等離子清洗在LED封裝工藝中的應(yīng)用

1、等離子清洗在LED封裝工藝中的應(yīng)用2011-06-26 16:02:55 來(lái)源:中國(guó) LED 網(wǎng)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，LEdS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、汽車組合尾燈及車內(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

2、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，稱為p-n結(jié)，因此它具有一般pn結(jié)的I-N特性，即正向?qū)ā?反向截至及擊穿特性，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

3、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?、走向市?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

4、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：芯片檢驗(yàn)：材料表面是否有機(jī)械損傷及麻點(diǎn)麻坑；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；點(diǎn)膠：在LED支架的相應(yīng)位置點(diǎn)上銀膠或絕緣膠；手工刺片：在顯微鏡下用針將LED芯片刺到相應(yīng)的位置；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

5、LED芯片吸起移動(dòng)位置，再安置在相應(yīng)的支架位置上；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；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；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)；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；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；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

6、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330nm），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

7、清洗及物理化學(xué)清洗?；瘜W(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PE。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H2O和 CO2。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fSPE）。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

8、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。1-反應(yīng)腔室-電控系統(tǒng)普*供氣系統(tǒng)；4-射頻電源：？5-真空系統(tǒng)；6-操作控制系統(tǒng)。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

9、中出現(xiàn)問(wèn)題的罪魁禍?zhǔn)?9% 來(lái)源于芯片與基板上的顆粒污染物、氧化物及環(huán)氧樹脂等污染物，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%H2+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

10、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：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。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

11、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。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)

12、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。圖3氧化進(jìn)行等離子清洗前后對(duì)比M*卻廣*卻廣i樣六土洗試化比佝啪r,洗后由健井 圖4等離子清洗前后鍵育.引線拉力對(duì)比等離子清洗過(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4068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1017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2028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。歐 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。圖5等籬子清洗前后工件表面接觸角對(duì)比5、結(jié)束語(yǔ)近年來(lái)，由于半導(dǎo)體光電子技術(shù)的進(jìn)步，LED