等離子清洗在LED封裝工藝中的應(yīng)用

馬 斌，程丕俊，師筱娜，馬 良

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西太原 030024)

LED是發(fā)光二極管 (Light Emitting 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，而且擁有最長達(dá)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(diǎn)。

近年來，由于半導(dǎo)體光電子技術(shù)的進(jìn)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(dá)到100 lm/W，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(biāo)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(dá)到400 lm/W以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)前光效最高的高強(qiáng)度氣體放電燈，成為世界上最亮的光源。因此，業(yè)界認(rèn)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(yàn)：材料表面是否有機(jī)械損傷及麻點(diǎn)麻坑；

(2)LED擴(kuò)片：采用擴(kuò)片機(jī)對黏結(jié)芯片的膜進(jìn)行擴(kuò)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(diǎn)膠：在LED支架的相應(yīng)位置點(diǎn)上銀膠或絕緣膠；

(4)手工刺片：將擴(kuò)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(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(jìn)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(diǎn)膠、灌封、模壓三種，基本上工藝控制的難點(diǎn)是氣泡、多缺料、黑點(diǎn)，設(shè)計(jì)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(jìn)行熱老化，后固化對于提高環(huán)氧與支架（PCB）的粘接強(qiáng)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(jī)來完成分離工作；

(11)測試包裝：測試LED的光電參數(shù)、檢驗(yàn)外形尺寸，同時根據(jù)客戶要求對LED產(chǎn)品進(jìn)行分選，將成品進(jìn)行計(jì)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(jìn)入至使電極及支架表面氧化造成死燈。

解決方法：

（1）點(diǎn)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)行射頻等離子清洗，會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(jī)理

通常情況下，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3種狀態(tài)是靠物質(zhì)中所含能量的多少。氣態(tài)是物質(zhì)3個狀態(tài)中最高的能量狀態(tài)。

其清洗原理是通過化學(xué)或物理作用對工件表面進(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(jī)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(jī)理來看，等離子體清洗通常包括以下過程：

（1）無機(jī)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(tuán)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(xì)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－

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(jī)物變成易揮發(fā)的H2O和CO2。

例 2：H2+e-→2H※+e-

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+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(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。

圖1 氧等離子體去除有機(jī)物

圖2 氫等離子體去除氧化層

圖3 氬等離子體表面能活化

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(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。

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

圖4 等離子清洗設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

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(qiáng)度，與未進(jìn)行射頻等離子清洗相比，鍵合引線拉力強(qiáng)度有明顯增加（見圖 6、圖 7），反映基板及芯片進(jìn)行射頻等離子清洗后是否有清洗效果的另一個檢測指標(biāo)為其表面的浸潤特性，通過對幾家產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測表明未進(jìn)行過射頻等離子清洗的樣品接觸角為 70°～85°，如 8圖；表面進(jìn)行過化學(xué)反應(yīng)機(jī)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(jìn)行過物理反應(yīng)機(jī)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(jìn)行射頻等離子清洗是十分有益的。

圖5 等離子清洗流程

圖6 等離子射頻清洗氧化膜前后對比

圖7 引線鍵合前使用等離子清洗與未使用的鍵合引線拉力對比

圖8 未用等離子清洗時接觸角測試

圖9 化學(xué)反應(yīng)機(jī)制射頻等離子體清洗后接觸角測試

圖10 物理反應(yīng)機(jī)制射頻等離子體清洗后接觸角測試

5 結(jié)束語

射頻等離子清洗是清洗方法中最為徹底的剝離式清洗，其最大優(yōu)勢在于清洗后無廢液，最大特點(diǎn)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(shí)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(jì)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。

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