等离子清洗在LED封装工艺中的应用
王大伟 贾娟 芳苗岱
(中国电子科技集团公司第二研究所太原0 3 0 0 2 4)
摘要:LED封装工艺过程中,芯片表面的氧化物及颗粒污染物会降低产品质量,如果在封装工艺过程中的点胶前、引线键合前及封装固 化前进行等离子清洗,则可有效去除这些污染物。介绍了等离子清洗原理及清洗设备,并对清洗前后的效果做了对比。
关键词:等离子清洗LED封装工艺
LED是可直接将电能转化为可见光的 发光器件,它有着体积小、耗电量低、使用 寿命长、发光效率高、高亮度低热量、环保、 坚固耐用及可控性强等诸多优点,发展突 飞猛进,现已能批量生产整个可见光谱段 各种颜色的高亮度、高性能产品。近几年, LED广泛用于大面积图文显示屏,状态指 示、标志照明、信号显示、汽车组合尾灯及 车内照明等方面,被誉为21世纪新光源,然 而在其封装工艺中存在的污染物一直是其 快速发展道路上的一只拦路虎,如何能够 简单快速及无污染的解决掉这个问题一直 困扰着人们。等离子体清洗,一种无任何环 境污染的新型清洗方式,将为人们解决这 一问题。
1 LED的发光原理及基本结构
发光原理:LED(light emitting diode), 发光二极管,是一种固态的半导体发光器 件,它可以直接把电转化为光,其核心部分 是由p型半导体和n型半导体组成的晶片, 在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡 层,称为p-n结,因此它具有一般pn结的I- N特性,即正向导通、反向截至及击穿特性, 在一定条件下,它还具有发光特性。正向电 压下,这些半导体材料的pn结中,电流从 LED阳极流向阴极,注入的少数载流子与 多数载流子复合时会把多余的能量以光的 形式释放出来。半导体晶体可以发出从紫 外到红外不同颜色的光线,其波长和颜色 由组成pn结的半导体物料的禁带能量所决 定,而光的强弱则与电流有关。
基本结构:简单来说,LED可以看作是 将一块电致发光的半导体材料芯片,通过 引线键合后四周用环氧树脂密封。其芯片 及典型产品基本结构见图1(芯片与透镜间 为灌封胶)。
2 LED封装工艺
在LED产业链中,上游为衬底晶片生 产,中游为芯片设计及制造生产,下游为 封装与测试。研发低热阻、优异光学特性、 高可靠的封装技术是新型LED走向实用、 走向市场的必经之路,从某种意义上讲封 装是连接产业与市场之间的纽带,只有封 装好才能成为终端产品,从而投入实际应 用。LED封装技术大都是在分立器件封装 技术基础上发展与演变而来的,但却与一 般分立器件不同,它具有很强的特殊性, 不但完成输出电信号、保护管芯正常工作 及输出可见光的功能,还要有电参数及光 参数的设计及技术要求,所以无法简单地 将分立器件的封装用于LED。经过多年来 的不断研究与发展,LED封装工艺也发生 了很大的变化,但其大致可分为以下几个 个步骤。
(1)芯片检验:材料表面是否有机械损 伤及麻点麻坑。
(2)LED扩片:采用扩片机对黏结芯片的 膜进行扩张,将芯片由排列紧密约0.1mm的 间距拉伸至约0.6mm,便于后工序的操作。
(3)点胶:在LED支架的相应位置点上 银胶或绝缘胶。
(4)手工刺片:在显微镜下用针将LED 芯片刺到相应的位置。
(5)自动装架:结合点胶和安装芯片两 大步骤,先在LED支架上点上银胶(绝缘 胶),然后用真空吸嘴将LED芯片吸起移动 位置,再安置在相应的支架位置上。
(6)LED烧结:烧结的目的是使银胶固 化,烧结要求对温度进行监控,防止批次性 不良。
(7)LED压焊:将电极引到LED芯片上, 完成产品内外引线的连接工作。
(8)LED封胶:主要有点胶、灌封、模压 三种,工艺控制的难点是气泡、多缺料、黑 点。
(9)LED固化及后固化:固化即封装环 氧的固化,后固化是为了让环氧充分固化, 同时对LED进行热老化,后固化对于提高 环氧与支架(PCB)的粘接强度非常重要。
(10)切筋划片:LED在生产中是连在一 起的,后期需要切筋或划片将其分离。
(11)测试包装:测试LED的光电参数、 检验外形尺寸,根据客户要求对LED产品 进行分选,将成品进行计数包装。
3等离子清洗原理及设备
3.1概述
是正离子和电子密度大致相等的电离 气体。由离子、电子、自由激进分子、光子以 及中性粒子组成,是物质的第四态。人们普 遍认为的物质有三态:固态、液态、气态。区 分这三种状态是靠物质中所含能量的多 少。给气态物质更多的能量,比如加热,将 会形成等离子体,在宇宙中99.99％的物质 处于等离子状态。
3.2清洗原理
通过化学或物理作用对工件表面进行 处理,实现分子水平的污染物去除(一般厚 度为3nm～30nm),从而提高工件表面活性。 被清除的污染物可能为有机物、环氧树脂、光刻胶、氧化物、微颗粒污染物等。对应不 同的污染物,应采用不同的清洗工艺,根据 选择的工艺气体不同,等离子清洗分为化 学清洗、物理清洗及物理化学清洗。 化学清洗:表面反应以化学反应为主的等离子体清洗,又称PE。 例1:O 2 ＋e－→2O※+e－O※＋有机物→ CO 2 +H 2 O。 从反应式可见,氧等离子体通过化学 反应可使非挥发性有机物变成易挥发的 H 2 O和CO 2。 例2:H2+e-→2H※+e-H※+非挥发性金 属氧化物→金属＋H 2 O。 从反应式可见,氢等离子体通过化学 反应可以去除金属表面氧化层,清洁金属 表面。 物理清洗:表面反应以物理反应为主 的等离子体清洗,也叫溅射腐蚀(SPE)。 例3:Ar＋e-→Ar++2e-Ar++沾污→挥 发性沾污。 Ar+在自偏压或外加偏压作用下被加 速产生动能,然后轰击在放在负电极上的 被清洗工件表面,一般用于去除氧化物、环 氧树脂溢出或是微颗粒污染物,同时进行 表面能活化。 物理化学清洗:表面反应中物理反应 与化学反应均起重要作用。
3.3等离子清洗设备
等离子清洗设备的原理是在真空状态 下,压力越来越小,分子间间距越来越大, 分子间力越来越小,利用射频源产生的高 压交变电场将氧、氩、氢等工艺气体震荡成 具有高反应活性或高能量的离子,然后与 有机污染物及微颗粒污染物反应或碰撞形 成挥发性物质,然后由工作气体流及真空 泵将这些挥发性物质清除出去,从而达到 表面清洁活化的目的。是清洗方法中最为 彻底的剥离式清洗,其最大优势在于清洗 后无废液,最大特点是对金属、半导体、氧 化物和大多数高分子材料等都能很好地处 理,可实现整体和局部以及复杂结构的清 洗。图2为等离子清洗设备结构。
4等离子清洗在LED封装工艺中的应用
LED封装工艺直接影响LED产品的成 品率,而封装工艺中出现问题的罪魁祸首 99%来源于芯片与基板上的颗粒污染物、氧 化物及环氧树脂等污染物,如何去除这些 污染物一直是人们关注的问题,等离子清 洗作为最近几年发展起来的清洗工艺为这 些问题提供了经济有效且无环境污染的解 决方案。针对这些不同污染物并根据基板 及芯片材料的不同,采用不同的清洗工艺 可以得到理想的效果,但是错误的工艺使 用则可能会导致产品报废,例如银材料的 芯片采用氧等离子工艺则会被氧化发黑甚 至报废。所以选择合适的等离子清洗工艺 在LED封装中是非常重要的,而熟知等离 子清洗原理更是重中之重。一般情况下,颗 粒污染物及氧化物采用5％H 2 +95%Ar的混 合气体进行等离子清洗,镀金材料芯片可 以采用氧等离子体去除有机物,而银材料 芯片则不可以。选择合适的等离子清洗工 艺在LED封装中的应用大致分为以下几个 方面。 (1)点银胶前:基板上的污染物会导致 银胶呈圆球状,不利于芯片粘贴,而且容易
造成芯片手工刺片时损伤,使用等离子清洗可 以使工件表面粗糙度及亲水性大大提高,有利 于银胶平铺及芯片粘贴,同时可大大节省银胶 的使用量,降低成本。
(2)引线键合前:芯片粘贴到基板上后, 经过高温固化,其上存在的污染物可能包 含有微颗粒及氧化物等,这些污染物从物 理和化学反应使引线与芯片及基板之间焊 接不完全或粘附性差,造成键合强度不够。 在引线键合前进行等离子清洗,会显著提 高其表面活性,从而提高键合强度及键合 引线的拉力均匀性。键合刀头的压力可以 较低(有污染物时,键合头要穿透污染物, 需要较大的压力),有些情况下,键合的温 度也可以降低,因而提高产量,降低成本。
(3)LED封胶前:在LED注环氧胶过程 中,污染物会导致气泡的成泡率偏高,从而 导致产品质量及使用寿命低下,所以,避免 封胶过程中形成气泡同样是人们关注的问 题。通过等离子清洗后,芯片与基板会更加 紧密的和胶体相结合,气泡的形成将大大 减少,同时也将显著提高散热率及光的出 射率。
通过以上几点可以看出材料表面活 化、氧化物及微颗粒污染物的去除可以通 过材料表面键合引线的拉力强度及侵润特 性直接表现出来。
某几家LED厂产品封装工艺中以上几 点工艺前添加等离子清洗,测量键合引线 的拉力强度与未进行等离子清洗相比,键 合引线拉力强度有明显增加,但由于产品 不同,所以增加的幅度也大小不等,有的只 增加12％,有的却可以增加80％,也有的厂 家测量的数据反映平均拉力没有明显增 加,但是最小键合拉力却明显提高,对于确 保产品可靠性来说,这仍然是十分有益的。 图3为某LED厂家一批氧化的LED等离子清 洗前后对比,图4为某LED厂家对一批LED 在等离子清洗前后进行的键合引线拉力对 比图。等离子清洗过后,检测芯片与基板清洗效 果的另一指标为其表面的浸润特性,通过对几 家产品进行实验检测表明未进行等离子清洗 的样品接触角大约为40°～68°左右;表面进 行化学反应机制等离子体清洗的样品接触角 大约为10°～17°左右;表面进行物理反应机 制等离子体清洗过的样品接触角为20°～ 28°左右。不同厂家、不同产品及不同清洗 工艺的清洗效果是不同的,浸润特性的提高表 明在上述几点封装工艺前进行等离子清洗是 十分有益的。图5为等离子清洗前后在某种 LED工件表面滴落7微升纯净水并利用接触角 检测仪进行检测的接触角对比。
5结语
近年来,由于半导体光电子技术的进 步,LED的发光效率迅速提高,预示着一个 新光源时代即将到来。就发光二极管的技术 潜力和发展趋势来看,其发光效率将达到 400lm/w以上,远远超过当前光效最高的高强 度气体放电灯,成为世界上最亮的光源。因 此,业界认为,半导体照明将创造照明产业的 第四次革命。而有利于环保、清洗均匀性 好、重复性好、可控性强、具有三维处理能 力及方向性选择处理的等离子清洗工艺应用 到LED封装工艺中,必将推动LED产业更加快 速的发展。
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来源：中国化学试剂网
