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LED显示屏SMD封装不可不说的二三事!

LED显示渠道 2020-07-15 07:43:54

LED 器件占 LED 显示屏成本约 40%~70%,LED 显示屏成本的大幅下降得益于 LED 器件的成本降低。LED 封装质量的好坏对 LED 显示屏的质量影响较大。封装可靠性的关键包括芯片材料的选择、封装材料的选择及工艺管控。另外,严格的可靠性标准也是检验高品质 LED 器件的关键。


随着 LED 显示屏逐渐向着高端市场的渗透,对 LED 显示屏器件的品质要求也越来越高。本文就高品质 LED 显示屏器件封装实际经验,探讨实现高品质 LED 显示屏器件的关键技术。


1、LED 显示屏器件封装的现状


SMD(Surface Mounted Devices) 指表面贴装型封装结构 LED,主要有 PCB 板结构的 LED(ChipLED)和 PLCC 结构的 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 显示屏器件封装所用的主要材料组成包括支架、芯片、固晶胶、键合线和封装胶等。下面从封装材料方面来介绍目前国内的一些基本发展现状。


1.1 LED 支架

(1)支架的作用。PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier)支架是 SMD LED 器件的载体,对 LED 的可靠性、出光等性能起到关键作用。


(2)支架的生产工艺。PLCC 支架生产工艺主要包括金属料带冲切、电镀、PPA(聚邻苯二酰胺)注塑、折弯、五面立体喷墨等工序。其中,电镀、金属基板、塑胶材料等占据了支架的主要成本。


(3)支架的结构改进设计。PLCC 支架由于 PPA 和金属结合是物理结合,在过高温回流炉后缝隙会变大,从而导致水汽很容易沿着金属通道进入器件内部从而影响可靠性 。


为提高产品可靠性以满足高端市场需求的高品质的 LED 显示器件,部分封装成厂改进了支架的结构设计,如佛山市国星光电股份有限公司采用先进的防水结构设计、折弯拉伸等方法来延长支架的水汽进入路径,同时在支架内部增加防水槽、防水台阶、放水孔等多重防水的措施  ,如图 1 所示。该设计不仅节省了封装成本,还提高了产品可靠性,目前已经大范围应用于户外 LED 显示屏产品中。通过SAM(Scanning Acoustic Microscope)测试折弯结构设计的 LED 支架封装后和正常支架的气密性,结果可以发现采用折弯结构设计的产品气密性更好,如图 2 所示。

1.2 芯片
LED 芯片是 LED 器件的核心,其可靠性决定了 LED 器件乃至 LED 显示屏的寿命、发光性能等。LED 芯片的成本占LED 器件总成本也是最大的。随着成本的降低,LED 芯片尺寸切割越来越小,同时也带来了一系列的可靠性问题。LED蓝绿芯片的结构如图 3 所示。

由图 3 可知,随着尺寸的缩小,P 电极和 N 电极的 pad也随之缩小,电极 pad 的缩小直接影响焊线质量,容易在封装过程和使用过程中导致金球脱离甚至电极自身脱离,最终失效。同时,两个 pad 间的距离 a 也会缩小,这样会使得电极处电流密度的过度增大,电流在电极处局部聚集,而分布不均匀的电流严重影响了芯片的性能,使得芯片出现局部温度过高、亮度不均匀、容易漏电、掉电极、甚至发光效率低等问题,最终导致 LED 显示屏可靠性降低。


1.3 键合线

键合线是 LED 封装的关键材料之一,它的功能是实现芯片与引脚的电连接,起着芯片与外界的电流导入和导出的作用。LED 器件封装常用键合线包括金线、铜线、镀钯铜线以及合金线等。


(1)金线。金线应用最广泛,工艺最成熟,但价格昂贵,导致 LED 的封装成本过高。


(2)铜线。铜线代替金丝具有廉价、散热效果好,焊线过程中金属间化合物生长数度慢等优点 。缺点是铜存在易氧化、硬度高及应变强度高等。尤其在键合铜烧球工艺的加热环境下,铜表面极易氧化,形成的氧化膜降低了铜线的键合性能,这对实际生产过程中的工艺控制提出更高的要求。


(3)镀钯铜线。为了防止铜线氧化,镀钯键合铜丝逐渐受到封装界的关注。镀钯键合铜丝具有机械强度高、硬度适中、焊接成球性好等优点非常适用于高密度、多引脚集成电路封装 。


1.4 胶水

目前,LED 显示屏器件封装的胶水主要包括环氧树脂和有机硅两类。


(1)环氧树脂。环氧树脂易老化、易受湿、耐热性能差,且短波光照和高温下容易变色,在胶质状态时有一定的毒性,热应力与 LED 不十分匹配,会影响 LED 的可靠性及寿命。所以通常会对环氧树脂进行攻性。


(2)有机硅。有机硅相比环氧树脂具有较高的性价比、优良的绝缘性、介电性和密着性。但缺点是气密性较差,易吸潮。所以很少被使用在 LED 显示屏器件的封装应用中。


另外,高品质 LED 显示屏对显示效果也提出特别的要求。有些封装厂采用添加剂的方式来改善胶水的应力,同时达到哑光雾面的效果。


(作者:佛山市国星光电股份有限公司 刘传标,刘晓锋,赵 强)


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