等离子清洗在LED 封装工艺中的应用

文章内容出自微信公众号：半导体封装工程师之家

马斌 程丕俊 师筱娜 马良

(中国电子科技集团公司第二研究所)

 

摘要：

 

在LED 封装工艺过程中，器件表面的氧化物及颗粒污染物会降低产品可靠性，影响产品质量。如在封装前进行等离子清洗，则可有效去除上述污染物。介绍了等离子清洗设备原理，并对清洗前后的效果做了对比。

 

LED 是发光二极管( LightEmitting Diode, LED)的简称，一般用作指示灯、显示板，它不但能够高效率地直接将电能转化为光能，而且拥有最长达数万小时至数十万小时的使用寿命，同时具备不易碎，省电等优点。

 

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。目前，国产商品化白光发光二极管的发光效率已经达到100 lm/W，远远超过了15 lm/W 的白炽灯和60 lm/W 的荧光灯。日本企业已经开始量产162 lm/W以上的白光发光二极管，这一指标超过了光效140 lm/W 的钠灯，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。

 

1 LED 的主要封装工艺

 

(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，将划片后的LED 芯片由排列紧密约

0.1 mm 的间距拉伸至约0.6 mm，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：将扩张后LED 芯片安置在刺片台的夹具上，并在显微镜下用针将LED 芯片一个一个刺到相应的位置上；

 

(5) 自动装架：自动装架结合了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：压焊是将电极引到LED 芯片上，完成产品内外引线的连接工作，LED 的压焊

工艺有金丝球焊和铝丝压焊两种；

 

(8) LED 封胶：LED 的封装主要有点胶、灌封、模压三种，基本上工艺控制的难点是气泡、多缺料、黑点，设计上主要是对材料的选型，选用结合良好的环氧和支架；

 

(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：由于LED 在生产中是连在一起的（不是单个），Lamp 封装LED 采用切筋切断LED 支架的连筋，SMD-LED 则是在一片PCB 板上，需要划片机来完成分离工作；

 

(11) 测试包装：测试LED 的光电参数、检验外形尺寸，同时根据客户要求对LED 产品进行分选，将成品进行计数包装，超高亮LED 需要防静电包装。

 

LED 制作过程中主要存在的问题：

 

(1)    LED 制作过程中的主要问题难以去除污染物和氧化层。

 

(2)    支架与胶体结合不够紧密有微小缝隙，时间存放久了之后空气进入至使电极及支架表面氧化造成死灯。

 

解决方法：

 

（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，使用射频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。在引线键合前进行射频等离子清洗，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 注环氧树脂胶过程中，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。通过射频等离子清洗后，芯片与基板会更加紧密地和胶体相结合，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。

2 等离子体清洗机理

 

通常情况下，人们普遍认为的物质有三态：固态、液态、气态。区分这3 种状态是靠物质中所含能量的多少。气态是物质3 个状态中最高的能量状态。

 

其清洗原理是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3～30 nm），从而提高工件表面活性。被清除的污染物可能有有机物、环氧树脂、光刻胶、氧化物、微颗粒污染物等，所以射频等离子清洗是一种高精密清洗。

 

就反应机理来看，等离子体清洗通常包括以下过程：

 

（1） 无机气体被激发到等离子态；

 

（2） 气相物质被吸附在固体表面；

 

（3） 被吸附基团与固体表面分子反应生成产物分子；

 

（4） 产物分子解析形成气相；

 

（5） 反应残余物脱离表面。

 

通过以下几个反应式及图1、图2 和图3 对清洗方式做详细说明。

 

2.1 化学清洗

 

表面反应以化学反应为主的等离子体清洗。

 

例1：

 

O2＋e－→ 2O※ +e－

 

O※＋有机物→CO2+H2O

 

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H2O 和CO2。

 

例2：

 

H2+e-→2H※+e-

 

H※+ 非挥发性金属氧化物→金属＋H2O

 

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。

 

2.2 物理清洗

 

表面反应以物理反应为主的等离子体清洗。

 

例：

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 等离子清洗设备简介

 

射频等离子清洗设备的原理是先产生真空，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。

 

射频等离子清洗设备结构见图4。其结构主要由六部分组成：反应腔室、电控系统、供气系统、射频电源、真空系统、操作控制系统。

清洗流程如图5 所示。

4 清洗效果对比

 

对某几家LED 厂家产品封装工艺前添加射频等离子清洗，测量键合引线的拉力强度，与未

进行射频等离子清洗相比，键合引线拉力强度有明显增加（见图6、图7），反映基板及芯片进行射频等离子清洗后是否有清洗效果的另一个检测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过射频等离子清洗的样品接触角为70°～85°，如8 图；表面进行过化学反应机制射频等离子体清洗的样品接触角为10°～17°，如图9；而表面进行过物理反应机制射频等离子体清洗过的样品的接触角为20°～28°左右如图10。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封装工艺前进行射频等离子清洗是十分有益的。

 5 结束语

 

射频等离子清洗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原基材料都能很好地处理，可实现整体和局部以及复杂结构的清洗。随着LED 产业的飞速发展，射频等离子清洗凭借其经济有效且无环境污染的特性必将推动LED 行业更加快速的发展。