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隨著LED顯示屏技術(shù)的快速發(fā)展及其應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬, LED顯示屏市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)也空前激烈。而LED器件的封裝處于LED產(chǎn)業(yè)鏈的中游, 競(jìng)爭(zhēng)愈發(fā)激烈。國(guó)內(nèi)封裝廠商為降低LED封裝成本多采用更加廉價(jià)的材料, 如芯片的切小、PLCC鐵支架、銅線(xiàn)替代金線(xiàn)等方式。同時(shí)追求高生產(chǎn)效率, 從而導(dǎo)致產(chǎn)品性能和可靠性降低, 阻礙了武漢LED顯示屏市場(chǎng)的健康發(fā)展。因此, 有必要開(kāi)發(fā)出面向高端LED顯示屏市場(chǎng)的高可靠性L(fǎng)ED器件。實(shí)驗(yàn)證明, 通過(guò)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、合適的材料選型、嚴(yán)格的工藝管控以及汽車(chē)AEC-Q101高可靠性標(biāo)準(zhǔn)的引入等方面著手, 可顯著提升LED器件的可靠性。

近幾年, LED顯示屏從研發(fā)到生產(chǎn)都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步, 已發(fā)展成為重要的現(xiàn)代信息發(fā)布媒體手段, 在證券交易、金融、交通、體育以及廣告等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。LED顯示屏在娛樂(lè)文化和戶(hù)外體育等新需求以及小間距顯示屏等新產(chǎn)品的帶動(dòng)下, 其市場(chǎng)規(guī)模仍將保持每年15%~20%的增速。預(yù)計(jì)到2020年, 全球LED顯示屏的市場(chǎng)規(guī)模將很過(guò)300億美元。隨著社會(huì)信息化的進(jìn)程加快, LED顯示屏在信息顯示領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)愈加廣闊。

與傳統(tǒng)顯示屏相比, LED顯示屏由于具有壽命長(zhǎng)、節(jié)能環(huán)保、顯示性能優(yōu)越、發(fā)熱量小、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)受到市場(chǎng)的廣泛青睞。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, 而成本的降低勢(shì)必會(huì)影響LED器件乃至LED顯示屏的品質(zhì)。LED封裝質(zhì)量的好壞對(duì)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(chǎng)的滲透, 對(duì)LED顯示屏器件的品質(zhì)要求也越來(lái)越高, 例如, 在LED的可靠性評(píng)估中引入一套更為嚴(yán)格的可靠性評(píng)判標(biāo)準(zhǔn), 即汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)AEC-Q101。傳統(tǒng)的LED顯示器件通常是以高性?xún)r(jià)比為目標(biāo), 其可靠性很難滿(mǎn)足高品質(zhì)LED顯示屏要求。本文就高品質(zhì)LED顯示屏器件封裝實(shí)際經(jīng)驗(yàn), 分析傳統(tǒng)的LED顯示屏器件封裝的現(xiàn)狀及存在問(wèn)題, 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 (Chip LED) 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(xiàn)和封裝膠等。下面從封裝材料方面來(lái)介紹目前國(guó)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(duì)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(guò)高溫回流爐后縫隙會(huì)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(mǎn)足高端市場(chǎng)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(guó)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(lái)延長(zhǎng)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(tái)階、放水孔等多重防水的措施[4], 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(hù)外LED顯示屏產(chǎn)品中。通過(guò)SAM (Scanning Acoustic Microscope) 測(cè)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。

圖1 PLCC支架剖面對(duì)比

圖2 兩種支架封裝后器件的氣密性在SAM下的對(duì)比

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器件總成本也是較大的。隨著成本的降低, LED芯片尺寸切割越來(lái)越小, 同時(shí)也帶來(lái)了一系列的可靠性問(wèn)題。LED藍(lán)綠芯片的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 芯片結(jié)構(gòu)

由圖3可知, 隨著尺寸的縮小, P電很和N電很的pad也隨之縮小, 電很pad的縮小直接影響焊線(xiàn)質(zhì)量, 容易在封裝過(guò)程和使用過(guò)程中導(dǎo)致金球脫離甚至電很自身脫離, 較終失效。同時(shí), 兩個(gè)pad間的距離a也會(huì)縮小, 這樣會(huì)使得電很處電流密度的過(guò)度增大, 電流在電很處局部聚集, 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(guò)高、亮度不均勻、容易漏電、掉電很、甚至發(fā)光效率低等問(wèn)題, 較終導(dǎo)致LED顯示屏可靠性降低。

1.3 鍵合線(xiàn)

鍵合線(xiàn)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(xiàn)包括金線(xiàn)、銅線(xiàn)、鍍鈀銅線(xiàn)以及合金線(xiàn)等。

(1) 金線(xiàn)。金線(xiàn)應(yīng)用較廣泛, 工藝較成熟, 但價(jià)格昂貴, 導(dǎo)致LED的封裝成本過(guò)高。

(2) 銅線(xiàn)。近幾年有些廠商已經(jīng)開(kāi)始采用更加廉價(jià)的銅線(xiàn)作為鍵合絲, 應(yīng)用于中低端LED顯示屏器件中。銅線(xiàn)代替金絲具有廉價(jià)、散熱效果好, 焊線(xiàn)過(guò)程中金屬間化合物生長(zhǎng)數(shù)度慢等優(yōu)點(diǎn)[6]。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, 銅表面很易氧化, 形成的氧化膜降低了銅線(xiàn)的鍵合性能, 這對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的工藝控制提出更高的要求, 對(duì)產(chǎn)品的可靠性影響非常大。

(3) 鍍鈀銅線(xiàn)。為了防止銅線(xiàn)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[7]。

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(shù)脂和有機(jī)硅兩類(lèi)。

(1) 環(huán)氧樹(shù)脂。環(huán)氧樹(shù)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(huì)影響LED的可靠性及壽命。所以通常會(huì)對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行攻性。

(2) 有機(jī)硅。有機(jī)硅相比環(huán)氧樹(shù)脂具有較高的性?xún)r(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(duì)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(lái)改善膠水的應(yīng)力, 同時(shí)達(dá)到啞光霧面的效果。如佛山市國(guó)星光電股份有限公司的星悅系列LED器件采用改性的膠水, 從而實(shí)現(xiàn)啞光效果。如圖4左圖的常規(guī)產(chǎn)品的無(wú)啞光處理和啞光處理的LED器件對(duì)比可以看出, 啞光處理后, 器件表面無(wú)鏡面反射, 舒適度高;進(jìn)一步地, 為了使顯示更加柔和, 高品質(zhì)的LED顯示器件通常會(huì)膠水中添加合適的散射粉, 從而實(shí)現(xiàn)面出光。圖4右圖所示星悅的面出光LED顯示器件, 面出光光線(xiàn)均勻更加柔和。

圖4 常規(guī)的LED顯示器件和星悅的面出光LED器件出光效果對(duì)比

2 LED顯示屏器件封裝的可靠性標(biāo)準(zhǔn)

AEC (Automotive Electronics Council) 汽車(chē)電子協(xié)會(huì), 是克萊斯勒、福特和通用汽車(chē)為建立一套通用的零件資質(zhì)及質(zhì)量系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)立, 以車(chē)載電子部件的可靠性以及認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)格化為目的的團(tuán)體。AEC建立了嚴(yán)格的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn), 推動(dòng)了汽車(chē)零件通用性的實(shí)施, 為汽車(chē)零部件市場(chǎng)的快速成長(zhǎng)打下了良好的基礎(chǔ)。

AEC的標(biāo)準(zhǔn)有3個(gè)細(xì)分領(lǐng)域應(yīng)用, 分別為AEC-Q101、AEC-Q200和AEC-Q201。由于LED屬于分立半導(dǎo)體元件, 參考AEC-Q101, 包括以下幾個(gè)項(xiàng)目。

(1) AEC-Q101 Rev-C1。

(2) AEC-Q101 Rev-C base document。

(3) AEC-Q101-001-Rev-A。

(4) AEC-Q101-002-Rev-A。

(5) AEC-Q101-003-Rev-A。

(6) AEC-Q101-004-Rev-。

(7) AEC-Q101-005-Rev-。

(8) AEC-Q101-006-Rev-。

AEC由于項(xiàng)目齊全, 條件嚴(yán)苛, 部分封裝廠開(kāi)始應(yīng)用該標(biāo)準(zhǔn)來(lái)對(duì)LED器件的可靠性進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)判, 這對(duì)LED顯示屏行業(yè)是一大進(jìn)步, 大大提高LED顯示屏的可靠性和壽命。

3 結(jié)論

LED器件的可靠性水平直接決定了LED顯示屏的使用壽命和顯示效果。在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)環(huán)境下不斷追求成本的降低, 有些封裝廠采用了較為低廉的材料, 如鐵支架和銅線(xiàn)的使用等, 甚至將芯片尺寸不斷切小, 使得LED器件的可靠性大幅下滑。也有部分封裝廠堅(jiān)持技術(shù)創(chuàng)新, 不斷提升產(chǎn)品的性能, 從而提高產(chǎn)品的可靠性。少數(shù)有實(shí)力的廠家通過(guò)較優(yōu)材料的搭配、先進(jìn)的防水結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、霧面啞光的膠水工藝等不同的方面來(lái)提升性能, 同時(shí)引入汽車(chē)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)AEC-Q101進(jìn)行可靠性測(cè)試及監(jiān)控, 生產(chǎn)出高品質(zhì)的LED顯示屏器件。