等離子清洗在LED 封裝工藝中的應(yīng)用

文章內(nèi)容來自：半導(dǎo)體封裝工程師之家

作者：馬斌 程丕俊 師筱娜 馬良(中國電子科技集團公司第二研究所)

摘要：

在LED 封裝工藝過程中，器件表面的氧化物及顆粒污染物會降低產(chǎn)品可靠性，影響產(chǎn)品質(zhì)量。如在封裝前進行等離子清洗，則可有效去除上述污染物。介紹了等離子清洗設(shè)備原理，并對清洗前后的效果做了對比。

LED 是發(fā)光二極管( LightEmitting Diode, LED)的簡稱，一般用作指示燈、顯示板，它不但能夠高效率地直接將電能轉(zhuǎn)化為光能，而且擁有長達數(shù)萬小時至數(shù)十萬小時的使用壽命，同時具備不易碎，省電等優(yōu)點。

近年來，由于半導(dǎo)體光電子技術(shù)的進步，LED的發(fā)光效率迅速提高，預(yù)示著一個新光源時代即將到來。目前，國產(chǎn)商品化白光發(fā)光二極管的發(fā)光效率已經(jīng)達到100 lm/W，遠遠超過了15 lm/W 的白熾燈和60 lm/W 的熒光燈。日本企業(yè)已經(jīng)開始量產(chǎn)162 lm/W以上的白光發(fā)光二極管，這一指標超過了光效140 lm/W 的鈉燈，就發(fā)光二極管的技術(shù)潛力和發(fā)展趨勢來看，其發(fā)光效率將達到400lm/W 以上，遠遠超過當前光效的高強度氣體放電燈，成為世界上亮的光源。因此，業(yè)界認為，半導(dǎo)體照明將創(chuàng)造照明產(chǎn)業(yè)的第四次革命。

1 LED 的主要封裝工藝

(1)芯片檢驗：材料表面是否有機械損傷及麻點麻坑；

(2) LED 擴片：采用擴片機對黏結(jié)芯片的膜進行擴張，將劃片后的LED 芯片由排列緊密約

0.1 mm 的間距拉伸至約0.6 mm，便于后工序的操作；

(3) 點膠：在LED 支架的相應(yīng)位置點上銀膠或絕緣膠；

(4) 手工刺片：將擴張后LED 芯片安置在刺片臺的夾具上，并在顯微鏡下用針將LED 芯片一個一個刺到相應(yīng)的位置上；

(5) 自動裝架：自動裝架結(jié)合了點膠和安裝芯片兩大步驟，先在LED 支架上點上銀膠（絕緣膠），然后用真空吸嘴將LED 芯片吸起移動位置，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)要求對溫度進行監(jiān)控，防止批次性不良；

(7) LED 壓焊：壓焊是將電極引到LED 芯片上，完成產(chǎn)品內(nèi)外引線的連接工作，LED 的壓焊工藝有金絲球焊和鋁絲壓焊兩種；

(8) LED 封膠：LED 的封裝主要有點膠、灌封、模壓三種，基本上工藝控制的難點是氣泡、多缺料、黑點，設(shè)計上主要是對材料的選型，選用結(jié)合良好的環(huán)氧和支架；

(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，同時對LED進行熱老化，后固化對于提高環(huán)氧與支架（PCB）的粘接強度非常重要；

(10) 切筋劃片：由于LED 在生產(chǎn)中是連在一起的（不是單個），Lamp 封裝LED 采用切筋切斷LED 支架的連筋，SMD-LED 則是在一片PCB 板上，需要劃片機來完成分離工作；

(11) 測試包裝：測試LED 的光電參數(shù)、檢驗外形尺寸，同時根據(jù)客戶要求對LED 產(chǎn)品進行分選，將成品進行計數(shù)包裝，超高亮LED 需要防靜電包裝。

LED 制作過程中主要存在的問題：

(1)LED 制作過程中的主要問題難以去除污染物和氧化層。

(2)支架與膠體結(jié)合不夠緊密有微小縫隙，時間存放久了之后空氣進入至使電極及支架表面氧化造成死燈。

解決方法：

（1）點銀膠前?；迳系奈廴疚飼?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損傷，使用射頻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*或粘附性差，造成鍵合強度不夠。在引線鍵合前進行射頻等離子清洗，會顯著提高其表面活性，從而提高鍵合強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，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)氧樹脂膠過程中，污染物會導(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，避免封膠過程中形成氣泡同樣是人們關(guān)注的問題。通過射頻等離子清洗后，芯片與基板會更加緊密地和膠體相結(jié)合，氣泡的形成將大大減少，同時也將顯著提高散熱率及光的出射率。

 2 等離子體清洗機理

通常情況下，人們普遍認為的物質(zhì)有三態(tài)：固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)。區(qū)分這3 種狀態(tài)是靠物質(zhì)中所含能量的多少。

其清洗原理是通過化學(xué)或物理作用對工件表面進行處理，實現(xiàn)分子水平的污染物去除（一般厚度為3～30 nm），從而提高工件表面活性。被清除的污染物可能有有機物、環(huán)氧樹脂、光刻膠、氧化物、微顆粒污染物等，所以射頻等離子清洗是一種高精密清洗。

就反應(yīng)機理來看，等離子體清洗通常包括以下過程：

（1）無機氣體被激發(fā)到等離子態(tài)；

（2）氣相物質(zhì)被吸附在固體表面；

（3）被吸附基團與固體表面分子反應(yīng)生成產(chǎn)物分子；

（4）產(chǎn)物分子解析形成氣相；

（5）反應(yīng)殘余物脫離表面。

通過以下幾個反應(yīng)式及圖1、圖2 和圖3 對清洗方式做詳細說明。

2.1 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。

例1：

O2＋e－→ 2O※ +e－

O※＋有機物→CO2+H2O

從反應(yīng)式可見，氧等離子體通過化學(xué)反應(yīng)可使非揮發(fā)性有機物變成易揮發(fā)的H2O 和CO2。

例2：

H2+e-→2H※+e-

H※+ 非揮發(fā)性金屬氧化物→金屬＋H2O

從反應(yīng)式可見，氫等離子體通過化學(xué)反應(yīng)可以去除金屬表面氧化層，清潔金屬表面。

2.2 物理清洗

表面反應(yīng)以物理反應(yīng)為主的等離子體清洗。

例：

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)生動能，然后轟擊放在負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，同時進行表面能活化。

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 等離子清洗設(shè)備簡介

射頻等離子清洗設(shè)備的原理是先產(chǎn)生真空，在真空狀態(tài)下，壓力越來越小，分子間間距越來越大，分子間力越來越小，利用射頻源產(chǎn)生的高壓交變電場將氧、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，從而達到表面清潔活化的目的。

射頻等離子清洗設(shè)備結(jié)構(gòu)見圖4。其結(jié)構(gòu)主要由六部分組成：反應(yīng)腔室、電控系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、射頻電源、真空系統(tǒng)、操作控制系統(tǒng)。

 清洗流程如圖5 所示。

 4 清洗效果對比

對某幾家LED 廠家產(chǎn)品封裝工藝前添加射頻等離子清洗，測量鍵合引線的拉力強度，與未進行射頻等離子清洗相比，鍵合引線拉力強度有明顯增加（見圖6、圖7），反映基板及芯片進行射頻等離子清洗后是否有清洗效果的另一個檢測指標為其表面的浸潤特性，通過對幾家產(chǎn)品進行實驗檢測表明未進行過射頻等離子清洗的樣品接觸角為70°～85°，如8 圖；表面進行過化學(xué)反應(yīng)機制射頻等離子體清洗的樣品接觸角為10°～17°，如圖9；而表面進行過物理反應(yīng)機制射頻等離子體清洗過的樣品的接觸角為20°～28°左右如圖10。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，浸潤特性的提高表明在封裝工藝前進行射頻等離子清洗是十分有益的。

5 結(jié)束語

射頻等離子清洗是清洗方法中*的剝離式清洗，其優(yōu)勢在于清洗后無廢液，大特點是對金屬、半導(dǎo)體、氧化物和大多數(shù)高分子材料等原基材料都能很好地處理，可實現(xiàn)整體和局部以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的清洗。隨著LED 產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，射頻等離子清洗憑借其經(jīng)濟有效且無環(huán)境污染的特性必將推動LED 行業(yè)更加快速的發(fā)展。