LED顯示屏 SMD封裝 不可不說的二三事

   LED 器件占 LED 顯示屏成本約 40%～70%，LED 顯示屏成本的大幅下降得益于 LED 器件的成本降低。LED 封裝質(zhì)量的好壞對 LED 顯示屏的質(zhì)量影響較大。封裝可靠性的關(guān)鍵包括芯片材料的選擇、封裝材料的選擇及工藝管控。另外，嚴(yán)格的可靠性標(biāo)準(zhǔn)也是檢驗(yàn)高品質(zhì) LED 器件的關(guān)鍵。

   隨著 LED 顯示屏逐漸向著高端市場的滲透，對 LED 顯示屏器件的品質(zhì)要求也越來越高。本文就高品質(zhì) LED 顯示屏器件封裝實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，探討實(shí)現(xiàn)高品質(zhì) LED 顯示屏器件的關(guān)鍵技術(shù)。

1 LED 顯示屏器件封裝的現(xiàn)狀

   SMD（Surface Mounted Devices） 指表面貼裝型封裝結(jié)構(gòu) LED，主要有 PCB 板結(jié)構(gòu)的 LED（ChipLED）和 PLCC 結(jié)構(gòu)的 LED（TOP LED）。本文主要研究 TOP LED，下面文中所提及的 SMD LED 均指的是 TOP LED。

   LED 顯示屏器件封裝所用的主要材料組成包括支架、芯片、固晶膠、鍵合線和封裝膠等。下面從封裝材料方面來介紹目前國內(nèi)的一些基本發(fā)展現(xiàn)狀。

   1.1 LED 支架

   （1）支架的作用。PLCC（Plastic Leaded Chip Carrier）支架是 SMD LED 器件的載體，對 LED 的可靠性、出光等性能起到關(guān)鍵作用。

   （2）支架的生產(chǎn)工藝。PLCC 支架生產(chǎn)工藝主要包括金屬料帶沖切、電鍍、PPA（聚鄰苯二酰胺）注塑、折彎、五面立體噴墨等工序。其中，電鍍、金屬基板、塑膠材料等占據(jù)了支架的主要成本。

   （3）支架的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)。PLCC 支架由于 PPA 和金屬結(jié)合是物理結(jié)合，在過高溫回流爐后縫隙會變大，從而導(dǎo)致水汽很容易沿著金屬通道進(jìn)入器件內(nèi)部從而影響可靠性 。

   為提高產(chǎn)品可靠性以滿足高端市場需求的高品質(zhì)的 LED 顯示器件，部分封裝成廠改進(jìn)了支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如佛山市國星光電股份有限公司采用先進(jìn)的防水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、折彎拉伸等方法來延長支架的水汽進(jìn)入路徑，同時(shí)在支架內(nèi)部增加防水槽、防水臺階、放水孔等多重防水的措施  ，如圖 1 所示。該設(shè)計(jì)不僅節(jié)省了封裝成本，還提高了產(chǎn)品可靠性，目前已經(jīng)大范圍應(yīng)用于戶外 LED 顯示屏產(chǎn)品中。通過SAM（Scanning Acoustic Microscope）測試折彎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的 LED 支架封裝后和正常支架的氣密性，結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)采用折彎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品氣密性更好，如圖 2 所示。

   1.2 芯片

   LED 芯片是 LED 器件的核心，其可靠性決定了 LED 器件乃至 LED 顯示屏的壽命、發(fā)光性能等。LED 芯片的成本占LED 器件總成本也是最大的。隨著成本的降低，LED 芯片尺寸切割越來越小，同時(shí)也帶來了一系列的可靠性問題。LED藍(lán)綠芯片的結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

   由圖 3 可知，隨著尺寸的縮小，P 電極和 N 電極的 pad也隨之縮小，電極 pad 的縮小直接影響焊線質(zhì)量，容易在封裝過程和使用過程中導(dǎo)致金球脫離甚至電極自身脫離，最終失效。同時(shí)，兩個(gè) pad 間的距離 a 也會縮小，這樣會使得電極處電流密度的過度增大，電流在電極處局部聚集，而分布不均勻的電流嚴(yán)重影響了芯片的性能，使得芯片出現(xiàn)局部溫度過高、亮度不均勻、容易漏電、掉電極、甚至發(fā)光效率低等問題，最終導(dǎo)致 LED 顯示屏可靠性降低。

   1.3 鍵合線

   鍵合線是 LED 封裝的關(guān)鍵材料之一，它的功能是實(shí)現(xiàn)芯片與引腳的電連接，起著芯片與外界的電流導(dǎo)入和導(dǎo)出的作用。LED 器件封裝常用鍵合線包括金線、銅線、鍍鈀銅線以及合金線等。

   （1）金線。金線應(yīng)用最廣泛，工藝最成熟，但價(jià)格昂貴，導(dǎo)致 LED 的封裝成本過高。

   （2）銅線。銅線代替金絲具有廉價(jià)、散熱效果好，焊線過程中金屬間化合物生長數(shù)度慢等優(yōu)點(diǎn) 。缺點(diǎn)是銅存在易氧化、硬度高及應(yīng)變強(qiáng)度高等。尤其在鍵合銅燒球工藝的加熱環(huán)境下，銅表面極易氧化，形成的氧化膜降低了銅線的鍵合性能，這對實(shí)際生產(chǎn)過程中的工藝控制提出更高的要求。

   （3）鍍鈀銅線。為了防止銅線氧化，鍍鈀鍵合銅絲逐漸受到封裝界的關(guān)注。鍍鈀鍵合銅絲具有機(jī)械強(qiáng)度高、硬度適中、焊接成球性好等優(yōu)點(diǎn)非常適用于高密度、多引腳集成電路封裝 。

   1.4 膠水

   目前，LED 顯示屏器件封裝的膠水主要包括環(huán)氧樹脂和有機(jī)硅兩類。

   （1）環(huán)氧樹脂。環(huán)氧樹脂易老化、易受濕、耐熱性能差，且短波光照和高溫下容易變色，在膠質(zhì)狀態(tài)時(shí)有一定的毒性，熱應(yīng)力與 LED 不十分匹配，會影響 LED 的可靠性及壽命。所以通常會對環(huán)氧樹脂進(jìn)行攻性。

   （2）有機(jī)硅。有機(jī)硅相比環(huán)氧樹脂具有較高的性價(jià)比、優(yōu)良的絕緣性、介電性和密著性。但缺點(diǎn)是氣密性較差，易吸潮。所以很少被使用在 LED 顯示屏器件的封裝應(yīng)用中。

   另外，高品質(zhì) LED 顯示屏對顯示效果也提出特別的要求。有些封裝廠采用添加劑的方式來改善膠水的應(yīng)力，同時(shí)達(dá)到啞光霧面的效果。

本文摘自《高可靠性 LED 顯示屏 SMD 器件封裝關(guān)鍵技術(shù)》

作者：佛山市國星光電股份有限公司 劉傳標(biāo)，劉曉鋒，趙 強(qiáng)