1, 2 og 5 høflighed til 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 |
Referências
- 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).
