等離子清洗在LED封裝工藝中的應(yīng)用

引言

　　led是可直接將電能轉(zhuǎn)化為可見光的發(fā)光器件，它有著體積小、耗電量低、使用壽命長、發(fā)光效率高、高亮度低熱量、環(huán)保、堅固耐用及可控性強(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)整個可見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(biāo)志照明、信號顯示、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，如何能夠簡單快速及無污染的解決掉這個問題一直困擾著人們。等離子體清洗，一種無任何環(huán)境污染的新型清洗方式，將為人們解決這一問題。

　　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)體之間有一個過渡層，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)ā⒎聪蚪刂良皳舸┨匦?，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)合時會把多余的能量以光的形式釋放出來。半導(dǎo)體晶體可以發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，其波長和顏色由組成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)：簡單來說，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?qū)嵱?、走向市場的必?jīng)之路，從某種意義上講封裝是連接產(chǎn)業(yè)與市場之間的紐帶，只有封裝好才能成為終端產(chǎn)品，從而投入實際應(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)展與演變而來的，但卻與一般分立器件不同，它具有很強(qiáng)的特殊性，不但完成輸出電信號、保護(hù)管芯正常工作及輸出可見光的功能，還要有電參數(shù)及光參數(shù)的設(shè)計及技術(shù)要求，所以無法簡單地將分立器件的封裝用于LED。經(jīng)過多年來的不斷研究與發(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個步驟：

　　 芯片檢驗：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LED芯片吸起移動位置，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;

　　 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(shù)、檢驗外形尺寸，根據(jù)客戶要求對LED產(chǎn)品進(jìn)行分選，將成品進(jìn)行計數(shù)包裝。

3 、等離子清洗原理及設(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：通過化學(xué)或物理作用對工件表面進(jìn)行處理，實現(xiàn)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(jī)物、環(huán)氧樹脂、光刻膠、氧化物、微顆粒污染物等。對應(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、物理清洗及物理化學(xué)清洗。

　　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，又稱PE。

　　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。

　　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。

　　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(SPE)。

　　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。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。

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，而封裝工藝中出現(xiàn)問題的罪魁禍?zhǔn)?9%來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)注的問題，等離子清洗作為最近幾年發(fā)展起來的清洗工藝為這些問題提供了經(jīng)濟(jì)有效且無環(huán)境污染的解決方案。針對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，但是錯誤的工藝使用則可能會導(dǎo)致產(chǎn)品報廢，例如銀材料的芯片采用氧等離子工藝則會被氧化發(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(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方面：

　　 點(diǎn)銀膠前：基板上的污染物會導(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。

　　 LED封膠前：在LED注環(huán)氧膠過程中，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。通過等離子清洗后，芯片與基板會更加緊密的和膠體相結(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。

　　通過以上幾點(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材料表面鍵合引線的拉力強(qiáng)度及侵潤特性直接表現(xiàn)出來。

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，測量鍵合引線的拉力強(qiáng)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%，也有的廠家測量的數(shù)據(jù)反映平均拉力沒有明顯增加，但是最小鍵合拉力卻明顯提高，對于確保產(chǎn)品可靠性來說，這仍然是十分有益的。圖3為某LED廠家一批氧化的LED等離子清洗前后對比，圖4為某LED廠家對一批LED在等離子清洗前后進(jìn)行的鍵合引線拉力對比圖。

　　等離子清洗過后，檢測芯片與基板清洗效果的另一指標(biāo)為其表面的浸潤特性，通過對幾家產(chǎn)品進(jìn)行實驗檢測表明未進(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(yīng)機(jī)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(yīng)機(jī)制等離子體清洗過的樣品接觸角為20°～28°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(jié)束語

　　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。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400lm/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。而有利于環(huán)保、清洗均勻性好、重復(fù)性好、可控性強(qiáng)、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(yīng)用到LED封裝工藝中，必將推動LED產(chǎn)業(yè)更加快速的發(fā)展。