固晶膠沾汙LED晶片電極的機理研究 及解決方案
2017-11-14 22:50:41 閱讀：57427
摘要目前在LED封裝過程中經常出現固晶膠烘烤固化後，金電極上發生有汙染物附著，導致無法焊線或焊線拉力不足的情況。
在LED封裝過程中，固晶烘烤後經常發生電極沾汙的現象。本文分析了汙染物成分，發現汙染物為固晶膠揮發物，在此基礎上分析了固晶膠沾汙晶片電極的兩個可能的原因，並給出了相應的解決方案。
一 電極沾汙現象
目前在LED封裝過程中經常出現固晶膠烘烤固化後，金電極上發生有汙染物附著，導致無法焊線或焊線拉力不足的情況。
如右圖，用金相顯微鏡觀察電極上有明顯的汙染物。
二 原因分析及解決方案
1 汙染物成分
如圖，用電子能譜儀(EDS,Energy Dispersive Spectrometer,可分析材料微區成分元素的種類與含量)對晶片沾汙部分進行元素分析，檢出了C、O、Si元素，而固晶膠的主要成分是矽氧烷(元素為H、C、O、Si)，由於EDS無法測出H元素，故可以推測晶片電極汙染物含有固晶膠成分。
2 原因分析
通過元素分析我們推測汙染物為固晶膠，說明烘烤時固晶膠與電極發生了某種結合。
固晶膠可以通過揮發和爬膠的方式與電極接觸。但是由顯微照片分析可以看出晶片四周並沒有爬膠痕跡，因此可以排除因固晶膠爬膠造成晶片汙染的可能；而固晶膠在烘烤固化過程中會有少量的揮發物，揮發物中含有的帶羥基的小分子交聯劑，具有很高的化學活性，有很大可能是吸附汙染主因。
那麼固晶膠揮發物是如何與晶片電極發生吸附的呢？我們作出了如下兩種推測：
①.含羥基小分子交聯劑與晶片電極汙染物發生化學吸附
由於交聯劑本身不會與金電極發生反應，而晶片生產過程中有殘留活性汙染物的可能，故推測可能是交聯劑與電極製備過程中殘留的汙染物發生化學反應產生吸附。
②.含羥基小分子交聯劑與晶片電極發生靜電吸附
由於羥基中的氧原子電負性較強，使得氫與氧之間的共用電子對向氧原子偏移，正負電中心不在平衡位置，使得分子顯電性，若晶片電極帶靜電，則兩者就會產生靜電引力，進而吸附在一起，形成汙染。
2.1 含羥基小分子交聯劑與晶片電極汙染物發生化學吸附
2.1.1 晶片汙染物來源
晶片的汙染可能來源於晶片製作過程中引入的汙染和固晶操作時引入的汙染(如操作過程中觸碰晶片等)。
我們通過顯微鏡觀察發生電極沾汙的晶片，在其表面並沒有觀察到有人為汙染的痕跡(如指紋)，因此可以排除因人工操作導致的晶片汙染。
而晶片的製備過程中需要進行多次光刻，光刻時涉及到顯影過程，目前常用的顯影劑是無機鹼+雙氧水溶液(如碳酸鈉溶液)，這一過程會在晶片電極表面殘留羥基等官能團。在後道工序中，晶片廠商會加入化學試劑清洗及水洗步驟，對附著的離子汙染進行清洗，但有可能存在清洗不完全或清洗設備維護不當造成二次汙染等情況。
如圖所示為光刻及顯影過程，光刻膠透過掩膜板經紫外光曝光後，再經過顯影劑的清洗，就會留下與掩膜板一致的圖案，這一過程成為「圖形化」，是下一步製作晶片立體結構的必要工序。
2.1.2固晶膠揮發物來源
固晶膠中帶有羥基的小分子交聯劑由於分子鏈短，沸點較低，在加熱固化過程中未參與反應就發生揮發，含有的羥基基團和金電極上的殘留羥基通過氫和氧之間的氫鍵吸附在一起，而後進一步發生化學反應。
什麼是氫鍵？
所謂氫鍵是指氫原子與電負性大的原子X(O、F、N等)以共價鍵結合，若與電負性大、半徑小的原子Y(O、F、N等)接近，在X與Y之間以氫為媒介，生成X-H…Y形式的一種特殊的分子間或分子內相互作用，稱為氫鍵。
2.1.3 反應過程
如圖，當固晶膠中揮發出來的含羥基的小分子交聯劑與電極表面殘留的羥基接觸時，羥基上的氧原子與另一個羥基上的氫產生氫鍵，同樣的另一對氫和氧原子也形成一個氫鍵。
隨後部分氫鍵轉化為共價鍵同時脫掉一個水分子，產生的水分子在高溫烘烤下隨烤箱熱風排出，隨著時間的延長，越來越多的交聯劑與殘留羥基發生化學反應，最終使晶片表面留下了大量含C、O、Si元素的固晶膠汙染物。
2.1.4實驗驗證
將確認乾淨無電極汙染的晶片固在如所示的基片上，分為A和B； ① 將A用鹼性溶液(碳酸鈉溶液)浸泡3分鐘，然後用氮氣吹乾；② B不作處理。
然後分別在A和B的晶片周圍塗上等量的固晶膠，隨後按圖示的方法用燒杯罩住A和B，並放入烤箱烘烤(120℃/1H+160℃/2H)。
烘烤完成後用金相顯微鏡分別對A和B的晶片電極部分進行觀察，結果如下圖：
註：圖片採用暗場拍攝，黑色區域為電極金屬層；晶片測試點為晶片點亮測試過程中留下的痕跡
由圖可以明顯看出，經過鹼液浸泡處理，固晶烘烤後電極表面有大量汙染物附著；而未處理的乾淨晶片則基本沒有汙染物。
說明電極表面殘留的羥基等活性基團會與固晶膠揮發物反應造成電極表面有固晶膠附著。
2.1.5 解決方案
經過上述的實驗驗證，我們可以確認該汙染主要是因為晶片製備過程中殘留的羥基等活性基團與固晶膠中易揮發的含羥基小分子交聯劑發生化學反應，要解決此類汙染，我們需要分別從晶片和固晶膠兩方面來改善。
如圖，我們通過薄膜蒸發、分子蒸餾等工藝措施對固晶膠原材料進行小分子物質的分離後，根據GPC測試結果可以看出，固晶膠的分子量分布均一性有較大改善，固晶膠的揮發份由原來的0.48%下降到0.17%，大大減少了揮發量。說明通過固晶膠廠商的技術改進和原料管控，是可以有效達到降低固晶膠揮發物、減少電極汙染的目的。
2.2 含羥基小分子交聯劑與晶片電極發生靜電吸附
2.2.1 晶片帶電原因
晶片是粘附在藍膜上的，使用時需要撕開藍膜進行擴晶，這一過程很容易產生靜電，標準作業程序(SOP)中規定，擴晶站需配備離子風扇，並在離子風扇出風口進行撕藍膜及擴晶操作，且操作人員需佩戴靜電手環，防止晶片產生靜電。但是實際生產中部分操作人員不按規定操作，未使用離子風扇，有可能使晶片帶電。
正確操作流程：佩戴靜電手環，在離子風扇下進行撕藍膜，而後用擴晶機擴晶。
2.2.2 靜電吸附機理
由於固晶膠中含有帶羥基的小分子交聯劑，其分子鏈短、沸點低，在加熱固化過程中很容易揮發並附帶出微量矽膠組分。
如圖1所示，交聯劑所含有的羥基是強極性基團，其氧原子電負性很強，使得氫與氧之間的共用電子對向氧原子偏移，正負電中心不在平衡位置，使得基團對外顯電性；
若晶片電極帶電，那麼這些極性的基團會在空氣中形成電泳現象，通過靜電吸附富集在電極點；如圖2所示，這些富集物(小分子交聯劑及所附帶的微量矽膠組分)在電極表面沉積，在烘烤過程中含有的微量矽膠在交聯劑作用下固化，還有大量未反應的交聯劑由於富集作用形成液體狀的汙染物殘留在晶片電極表面。由於電極點被這些有機物阻隔，金線或合金線無法在電極點正常焊接。
2.2.3實驗驗證
將晶片固在如所示的基片上，分為A和B；① 將A晶片蓋上一層藍膜，然後通過撕藍膜的方式使晶片帶電；② 將B放在離子風扇下吹20分鐘，徹底消除晶片所帶靜電。
然後分別在A和B的晶片周圍塗上等量的固晶膠，隨後按圖示的方法用燒杯罩住A和B，並放入烤箱烘烤(120℃/1H+160℃/2H)。
烘烤完成後用金相顯微鏡分別對A和B的晶片電極部分進行觀察，結果如下圖：
註：圖片採用暗場拍攝，黑色區域為電極金屬層；晶片測試點為晶片點亮測試過程中留下的痕跡
由圖可以明顯看出，經過帶靜電處理後，固晶烘烤後的電極表面有大量汙染物附著；而經過靜電去除的晶片則基本沒有汙染物。
說明晶片帶電會造成烘烤時固晶膠揮發物與電極產生靜電吸引從而導致固晶膠在電極表面富集並形成汙染。
2.2.4解決方案
經過上述分析，我們可以確認該汙染主要是因為在晶片使用過程中，由於操作不規範，導致晶片電極異常帶電，固晶膠中揮發出來的含羥基小分子交聯劑與電極發生靜電吸附，要解決此類汙染，我們需要從操作規範和固晶膠兩方面來改善。
三 總結
經過以上分析我們可以知道LED封裝過程中固晶烘烤後晶片電極附著的汙染物為固晶膠。而固晶膠烘烤時揮發出來的含羥基小分子交聯劑通過兩種原因與電極發生吸附：①含羥基小分子交聯劑與晶片電極汙染物發生化學吸附；②含羥基小分子交聯劑與晶片電極發生靜電吸附；通過實驗驗證我們可以看出經過鹼水處理的晶片汙染程度遠大於帶靜電處理的晶片，因此我們推化學吸附為主要原因，靜電吸附為次要原因。針對以上兩種原因，我們有如下解決方案：
參考文獻：
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作者：方華宇、裴小明