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国内LED显示屏器件封装的现状

日期: 2017-09-14
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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. 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,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。

国内LED显示屏器件封装的现状

国内LED显示屏器件封装的现状

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。

国内LED显示屏器件封装的现状

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。

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 。

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。

(本文摘自《高可靠性 LED 显示屏 SMD 器件封装关键技术》)



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