LED固晶胶污染芯片电极的机理和解决方案

摘要：

在LED封装过程中，固晶烘烤后经常发生电极沾污的现象。本文分析了污染物成分，发现污染物为固晶胶挥发物，在此基础上分析了固晶胶沾污芯片电极的两个可能的原因，并给出了相应的解决方案。

 

一、电极玷污现象

 

目前在LED封装过程中经常出现固晶胶烘烤固化后，金电极上发生有污染物附着，导致无法焊线或焊线拉力不足的情况。

▲ 如上图，用金相显微镜观察电极上有明显的污染物。

 

二、 原因分析及解决方案

 

1、 污染物成分

 

如图，用电子能谱仪(EDS,EnergyDispersive Spectrometer,可分析材料微区成分元素的种类与含量)对芯片沾污部分进行元素分析，检出了C、O、Si元素，而固晶胶的主要成分是硅氧烷（元素为H、C、O、Si），由于EDS无法测出H元素，故可以推测芯片电极污染物含有固晶胶成分。

2 、原因分析

 

通过元素分析我们推测污染物为固晶胶，说明烘烤时固晶胶与电极发生了某种结合。

▲ 如上图，无爬胶痕迹

 

固晶胶可以通过挥发和爬胶的方式与电极接触。但是由显微照片分析可以看出芯片四周并没有爬胶痕迹，因此可以排除因固晶胶爬胶造成芯片污染的可能；而固晶胶在烘烤固化过程中会有少量的挥发物，挥发物中含有的带羟基的小分子交联剂，具有很高的化学活性，有很大可能是吸附污染主因。

 

那么固晶胶挥发物是如何与芯片电极发生吸附的呢？我们作出了如下两种推测：

 

①.含羟基小分子交联剂与芯片电极污染物发生化学吸附

由于交联剂本身不会与金电极发生反应，而芯片生产过程中有残留活性污染物的可能，故推测可能是交联剂与电极制备过程中残留的污染物发生化学反应产生吸附。

 

②.含羟基小分子交联剂与芯片电极发生静电吸附

由于羟基中的氧原子电负性较强，使得氢与氧之间的共用电子对向氧原子偏移，正负电中心不在平衡位置，使得分子显电性，若芯片电极带静电，则两者就会产生静电引力，进而吸附在一起，形成污染。

 

2.1含羟基小分子交联剂与芯片电极污染物发生化学吸附

 

2.1.1芯片污染物来源

 

芯片的污染可能来源于芯片制作过程中引入的污染和固晶操作时引入的污染（如操作过程中触碰芯片等）。

 

 

我们通过显微镜观察发生电极沾污的芯片，在其表面并没有观察到有人为污染的痕迹（如指纹），因此可以排除因人工操作导致的芯片污染。

而芯片的制备过程中需要进行多次光刻，光刻时涉及到显影过程，目前常用的显影剂是无机碱+双氧水溶液（如碳酸钠溶液），这一过程会在芯片电极表面残留羟基等官能团。在后道工序中，芯片厂商会加入化学试剂清洗及水洗步骤，对附着的离子污染进行清洗，但有可能存在清洗不完全或清洗设备维护不当造成二次污染等情况。

如图所示为光刻及显影过程，光刻胶透过掩膜板经紫外光曝光后，再经过显影剂的清洗，就会留下与掩膜板一致的图案，这一过程成为“图形化”，是下一步制作芯片立体结构的必要工序。

 

2.1.2固晶胶挥发物来源

固晶胶中带有羟基的小分子交联剂由于分子链短，沸点较低，在加热固化过程中未参与反应就发生挥发，含有的羟基基团和金电极上的残留羟基通过氢和氧之间的氢键吸附在一起，而后进一步发生化学反应。

 

什么是氢键？

所谓氢键是指氢原子与电负性大的原子X（O、F、N等）以共价键结合，若与电负性大、半径小的原子Y（O、F、N等）接近，在X与Y之间以氢为媒介，生成X-H…Y形式的一种特殊的分子间或分子内相互作用，称为氢键。

2.1.3反应过程

如图，当固晶胶中挥发出来的含羟基的小分子交联剂与电极表面残留的羟基接触时，羟基上的氧原子与另一个羟基上的氢产生氢键，同样的另一对氢和氧原子也形成一个氢键。

 

随后部分氢键转化为共价键同时脱掉一个水分子，产生的水分子在高温烘烤下随烤箱热风排出，随着时间的延长，越来越多的交联剂与残留羟基发生化学反应，最终使芯片表面留下了大量含C、O、Si元素的固晶胶污染物。

 

2.1.4实验验证

 

将确认干净无电极污染的芯片固在如所示的基片上，分为A和B； ① 将A用碱性溶液（碳酸钠溶液）浸泡3分钟，然后用氮气吹干；② B不作处理。

 

然后分别在A和B的芯片周围涂上等量的固晶胶，随后按图示的方法用烧杯罩住A和B，并放入烤箱烘烤（120℃/1H+160℃/2H）。