技術資料

等離子清洗的優勢在哪里

LED是可直接將電能轉化為可見光的發光器件，它有著體積小、耗電量低、使用壽命長、發光效率高、高亮度低熱量、環保、堅固耐用及可控性強等諸多優點，發展突飛猛進，現已能批量生產整個可見光譜段各種顏色的高亮度、高性能產品。近幾年，LED廣泛用于大面積圖文顯示屏，狀態指示、標志照明、信號顯示、汽車組合尾燈及車內照明等方面，被譽為21世紀新光源，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，一種無任何環境污染的新型清洗方式，將為人們解決這一問題。
1 LED的發光原理及基本結構
發光原理：LED（light emitting diode），發光二極管，是一種固態的半導體發光器件，它可以直接把電轉化為光，其核心部分是由p型半導體和n型半導體組成的晶片，在p型半導體和n型半導體之間有一個過渡層，稱為p-n結，因此它具有一般pn結的I-N特性，即正向導通、反向截至及擊穿特性，在一定條件下，它還具有發光特性。正向電壓下，這些半導體材料的pn結中，電流從LED陽極流向陰極，注入的少數載流子與多數載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放出來。半導體晶體可以發出從紫外到紅外不同顏色的光線，其波長和顏色由組成pn結的半導體物料的禁帶能量所決定，而光的強弱則與電流有關。
基本結構：簡單來說，LED可以看作是將一塊電致發光的半導體材料芯片，通過引線鍵合后四周用環氧樹脂密封。其芯片及典型產品基本結構見圖1（芯片與透鏡間為灌封膠）。
2 LED封裝工藝
在LED產業鏈中，上游為襯底晶片生產，中游為芯片設計及制造生產，下游為封裝與測試。研發低熱阻、優異光學特性、高可靠的封裝技術是新型LED走向實用、走向市場的必經之路，從某種意義上講封裝是連接產業與市場之間的紐帶，只有封裝好才能成為終端產品，從而投入實際應用。LED封裝技術大都是在分立器件封裝技術基礎上發展與演變而來的，但卻與一般分立器件不同，它具有很強的特殊性，不但完成輸出電信號、保護管芯正常工作及輸出可見光的功能，還要有電參數及光參數的設計及技術要求，所以無法簡單地將分立器件的封裝用于LED。經過多年來的不斷研究與發展，LED封裝工藝也發生了很大的變化，但其大致可分為以下幾個個步驟：
①芯片檢驗：材料表面是否有機械損傷及麻點麻坑；
②LED擴片：采用擴片機對黏結芯片的膜進行擴張，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；
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：在顯微鏡下用針將LED芯片刺到相應的位置；
⑤自動裝架：結合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；
⑥LED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；
⑦LED壓焊：將電極引到LED芯片上，完成產品內外引線的連接工作；
⑧LED封膠：主要有點膠、灌封、模壓三種，工藝控制的難點是氣泡、多缺料、黑點；
⑨LED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：LED在生產中是連在一起的，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、檢驗外形尺寸，根據客戶要求對LED產品進行分選，將成品進行計數包裝。
3 等離子清洗原理及設備
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、自由激進分子、光子以及中性粒子組成，是物質的第四態。人們普遍認為的物質有三態：固態、液態、氣態。區分這三種狀態是靠物質中所含能量的多少。給氣態物質更多的能量，比如加熱，將會形成等離子體，在宇宙中99.99％的物質處于等離子狀態。
3.2清洗原理：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3～30nm），從而提高工件表面活性。被清除的污染物可能為有機物、環氧樹脂、光刻膠、氧化物、微顆粒污染物等。對應不同的污染物，應采用不同的清洗工藝，根據選擇的工藝氣體不同，等離子清洗分為化學清洗、物理清洗及物理化學清洗。
化學清洗:表面反應以化學反應為主的等離子體清洗，又稱PE。
例1：O2＋e－→ 2O※ +e－     O※＋有機物→CO2+H2O
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-      H※+非揮發性金屬氧化物→金屬＋H2O
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。
物理清洗：表面反應以物理反應為主的等離子體清洗，也叫濺射腐蝕（SPE）。
例：Ar＋e-→Ar++2e-       Ar++沾污→揮發性沾污
Ar+在自偏壓或外加偏壓作用下被加速產生動能，然后轟擊在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。
3.3等離子清洗設備
等離子清洗設備的原理是在真空狀態下，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。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都能很好地處理，可實現整體和局部以及復雜結構的清洗。
4 等離子清洗在LED封裝工藝中的應用
LED封裝工藝直接影響LED產品的成品率，而封裝工藝中出現問題的罪魁禍首99%來源于支架、芯片與基板上的顆粒污染物、氧化物及環氧樹脂等污染物，如何去除這些污染物一直是人們關注的問題，等離子清洗作為最近幾年發展起來的清洗工藝為這些問題提供了經濟有效且無環境污染的解決方案。針對這些不同污染物并根據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致產品報廢，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封裝中的應用大致分為以下幾個方面：
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。通過等離子清洗后，芯片與基板會更加緊密的和膠體相結合，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。
通過以上幾點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度及侵潤特性直接表現出來。
某幾家LED廠產品封裝工藝中以上幾點工藝前添加等離子清洗，測量鍵合引線的拉力強度與未進行等離子清洗相比，鍵合引線拉力強度有明顯增加，但由于產品不同，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據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等離子清洗的樣品接觸角大約為40°~68°左右;表面進行化學反應機制等離子體清洗的樣品接觸角大約為10°～17°左右；表面進行物理反應機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封裝工藝前進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行檢測的接觸角對比。
5 結束語
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。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400lm/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。而有利于環保、清洗均勻性好、重復性好、可控性強、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用到LED封裝工藝中，必將推動LED產業更加快速的發展。