等離子清洗在LED封裝工藝中的應用

引言

　　led是可直接將電能轉化為可見(jiàn)光的發(fā)光器件，它有著(zhù)體積小、耗電量低、使用壽命長(cháng)、發(fā)光效率高、高亮度低熱量、環(huán)保、堅固耐用及可控性強等諸多優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展突飛猛進(jìn)，現已能批量生產(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、標志照明、信號顯示、汽車(chē)組合尾燈及車(chē)內照明等方面，被譽(yù)為21世紀新光源，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(zhù)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)光原理及基本結構

　　發(fā)光原理：LED(light emitting diode)，發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導體發(fā)光器件，它可以直接把電轉化為光，其核心部分是由p型半導體和n型半導體組成的晶片，在p型半導體和n型半導體之間有一個(gè)過(guò)渡層，稱(chēng)為p-n結，因此它具有一般pn結的I-N特性，即正向導通、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，這些半導體材料的pn結中，電流從LED陽(yáng)極流向陰極，注入的少數載流子與多數載流子復合時(shí)會(huì )把多余的能量以光的形式釋放出來(lái)。半導體晶體可以發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線(xiàn)，其波長(cháng)和顏色由組成pn結的半導體物料的禁帶能量所決定，而光的強弱則與電流有關(guān)。

　　基本結構：簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，LED可以看作是將一塊電致發(fā)光的半導體材料芯片，通過(guò)引線(xiàn)鍵合后四周用環(huán)氧樹(shù)脂密封。其芯片及典型產(chǎn)品基本結構見(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)，中游為芯片設計及制造生產(chǎn)，下游為封裝與測試。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走向實(shí)用、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)際應用。LED封裝技術(shù)大都是在分立器件封裝技術(shù)基礎上發(fā)展與演變而來(lái)的，但卻與一般分立器件不同，它具有很強的特殊性，不但完成輸出電信號、保護管芯正常工作及輸出可見(jiàn)光的功能，還要有電參數及光參數的設計及技術(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：材料表面是否有機械損傷及麻點(diǎn)麻坑;

　　 LED擴片：采用擴片機對黏結芯片的膜進(jìn)行擴張，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芯片刺到相應的位置;

　　 自動(dòng)裝架：結合點(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，再安置在相應的支架位置上;

　　 LED燒結：燒結的目的是使銀膠固化，燒結要求對溫度進(jìn)行監控，防止批次性不良;

　　 LED壓焊：將電極引到LED芯片上，完成產(chǎn)品內外引線(xiàn)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LED進(jìn)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;

　　 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;

　　 測試包裝：測試LED的光電參數、檢驗外形尺寸，根據客戶(hù)要求對LED產(chǎn)品進(jìn)行分選，將成品進(jìn)行計數包裝。

3 、等離子清洗原理及設備

　　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)。人們普遍認為的物質(zhì)有三態(tài)：固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)。區分這三種狀態(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)或物理作用對工件表面進(jìn)行處理，實(shí)現分子水平的污染物去除(一般厚度為3～30nm)，從而提高工件表面活性。被清除的污染物可能為有機物、環(huán)氧樹(shù)脂、光刻膠、氧化物、微顆粒污染物等。對應不同的污染物，應采用不同的清洗工藝，根據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:表面反應以化學(xué)反應為主的等離子體清洗，又稱(chēng)PE。

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

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

　　物理清洗：表面反應以物理反應為主的等離子體清洗，也叫濺射腐蝕(SPE)。

　　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：表面反應中物理反應與化學(xué)反應均起重要作用。

　　3.3等離子清洗設備

　　等離子清洗設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。是清洗方法中最為徹底的剝離式清洗，其最大優(yōu)勢在于清洗后無(wú)廢液，最大特點(diǎn)是對金屬、半導體、氧化物和大多數高分子材料等都能很好地處理，可實(shí)現整體和局部以及復雜結構的清洗。

4 、等離子清洗在LED封裝工藝中的應用

　　LED封裝工藝直接影響LED產(chǎn)品的成品率，而封裝工藝中出現問(wèn)題的罪魁禍首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)濟有效且無(wú)環(huán)境污染的解決方案。針對這些不同污染物并根據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，但是錯誤的工藝使用則可能會(huì )導致產(chǎn)品報廢，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離子體去除有機物，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)可大大節省銀膠的使用量，降低成本。

　　 引線(xiàn)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)反應使引線(xiàn)與芯片及基板之間焊接不完全或粘附性差，造成鍵合強度不夠。在引線(xiàn)鍵合前進(jìn)行等離子清洗，會(huì )顯著(zhù)提高其表面活性，從而提高鍵合強度及鍵合引線(xiàn)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。

　　 LED封膠前：在LED注環(huán)氧膠過(guò)程中，污染物會(huì )導致氣泡的成泡率偏高，從而導致產(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合，氣泡的形成將大大減少，同時(shí)也將顯著(zhù)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(xiàn)的拉力強度及侵潤特性直接表現出來(lái)。

某幾家LED廠(chǎng)產(chǎn)品封裝工藝中以上幾點(diǎn)工藝前添加等離子清洗，測量鍵合引線(xiàn)的拉力強度與未進(jìn)行等離子清洗相比，鍵合引線(xiàn)拉力強度有明顯增加，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(chǎng)家測量的數據反映平均拉力沒(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(chǎng)家一批氧化的LED等離子清洗前后對比，圖4為某LED廠(chǎng)家對一批LED在等離子清洗前后進(jìn)行的鍵合引線(xiàn)拉力對比圖。

　　等離子清洗過(guò)后，檢測芯片與基板清洗效果的另一指標為其表面的浸潤特性，通過(guò)對幾家產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)驗檢測表明未進(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)反應機制等離子體清洗的樣品接觸角大約為10°～17°左右;表面進(jìn)行物理反應機制等離子體清洗過(guò)的樣品接觸角為20°～28°左右。不同廠(chǎng)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儀進(jìn)行檢測的接觸角對比。

　　5 、結束語(yǔ)

　　近年來(lái)，由于半導體光電子技術(shù)的進(jìn)步，LED的發(fā)光效率迅速提高，預示著(zhù)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)展趨勢來(lái)看，其發(fā)光效率將達到400lm/w以上，遠遠超過(guò)當前光效最高的高強度氣體放電燈，成為世界上最亮的光源。因此，業(yè)界認為，半導體照明將創(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、重復性好、可控性強、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。