高可靠性LED顯示屏SMD器件封裝關(guān)鍵技術(shù)

劉傳標(biāo)，劉曉鋒，趙 強(qiáng)

（佛山市國(guó)星光電股份有限公司，廣東佛山528000）

高可靠性LED顯示屏SMD器件封裝關(guān)鍵技術(shù)

劉傳標(biāo)，劉曉鋒，趙 強(qiáng)

（佛山市國(guó)星光電股份有限公司，廣東佛山528000）

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、銅線替代金線等方式。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LED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。

高可靠性；LED顯示屏；封裝；汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)；SMD器件

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［1］。LED顯示屏在娛樂(lè)文化和戶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)模將超過(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［2］。

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價(jià)比為目標(biāo)，其可靠性很難滿足高品質(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［3］。

為提高產(chǎn)品可靠性以滿足高端市場(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器件總成本也是最大的。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(guò)程和使用過(guò)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(huì)縮小，這樣會(huì)使得電極處電流密度的過(guò)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［5］，使得芯片出現(xiàn)局部溫度過(guò)高、亮度不均勻、容易漏電、掉電極、甚至發(fā)光效率低等問(wèn)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(guò)高。

（2）銅線。近幾年有些廠商已經(jīng)開(kāi)始采用更加廉價(jià)的銅線作為鍵合絲，應(yīng)用于中低端LED顯示屏器件中。銅線代替金絲具有廉價(jià)、散熱效果好，焊線過(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，銅表面極易氧化，形成的氧化膜降低了銅線的鍵合性能，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。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［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(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)最優(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。

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［4］劉傳標(biāo),黃祜樞,顧峰,等.一種戶外顯示屏用表面貼裝型高防水LED支架及其產(chǎn)品:中國(guó),CN103117350B［P］. 2011-11-17.

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【責(zé)任編輯：任小平 renxp90@163.com】

Key encapsulation technology of high reliability SMD for LED disp lay application

LIU Chuan-biao,LIU Xiao-feng,ZHAO Qiang
（Foshan Nation Star Optoelectronics Co.Ltd.,Foshan 528000,China）

With the rapid developmentof LED display technology and the broadened application of LED display device in other fields,the LED display devicemarkets undergo the fiercest competition than before.While,LED device packagingwhich is located in themiddle of the industrial chain of LEDmarket also exhibits a trend of increasingly fierce competition.Chinese factoriesmostly adopt cheaper materials to reduce the cost of LED device packaging by using the smaller cutting chips,PLCC iron bracketsand copperwires instead ofgold wires, etc.Meanwhile,they excessively pursue high productivity.Asa consequence,the performance and reliability of products is declining,which hinders the healthy development of LED display devicemarkets.Therefore,it is necessary to develop LED deviceswith high reliability to satisfy the high-end LED display devicemarkets.The resultsofexperimentdemonstrate that the reliability of LED display device can be greatly improved by adopting unique structural designing,optimized raw materials,strict quality management system and high reliability standard of AEC-Q101which isapplied toautomobilemanufacturing,etc.

high reliability;LED display;package;automotive standard;SMD components

TN873

A

2016-04-07

劉傳標(biāo)（1984-），男，貴州盤(pán)縣人，佛山市國(guó)星光電股份有限公司工程師。

1008-0171（2017）04-0067-04