等离子清洗在LED封装工艺中的应用

引言

　LED是可直接将电能转化为可见光的发光器件，它有着体积小、耗电量低、使用寿命长、发光效率高、高亮度低热量、环保、坚固耐用及可控性强等诸多优点，发展突飞猛进，现已能批量生产整个可见光谱段各种颜色的高亮度、高性能产品。近几年，LED广泛用于大面积图文显示屏，状态指示、标志照明、信号显示、汽车组合尾灯及车内照明等方面，被誉为21世纪新光源，然而在其封装工艺中存在的污染物一直是其快速发展道路上的一只拦路虎，如何能够简单快速及无污染的解决掉这个问题一直困扰着人们。等离子体清洗，一种无任何环境污染的新型清洗方式，将为人们解决这一问题。

　1 、LED的发光原理及基本结构

　发光原理：LED(light emitting diode)，发光二极管，是一种固态的半导体发光器件，它可以直接把电转化为光，其核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结，因此它具有一般pn结的I-N特性，即正向导通、反向截至及击穿特性，在一定条件下，它还具有发光特性。正向电压下，这些半导体材料的pn结中，电流从LED阳极流向阴极，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来。半导体晶体可以发出从紫外到红外不同颜色的光线，其波长和颜色由组成pn结的半导体物料的禁带能量所决定，而光的强弱则与电流有关。

　基本结构：简单来说，LED可以看作是将一块电致发光的半导体材料芯片，通过引线键合后四周用环氧树脂密封。其芯片及典型产品基本结构见图1(芯片与透镜间为灌封胶)。

  2 、LED封装工艺

　在LED产业链中，上游为衬底晶片生产，中游为芯片设计及制造生产，下游为封装与测试。研发低热阻、优异光学特性、高可靠的封装技术是新型LED走向实用、走向市场的必经之路，从某种意义上讲封装是连接产业与市场之间的纽带，只有封装好才能成为终端产品，从而投入实际应用。LED封装技术大都是在分立器件封装技术基础上发展与演变而来的，但却与一般分立器件不同，它具有很强的特殊性，不但完成输出电信号、保护管芯正常工作及输出可见光的功能，还要有电参数及光参数的设计及技术要求，所以无法简单地将分立器件的封装用于LED。经过多年来的不断研究与发展，LED封装工艺也发生了很大的变化，但其大致可分为以下几个个步骤：

　芯片检验：材料表面是否有机械损伤及麻点麻坑;

　LED扩片：采用扩片机对黏结芯片的膜进行扩张，将芯片由排列紧密约0.1mm的间距拉伸至约0.6mm，便于后工序的操作;

　点胶：在LED支架的相应位置点上银胶或绝缘胶;

　手工刺片：在显微镜下用针将LED芯片刺到相应的位置;

　自动装架：结合点胶和安装芯片两大步骤，先在LED支架上点上银胶(绝缘胶)，然后用真空吸嘴将LED芯片吸起移动位置，再安置在相应的支架位置上;

　LED烧结：烧结的目的是使银胶固化，烧结要求对温度进行监控，防止批次性不良;

　LED压焊：将电极引到LED芯片上，完成产品内外引线的连接工作;

　LED封胶：主要有点胶、灌封、模压三种，工艺控制的难点是气泡、多缺料、黑点;

　LED固化及后固化：固化即封装环氧的固化，后固化是为了让环氧充分固化，同时对LED进行热老化，后固化对于提高环氧与支架(PCB)的粘接强度非常重要;

　切筋划片：LED在生产中是连在一起的，后期需要切筋或划片将其分离;

　测试包装：测试LED的光电参数、检验外形尺寸，根据客户要求对LED产品进行分选，将成品进行计数包装。

  3 、等离子清洗原理及设备

　3.1 概述：是正离子和电子密度大致相等的电离气体。由离子、电子、自由激进分子、光子以及中性粒子组成，是物质的第四态。人们普遍认为的物质有三态：固态、液态、气态。区分这三种状态是靠物质中所含能量的多少。给气态物质更多的能量，比如加热，将会形成等离子体，在宇宙中99.99%的物质处于等离子状态。

　3.2清洗原理：通过化学或物理作用对工件表面进行处理，实现分子水平的污染物去除(一般厚度为3～30nm)，从而提高工件表面活性。被清除的污染物可能为有机物、环氧树脂、光刻胶、氧化物、微颗粒污染物等。对应不同的污染物，应采用不同的清洗工艺，根据选择的工艺气体不同，等离子清洗分为化学清洗、物理清洗及物理化学清洗。

　化学清洗:表面反应以化学反应为主的等离子体清洗，又称PE。

　从反应式可见，氧等离子体通过化学反应可使非挥发性有机物变成易挥发的H2O和CO2。

　从反应式可见，氢等离子体通过化学反应可以去除金属表面氧化层，清洁金属表面。

　物理清洗：表面反应以物理反应为主的等离子体清洗，也叫溅射腐蚀(SPE)。

　Ar+在自偏压或外加偏压作用下被加速产生动能，然后轰击在放在负电极上的被清洗工件表面，一般用于去除氧化物、环氧树脂溢出或是微颗粒污染物，同时进行表面能活化。

　物理化学清洗：表面反应中物理反应与化学反应均起重要作用。

　3.3等离子清洗设备

　等离子清洗设备的原理是在真空状态下，压力越来越小，分子间间距越来越大，分子间力越来越小，利用射频源产生的高压交变电场将氧、氩、氢等工艺气体震荡成具有高反应活性或高能量的离子，然后与有机污染物及微颗粒污染物反应或碰撞形成挥发性物质，然后由工作气体流及真空泵将这些挥发性物质清除出去，从而达到表面清洁活化的目的。是清洗方法中最为彻底的剥离式清洗，其最大优势在于清洗后无废液，最大特点是对金属、半导体、氧化物和大多数高分子材料等都能很好地处理，可实现整体和局部以及复杂结构的清洗。

 4 、等离子清洗在LED封装工艺中的应用

  LED封装工艺直接影响LED产品的成品率，而封装工艺中出现问题的罪魁祸首99%来源于芯片与基板上的颗粒污染物、氧化物及环氧树脂等污染物，如何去除这些污染物一直是人们关注的问题，等离子清洗作为最近几年发展起来的清洗工艺为这些问题提供了经济有效且无环境污染的解决方案。针对这些不同污染物并根据基板及芯片材料的不同，采用不同的清洗工艺可以得到理想的效果，但是错误的工艺使用则可能会导致产品报废，例如银材料的芯片采用氧等离子工艺则会被氧化发黑甚至报废。所以选择合适的等离子清洗工艺在LED封装中是非常重要的，而熟知等离子清洗原理更是重中之重。一般情况下，颗粒污染物及氧化物采用5%H2+95%Ar的混合气体进行等离子清洗，镀金材料芯片可以采用氧等离子体去除有机物，而银材料芯片则不可以。选择合适的等离子清洗工艺在LED封装中的应用大致分为以下几个方面：

　点银胶前：基板上的污染物会导致银胶呈圆球状，不利于芯片粘贴，而且容易造成芯片手工刺片时损伤，使用等离子清洗可以使工件表面粗糙度及亲水性大大提高，有利于银胶平铺及芯片粘贴，同时可大大节省银胶的使用量，降低成本。

　引线键合前：芯片粘贴到基板上后，经过高温固化，其上存在的污染物可能包含有微颗粒及氧化物等，这些污染物从物理和化学反应使引线与芯片及基板之间焊接不完全或粘附性差，造成键合强度不够。在引线键合前进行等离子清洗，会显著提高其表面活性，从而提高键合强度及键合引线的拉力均匀性。键合刀头的压力可以较低(有污染物时，键合头要穿透污染物，需要较大的压力)，有些情况下，键合的温度也可以降低，因而提高产量，降低成本。

　LED封胶前：在LED注环氧胶过程中，污染物会导致气泡的成泡率偏高，从而导致产品质量及使用寿命低下，所以，避免封胶过程中形成气泡同样是人们关注的问题。通过等离子清洗后，芯片与基板会更加紧密的和胶体相结合，气泡的形成将大大减少，同时也将显著提高散热率及光的出射率。

　通过以上几点可以看出材料表面活化、氧化物及微颗粒污染物的去除可以通过材料表面键合引线的拉力强度及侵润特性直接表现出来。

某几家LED厂产品封装工艺中以上几点工艺前添加等离子清洗，测量键合引线的拉力强度与未进行等离子清洗相比，键合引线拉力强度有明显增加，但由于产品不同，所以增加的幅度也大小不等，有的只增加12%，有的却可以增加80%，也有的厂家测量的数据反映平均拉力没有明显增加，但是最小键合拉力却明显提高，对于确保产品可靠性来说，这仍然是十分有益的。图3为某LED厂家一批氧化的LED等离子清洗前后对比，图4为某LED厂家对一批LED在等离子清洗前后进行的键合引线拉力对比图。

　等离子清洗过后，检测芯片与基板清洗效果的另一指标为其表面的浸润特性，通过对几家产品进行实验检测表明未进行等离子清洗的样品接触角大约为40°~68°左右;表面进行化学反应机制等离子体清洗的样品接触角大约为10°～17°左右;表面进行物理反应机制等离子体清洗过的样品接触角为20°～28°左右。不同厂家、不同产品及不同清洗工艺的清洗效果是不同的，浸润特性的提高表明在上述几点封装工艺前进行等离子清洗是十分有益的。图5为等离子清洗前后在某种LED工件表面滴落7微升纯净水并利用接触角检测仪进行检测的接触角对比。

　5 、结束语

　近年来，由于半导体光电子技术的进步，LED的发光效率迅速提高，预示着一个新光源时代即将到来。就发光二极管的技术潜力和发展趋势来看，其发光效率将达到400lm/w以上，远远超过当前光效最高的高强度气体放电灯，成为世界上最亮的光源。因此，业界认为，半导体照明将创造照明产业的第四次革命。而有利于环保、清洗均匀性好、重复性好、可控性强、具有三维处理能力及方向性选择处理的等离子清洗工艺应用到LED封装工艺中，必将推动LED产业更加快速的发展。