等離子清洗在LED封裝工藝中的應用

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，山西太原 030024)

LED是發光二極管 (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化為光能，而且擁有最長達數萬小時至數十萬小時的使用壽命，同時具備不易碎，省電等優點。

近年來，由于半導體光電子技術的進步，LED的發光效率迅速提高，預示著一個新光源時代即將到來。目前，國產商品化白光發光二極管的發光效率已經達到100 lm/W，遠遠超過了15 lm/W的白熾燈和60 lm/W的熒光燈。日本企業已經開始量產162 lm/W以上的白光發光二極管，這一指標超過了光效140 lm/W的鈉燈，就發光二極管的技術潛力和發展趨勢來看，其發光效率將達到400 lm/W以上，遠遠超過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，業界認為，半導體照明將創造照明產業的第四次革命。

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的位置上；

(5)自動裝架：自動裝架結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，再安置在相應的支架位置上；

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

(7)LED壓焊：壓焊是將電極引到LED芯片上，完成產品內外引線的連接工作，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，設計上主要是對材料的選型，選用結合良好的環氧和支架；

(9)LED固化及后固化：固化即封裝環氧的固化，后固化是為了讓環氧充分固化，同時對LED進行熱老化，后固化對于提高環氧與支架（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、檢驗外形尺寸，同時根據客戶要求對LED產品進行分選，將成品進行計數包裝，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。基板上的污染物會導致銀膠呈圓球狀，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反應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，因而提高產量，降低成本。

（3）LED封膠前。在LED注環氧樹脂膠過程中，污染物會導致氣泡的成泡率偏高，從而導致產品質量及使用壽命低下，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有三態：固態、液態、氣態。區分這3種狀態是靠物質中所含能量的多少。氣態是物質3個狀態中最高的能量狀態。

其清洗原理是通過化學或物理作用對工件表面進行處理，實現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）無機氣體被激發到等離子態；

（2）氣相物質被吸附在固體表面；

（3）被吸附基團與固體表面分子反應生成產物分子；

（4）產物分子解析形成氣相；

（5）反應殘余物脫離表面。

通過以下幾個反應式及圖1、圖2和圖3對清洗方式做詳細說明。

2.1 化學清洗

表面反應以化學反應為主的等離子體清洗。

例 1：O2＋e－→ 2O※+e－

從反應式可見，氧等離子體通過化學反應可使非揮發性有機物變成易揮發的H2O和CO2。

例 2：H2+e-→2H※+e-

從反應式可見，氫等離子體通過化學反應可以去除金屬表面氧化層，清潔金屬表面。

2.2 物理清洗

表面反應以物理反應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。

物理化學清洗：表面反應中物理反應與化學反應均起重要作用。

圖1 氧等離子體去除有機物

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 等離子清洗設備簡介

射頻等離子清洗設備的原理是先產生真空，在真空狀態下，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性物質，然后由工作氣體流及真空泵將這些揮發性物質清除出去，從而達到表面清潔活化的目的。

射頻等離子清洗設備結構見圖4。其結構主要由六部分組成：反應腔室、電控系統、供氣系統、射頻電源、真空系統、操作控制系統。

清洗流程如圖5所示。

4 清洗效果對比

圖4 等離子清洗設備結構示意圖

對某幾家LED廠家產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；表面進行過化學反應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。

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 化學反應機制射頻等離子體清洗后接觸角測試

圖10 物理反應機制射頻等離子體清洗后接觸角測試

5 結束語

射頻等離子清洗是清洗方法中最為徹底的剝離式清洗，其最大優勢在于清洗后無廢液，最大特點是對金屬、半導體、氧化物和大多數高分子材料等原基材料都能很好地處理，可實現整體和局部以及復雜結構的清洗。隨著LED產業的飛速發展，射頻等離子清洗憑借其經濟有效且無環境污染的特性必將推動LED行業更加快速的發展。

[1] 陳元燈.LED制造技術與應用[M].北京：電子工業出版社，2007.

[2] 楊麗敏.如何有效的提高功率型LED封裝工藝[J].現代顯示，2007，04（74）：63-66.

[3] 張國柱，杜海文.等離子清洗技術[J].機電元件2001，（12）：31-34.