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等離子清洗在LED 封裝工藝中的應(yīng)用
文章內(nèi)容來(lái)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(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所)
摘要：
在LED 封裝工藝過(guò)程中,，器件表面的氧化物及顆粒污染物會(huì)降低產(chǎn)品可靠性,，影響產(chǎn)品質(zhì)量,。如在封裝前進(jìn)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(duì)清洗前后的效果做了對(duì)比,。
LED 是發(fā)光二極管( LightEmitting Diode, LED)的簡(jiǎn)稱(chēng),，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(zhǎng)達(dá)數(shù)萬(wàn)小時(shí)至數(shù)十萬(wàn)小時(shí)的使用壽命，同時(shí)具備不易碎,，省電等優(yōu)點(diǎn),。
近年來(lái)，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(gè)新光源時(shí)代即將到來(lái)。目前,，國(guó)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(guò)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(kāi)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(guò)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(shì)來(lái)看，其發(fā)光效率將達(dá)到400lm/W 以上,，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)當(dāng)前光效的高強(qiáng)度氣體放電燈,，成為世界上亮的光源,。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(duì)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(tái)的夾具上,，并在顯微鏡下用針將LED 芯片一個(gè)一個(gè)刺到相應(yīng)的位置上；
(5) 自動(dòng)裝架：自動(dòng)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(dòng)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(duì)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(duì)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(shí)對(duì)LED進(jìn)行熱老化,，后固化對(duì)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(gè)），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?jiǎng)澠瑱C(jī)來(lái)完成分離工作；
(11) 測(cè)試包裝：測(cè)試LED 的光電參數(shù),、檢驗(yàn)外形尺寸,，同時(shí)根據(jù)客戶(hù)要求對(duì)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(guò)程中主要存在的問(wèn)題：
(1)LED 制作過(guò)程中的主要問(wèn)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(shí)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,。基板上的污染物會(huì)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(shí)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(shí)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(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(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(qiáng)度不夠,。在引線鍵合前進(jìn)行射頻等離子清洗,，會(huì)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(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,。
（3）LED 封膠前。在LED 注環(huán)氧樹(shù)脂膠過(guò)程中,，污染物會(huì)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(guò)程中形成氣泡同樣是人們關(guān)注的問(wèn)題,。通過(guò)射頻等離子清洗后，芯片與基板會(huì)更加緊密地和膠體相結(jié)合,，氣泡的形成將大大減少,，同時(shí)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,。
其清洗原理是通過(guò)化學(xué)或物理作用對(duì)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(shù)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(lái)看,，等離子體清洗通常包括以下過(guò)程：
（1）無(wú)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(guò)以下幾個(gè)反應(yīng)式及圖1,、圖2 和圖3 對(duì)清洗方式做詳細(xì)說(shuō)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(jī)物→CO2+H2O
從反應(yīng)式可見(jiàn),，氧等離子體通過(guò)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-
H※+ 非揮發(fā)性金屬氧化物→金屬＋H2O
從反應(yīng)式可見(jiàn),，氫等離子體通過(guò)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(dòng)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(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(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(jiǎn)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(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(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(jiàn)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(duì)比
對(duì)某幾家LED 廠家產(chǎn)品封裝工藝前添加射頻等離子清洗，測(cè)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(jiàn)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(gè)檢測(cè)指標(biāo)為其表面的浸潤(rùn)特性,，通過(guò)對(duì)幾家產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測(cè)表明未進(jìn)行過(guò)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(guò)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(guò)物理反應(yīng)機(jī)制射頻等離子體清洗過(guò)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(rùn)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,。
5 結(jié)束語(yǔ)
射頻等離子清洗是清洗方法中*的剝離式清洗,，其優(yōu)勢(shì)在于清洗后無(wú)廢液，大特點(diǎn)是對(duì)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(wú)環(huán)境污染的特性必將推動(dòng)LED 行業(yè)更加快速的發(fā)展。