等離子清洗在LED封裝工藝中的應(yīng)用
王大偉 賈娟 芳苗岱
(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所太原0 3 0 0 2 4)
摘要:LED封裝工藝過(guò)程中,芯片表面的氧化物及顆粒污染物會(huì)降低產(chǎn)品質(zhì)量,如果在封裝工藝過(guò)程中的點(diǎn)膠前、引線鍵合前及封裝固 化前進(jìn)行等離子清洗,則可有效去除這些污染物。介紹了等離子清洗原理及清洗設(shè)備,并對(duì)清洗前后的效果做了對(duì)比。
關(guān)鍵詞:等離子清洗LED封裝工藝
LED是可直接將電能轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光的 發(fā)光器件,它有著體積小、耗電量低、使用 壽命長(zhǎng)、發(fā)光效率高、高亮度低熱量、環(huán)保、 堅(jiān)固耐用及可控性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn),發(fā)展突 飛猛進(jìn),現(xiàn)已能批量生產(chǎn)整個(gè)可見(jiàn)光譜段 各種顏色的高亮度、高性能產(chǎn)品。近幾年, LED廣泛用于大面積圖文顯示屏,狀態(tài)指 示、標(biāo)志照明、信號(hào)顯示、汽車(chē)組合尾燈及 車(chē)內(nèi)照明等方面,被譽(yù)為21世紀(jì)新光源,然 而在其封裝工藝中存在的污染物一直是其 快速發(fā)展道路上的一只攔路虎,如何能夠 簡(jiǎn)單快速及無(wú)污染的解決掉這個(gè)問(wèn)題一直 困擾著人們。等離子體清洗,一種無(wú)任何環(huán) 境污染的新型清洗方式,將為人們解決這 一問(wèn)題。
1 LED的發(fā)光原理及基本結(jié)構(gòu)
發(fā)光原理:LED(light emitting diode), 發(fā)光二極管,是一種固態(tài)的半導(dǎo)體發(fā)光器 件,它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光,其核心部分 是由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的晶片, 在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間有一個(gè)過(guò)渡 層,稱(chēng)為p-n結(jié),因此它具有一般pn結(jié)的I- N特性,即正向?qū)ā⒎聪蚪刂良皳舸┨匦? 在一定條件下,它還具有發(fā)光特性。正向電 壓下,這些半導(dǎo)體材料的pn結(jié)中,電流從 LED陽(yáng)極流向陰極,注入的少數(shù)載流子與 多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)會(huì)把多余的能量以光的 形式釋放出來(lái)。半導(dǎo)體晶體可以發(fā)出從紫 外到紅外不同顏色的光線,其波長(zhǎng)和顏色 由組成pn結(jié)的半導(dǎo)體物料的禁帶能量所決 定,而光的強(qiáng)弱則與電流有關(guān)。
基本結(jié)構(gòu):簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),LED可以看作是 將一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料芯片,通過(guò) 引線鍵合后四周用環(huán)氧樹(shù)脂密封。其芯片 及典型產(chǎn)品基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1(芯片與透鏡間 為灌封膠)。
2 LED封裝工藝
在LED產(chǎn)業(yè)鏈中,上游為襯底晶片生 產(chǎn),中游為芯片設(shè)計(jì)及制造生產(chǎn),下游為 封裝與測(cè)試。研發(fā)低熱阻、優(yōu)異光學(xué)特性、 高可靠的封裝技術(shù)是新型LED走向?qū)嵱谩?nbsp;走向市場(chǎng)的必經(jīng)之路,從某種意義上講封 裝是連接產(chǎn)業(yè)與市場(chǎng)之間的紐帶,只有封 裝好才能成為終端產(chǎn)品,從而投入實(shí)際應(yīng) 用。LED封裝技術(shù)大都是在分立器件封裝 技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展與演變而來(lái)的,但卻與一 般分立器件不同,它具有很強(qiáng)的特殊性, 不但完成輸出電信號(hào)、保護(hù)管芯正常工作 及輸出可見(jiàn)光的功能,還要有電參數(shù)及光 參數(shù)的設(shè)計(jì)及技術(shù)要求,所以無(wú)法簡(jiǎn)單地 將分立器件的封裝用于LED。經(jīng)過(guò)多年來(lái) 的不斷研究與發(fā)展,LED封裝工藝也發(fā)生 了很大的變化,但其大致可分為以下幾個(gè) 個(gè)步驟。
(1)芯片檢驗(yàn):材料表面是否有機(jī)械損 傷及麻點(diǎn)麻坑。
(2)LED擴(kuò)片:采用擴(kuò)片機(jī)對(duì)黏結(jié)芯片的 膜進(jìn)行擴(kuò)張,將芯片由排列緊密約0.1mm的 間距拉伸至約0.6mm,便于后工序的操作。
(3)點(diǎn)膠:在LED支架的相應(yīng)位置點(diǎn)上 銀膠或絕緣膠。
(4)手工刺片:在顯微鏡下用針將LED 芯片刺到相應(yīng)的位置。
(5)自動(dòng)裝架:結(jié)合點(diǎn)膠和安裝芯片兩 大步驟,先在LED支架上點(diǎn)上銀膠(絕緣 膠),然后用真空吸嘴將LED芯片吸起移動(dòng) 位置,再安置在相應(yīng)的支架位置上。
(6)LED燒結(jié):燒結(jié)的目的是使銀膠固 化,燒結(jié)要求對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)控,防止批次性 不良。
(7)LED壓焊:將電極引到LED芯片上, 完成產(chǎn)品內(nèi)外引線的連接工作。
(8)LED封膠:主要有點(diǎn)膠、灌封、模壓 三種,工藝控制的難點(diǎn)是氣泡、多缺料、黑 點(diǎn)。
(9)LED固化及后固化:固化即封裝環(huán) 氧的固化,后固化是為了讓環(huán)氧充分固化, 同時(shí)對(duì)LED進(jìn)行熱老化,后固化對(duì)于提高 環(huán)氧與支架(PCB)的粘接強(qiáng)度非常重要。
(10)切筋劃片:LED在生產(chǎn)中是連在一 起的,后期需要切筋或劃片將其分離。
(11)測(cè)試包裝:測(cè)試LED的光電參數(shù)、 檢驗(yàn)外形尺寸,根據(jù)客戶要求對(duì)LED產(chǎn)品 進(jìn)行分選,將成品進(jìn)行計(jì)數(shù)包裝。
3等離子清洗原理及設(shè)備
3.1概述
是正離子和電子密度大致相等的電離 氣體。由離子、電子、自由激進(jìn)分子、光子以 及中性粒子組成,是物質(zhì)的第四態(tài)。人們普 遍認(rèn)為的物質(zhì)有三態(tài):固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)。區(qū) 分這三種狀態(tài)是靠物質(zhì)中所含能量的多 少。給氣態(tài)物質(zhì)更多的能量,比如加熱,將 會(huì)形成等離子體,在宇宙中99.99％的物質(zhì) 處于等離子狀態(tài)。
3.2清洗原理
通過(guò)化學(xué)或物理作用對(duì)工件表面進(jìn)行 處理,實(shí)現(xiàn)分子水平的污染物去除(一般厚 度為3nm～30nm),從而提高工件表面活性。 被清除的污染物可能為有機(jī)物、環(huán)氧樹(shù)脂、光刻膠、氧化物、微顆粒污染物等。對(duì)應(yīng)不 同的污染物,應(yīng)采用不同的清洗工藝,根據(jù) 選擇的工藝氣體不同,等離子清洗分為化 學(xué)清洗、物理清洗及物理化學(xué)清洗。 化學(xué)清洗:表面反應(yīng)以化學(xué)反應(yīng)為主的等離子體清洗,又稱(chēng)PE。 例1:O 2 ＋e－→2O※+e－O※＋有機(jī)物→ CO 2 +H 2 O。 從反應(yīng)式可見(jiàn),氧等離子體通過(guò)化學(xué) 反應(yīng)可使非揮發(fā)性有機(jī)物變成易揮發(fā)的 H 2 O和CO 2。 例2:H2+e-→2H※+e-H※+非揮發(fā)性金 屬氧化物→金屬＋H 2 O。 從反應(yīng)式可見(jiàn),氫等離子體通過(guò)化學(xué) 反應(yīng)可以去除金屬表面氧化層,清潔金屬 表面。 物理清洗:表面反應(yīng)以物理反應(yīng)為主 的等離子體清洗,也叫濺射腐蝕(SPE)。 例3:Ar＋e-→Ar++2e-Ar++沾污→揮 發(fā)性沾污。 Ar+在自偏壓或外加偏壓作用下被加 速產(chǎn)生動(dòng)能,然后轟擊在放在負(fù)電極上的 被清洗工件表面,一般用于去除氧化物、環(huán) 氧樹(shù)脂溢出或是微顆粒污染物,同時(shí)進(jìn)行 表面能活化。 物理化學(xué)清洗:表面反應(yīng)中物理反應(yīng) 與化學(xué)反應(yīng)均起重要作用。
3.3等離子清洗設(shè)備
等離子清洗設(shè)備的原理是在真空狀態(tài) 下,壓力越來(lái)越小,分子間間距越來(lái)越大, 分子間力越來(lái)越小,利用射頻源產(chǎn)生的高 壓交變電場(chǎng)將氧、氬、氫等工藝氣體震蕩成 具有高反應(yīng)活性或高能量的離子,然后與 有機(jī)污染物及微顆粒污染物反應(yīng)或碰撞形 成揮發(fā)性物質(zhì),然后由工作氣體流及真空 泵將這些揮發(fā)性物質(zhì)清除出去,從而達(dá)到 表面清潔活化的目的。是清洗方法中最為 徹底的剝離式清洗,其最大優(yōu)勢(shì)在于清洗 后無(wú)廢液,最大特點(diǎn)是對(duì)金屬、半導(dǎo)體、氧 化物和大多數(shù)高分子材料等都能很好地處 理,可實(shí)現(xiàn)整體和局部以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的清 洗。圖2為等離子清洗設(shè)備結(jié)構(gòu)。
4等離子清洗在LED封裝工藝中的應(yīng)用
LED封裝工藝直接影響LED產(chǎn)品的成 品率,而封裝工藝中出現(xiàn)問(wèn)題的罪魁禍?zhǔn)?nbsp;99%來(lái)源于芯片與基板上的顆粒污染物、氧 化物及環(huán)氧樹(shù)脂等污染物,如何去除這些 污染物一直是人們關(guān)注的問(wèn)題,等離子清 洗作為最近幾年發(fā)展起來(lái)的清洗工藝為這 些問(wèn)題提供了經(jīng)濟(jì)有效且無(wú)環(huán)境污染的解 決方案。針對(duì)這些不同污染物并根據(jù)基板 及芯片材料的不同,采用不同的清洗工藝 可以得到理想的效果,但是錯(cuò)誤的工藝使 用則可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢,例如銀材料的 芯片采用氧等離子工藝則會(huì)被氧化發(fā)黑甚 至報(bào)廢。所以選擇合適的等離子清洗工藝 在LED封裝中是非常重要的,而熟知等離 子清洗原理更是重中之重。一般情況下,顆 粒污染物及氧化物采用5％H 2 +95%Ar的混 合氣體進(jìn)行等離子清洗,鍍金材料芯片可 以采用氧等離子體去除有機(jī)物,而銀材料 芯片則不可以。選擇合適的等離子清洗工 藝在LED封裝中的應(yīng)用大致分為以下幾個(gè) 方面。 (1)點(diǎn)銀膠前:基板上的污染物會(huì)導(dǎo)致 銀膠呈圓球狀,不利于芯片粘貼,而且容易
造成芯片手工刺片時(shí)損傷,使用等離子清洗可 以使工件表面粗糙度及親水性大大提高,有利 于銀膠平鋪及芯片粘貼,同時(shí)可大大節(jié)省銀膠 的使用量,降低成本。
(2)引線鍵合前:芯片粘貼到基板上后, 經(jīng)過(guò)高溫固化,其上存在的污染物可能包 含有微顆粒及氧化物等,這些污染物從物 理和化學(xué)反應(yīng)使引線與芯片及基板之間焊 接不完全或粘附性差,造成鍵合強(qiáng)度不夠。 在引線鍵合前進(jìn)行等離子清洗,會(huì)顯著提 高其表面活性,從而提高鍵合強(qiáng)度及鍵合 引線的拉力均勻性。鍵合刀頭的壓力可以 較低(有污染物時(shí),鍵合頭要穿透污染物, 需要較大的壓力),有些情況下,鍵合的溫 度也可以降低,因而提高產(chǎn)量,降低成本。
(3)LED封膠前:在LED注環(huán)氧膠過(guò)程 中,污染物會(huì)導(dǎo)致氣泡的成泡率偏高,從而 導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量及使用壽命低下,所以,避免 封膠過(guò)程中形成氣泡同樣是人們關(guān)注的問(wèn) 題。通過(guò)等離子清洗后,芯片與基板會(huì)更加 緊密的和膠體相結(jié)合,氣泡的形成將大大 減少,同時(shí)也將顯著提高散熱率及光的出 射率。
通過(guò)以上幾點(diǎn)可以看出材料表面活 化、氧化物及微顆粒污染物的去除可以通 過(guò)材料表面鍵合引線的拉力強(qiáng)度及侵潤(rùn)特 性直接表現(xiàn)出來(lái)。
某幾家LED廠產(chǎn)品封裝工藝中以上幾 點(diǎn)工藝前添加等離子清洗,測(cè)量鍵合引線 的拉力強(qiáng)度與未進(jìn)行等離子清洗相比,鍵 合引線拉力強(qiáng)度有明顯增加,但由于產(chǎn)品 不同,所以增加的幅度也大小不等,有的只 增加12％,有的卻可以增加80％,也有的廠 家測(cè)量的數(shù)據(jù)反映平均拉力沒(méi)有明顯增 加,但是最小鍵合拉力卻明顯提高,對(duì)于確 保產(chǎn)品可靠性來(lái)說(shuō),這仍然是十分有益的。 圖3為某LED廠家一批氧化的LED等離子清 洗前后對(duì)比,圖4為某LED廠家對(duì)一批LED 在等離子清洗前后進(jìn)行的鍵合引線拉力對(duì) 比圖。等離子清洗過(guò)后,檢測(cè)芯片與基板清洗效 果的另一指標(biāo)為其表面的浸潤(rùn)特性,通過(guò)對(duì)幾 家產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測(cè)表明未進(jìn)行等離子清洗 的樣品接觸角大約為40°～68°左右;表面進(jìn) 行化學(xué)反應(yīng)機(jī)制等離子體清洗的樣品接觸角 大約為10°～17°左右;表面進(jìn)行物理反應(yīng)機(jī) 制等離子體清洗過(guò)的樣品接觸角為20°～ 28°左右。不同廠家、不同產(chǎn)品及不同清洗 工藝的清洗效果是不同的,浸潤(rùn)特性的提高表 明在上述幾點(diǎn)封裝工藝前進(jìn)行等離子清洗是 十分有益的。圖5為等離子清洗前后在某種 LED工件表面滴落7微升純凈水并利用接觸角 檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)的接觸角對(duì)比。
5結(jié)語(yǔ)
近年來(lái),由于半導(dǎo)體光電子技術(shù)的進(jìn) 步,LED的發(fā)光效率迅速提高,預(yù)示著一個(gè) 新光源時(shí)代即將到來(lái)。就發(fā)光二極管的技術(shù) 潛力和發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看,其發(fā)光效率將達(dá)到 400lm/w以上,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)當(dāng)前光效最高的高強(qiáng) 度氣體放電燈,成為世界上最亮的光源。因 此,業(yè)界認(rèn)為,半導(dǎo)體照明將創(chuàng)造照明產(chǎn)業(yè)的 第四次革命。而有利于環(huán)保、清洗均勻性 好、重復(fù)性好、可控性強(qiáng)、具有三維處理能 力及方向性選擇處理的等離子清洗工藝應(yīng)用 到LED封裝工藝中,必將推動(dòng)LED產(chǎn)業(yè)更加快 速的發(fā)展。
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來(lái)源：中國(guó)化學(xué)試劑網(wǎng)
