I Djup Analyser av lysdioder genom en kombination av röntgen Computed Tomography (CT) och ljusmikroskop (LM) korrelerad med svepelektronmikroskop (SEM)
Summary
En arbetsflöde för omfattande mikro karakterisering av aktiva optiska anordningar beskrivs. Den innehåller strukturella samt funktionella undersökningar med hjälp av CT, LM och SEM. Metoden demonstreras för en vit lysdiod som kan fortfarande användas 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
Denna artikel visar på potentialen och fördelarna med en kombination av röntgen datortomografi (CT) med korrelativ ljus- och elektronmikroskopi (CLEM) för den exemplifierande ingående karakterisering av lysdioder (LED). Med denna teknik är det möjligt att planera mikro framställningen av LED på ett sådant sätt att medan en tvärsektion kan avbildas mikroskopiskt den elektriska funktionalitet bevaras i återstoden av provet. Förfarandet har flera unika egenskaper: För det första, den planerade mikro framställning genom hjälp av den återgivna volymen av hela provet erhålls genom CT; För det andra, observation av LED med ljusmikroskop (LM) med hela utbud av avbildningstekniker tillgängliga (ljusa och mörka fält, polarisation kontrast, etc.); För det tredje, observation av LED i drift LM; För det fjärde, observation av identiska regioner med fullt utbud av elektronmikroskopi avbildningstekniker innefattande sekundär eLectron (SE) och återspridning elektron (BSE) avbildning, samt energidispersiv röntgenfluorescensspektroskopi (EDX).
Lysdioder för belysningstillämpningar är utformade för att avge vitt ljus, även om det i vissa tillämpningar färgvariation kan vara fördelaktigt. Denna breda utsläpp kan inte uppnås genom emission från en förening halvledare, eftersom lysdioder avger strålning i ett smalt spektralband (cirka 30 nm fulla bredd halva maximum (FWHM)). Därför vit LED-ljus är vanligtvis genereras av kombinationen en blå LED med fosfor som omvandlar korta våglängdsstrålning i bred utsläpp över ett stort spektralområde en. Färg variabel LED lösningar brukar använda sig av åtminstone tre primär, som i allmänhet leder till högre marknadspriser. 2
Användningen av antingen CT, LM eller SEM naturligtvis väl etablerad (t.ex. i felanalys för LED 3 – 15), menomfattande och målmedveten kombination av alla tre metoder som beskrivs här kan ge nya insikter och kommer att möjliggöra snabbare spår mot menings karakterisering resultat.
Från 3D mikro analys av den förpackade anordningen i CT regionerna av intresse (ROI) kan identifieras och väljas. Med denna icke-förstörande metod, kan elektriska anslutningar också identifieras och övervägas för ytterligare beredning. Den exakta beredningen av en 2D tvärsnitt tillåter undersökningar av anordningen i drift trots den destruktiva naturen av denna metod. Tvärsnittet kan nu karakteriseras av CLEM 16,17 vilket möjliggör en mycket effektiv och flexibel karakterisering av identisk ROI med LM samt SEM. Genom detta tillvägagångssätt, kan fördelarna av båda mikroskopitekniker kombineras. Till exempel, är en snabb identifiering av ROI i LM följt av högupplösande avbildning i SEM. Men dessutom korrelationen av information frånLM (t.ex. färg, optiska egenskaper, distribution partikel) med visualisering och analystekniker i SEM (t.ex. partikelstorlek, yta morfologi, element distribution) ger en djupare förståelse av funktionell beteende och mikro inom en vit lysdiod.
Protocol
Representative Results
Discussion
Fördelarna med denna multimodala strategi består i platsberoende korrelation av de förvärvade data. Den multimodala strategi som beskrivs här skall jämföras i efterföljande analyser med varje teknik separat. Till exempel, kan luminiscensegenskaper synliga i LM vara kopplade till kompositioner enligt detektion med användning av SEM / EDS. Volymen information som erhålls genom CT kan utökas med djupgående analyser av tvärsnitt framställda på ett målinriktat sätt. CT-data möjliggör även snabb placering …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna vänligen erkänner ekonomiskt stöd från "Akademische Gesellschaft Lippstadt" samt från "Ministerium für Innovation, Wissenschaft und Forschung des Landes Nordrhein-Westfalen". Fotografier i figurerna 1, 2 och 5 artighet till 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).
