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固晶胶污染LED芯片电极的机理研究及解决方案

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【摘要】:
2.1.5解决方案

 

经过上述的实验验证,我们可以确认该污染主要是因为芯片制备过程中残留的羟基等活性基团与固晶胶中易挥发的含羟基小分子交联剂发生化学反应,要解决此类污染,我们需要分别从芯片和固晶胶两方面来改善。





芯片端


芯片清洗


芯片制作流程结束后增加清洗步骤,采用化学试剂清洗+水洗+烘烤+等离子体清洗的过程,消除芯片电极上的离子污染。




固晶胶端


工艺改进


将分子量分布较宽的原料,通过酸催化平衡反应对主要物料进行处理,实现分子量分布窄,减少小分子物质的含量,并通过薄膜蒸发、分子蒸馏等工艺措施进一步降低原料的挥发量,从而降低了小分子挥发物的污染。




原料把控


应用凝胶渗透色谱(GPC)法,管控每一批次配胶原料的分子量分布,保证配胶原料的分子量分布指数(D)在1~3范围内(D=1时,是均一分子量的聚合物,D的数值比1越大其分子量分布越宽,分散性程度越大),确保固晶胶质量的稳定。







如图,我们通过薄膜蒸发、分子蒸馏等工艺措施对固晶胶原材料进行小分子物质的分离后,根据GPC测试结果可以看出,固晶胶的分子量分布均一性有较大改善,固晶胶的挥发份由原来的0.48%下降到0.17%,大大减少了挥发量。说明通过固晶胶厂商的技术改进和原料管控,是可以有效达到降低固晶胶挥发物、减少电极污染的目的。

 

2.2含羟基小分子交联剂与芯片电极发生静电吸附

 

2.2.1芯片带电原因

芯片是粘附在蓝膜上的,使用时需要撕开蓝膜进行扩晶,这一过程很容易产生静电,标准作业程序(SOP)中规定,扩晶站需配备离子风扇,并在离子风扇出风口进行撕蓝膜及扩晶操作,且操作人员需佩戴静电手环,防止芯片产生静电。但是实际生产中部分操作人员不按规定操作,未使用离子风扇,有可能使芯片带电。



正确操作流程:佩戴静电手环,在离子风扇下进行撕蓝膜,而后用扩晶机扩晶。

 

2.2.2静电吸附机理

 

由于固晶胶中含有带羟基的小分子交联剂,其分子链短、沸点低,在加热固化过程中很容易挥发并附带出微量硅胶组分。



如图1所示,交联剂所含有的羟基是强极性基团,其氧原子电负性很强,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,使得基团对外显电性;

 

若芯片电极带电,那么这些极性的基团会在空气中形成电泳现象,通过静电吸附富集在电极点;如图2所示,这些富集物(小分子交联剂及所附带的微量硅胶组分)在电极表面沉积,在烘烤过程中含有的微量硅胶在交联剂作用下固化,还有大量未反应的交联剂由于富集作用形成液体状的污染物残留在芯片电极表面。由于电极点被这些有机物阻隔,金线或合金线无法在电极点正常焊接。

 

2.2.3实验验证

 

将芯片固在如所示的基片上,分为A和B;① 将A芯片盖上一层蓝膜,然后通过撕蓝膜的方式使芯片带电;② 将B放在离子风扇下吹20分钟,彻底消除芯片所带静电。

 

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)。



烘烤完成后用金相显微镜分别对A和B的芯片电极部分进行观察,结果如下图:



 

注:图片采用暗场拍摄,黑色区域为电极金属层;

      芯片测试点为芯片点亮测试过程中留下的痕迹

 

由图可以明显看出,经过带静电处理后,固晶烘烤后的电极表面有大量污染物附着;而经过静电去除的芯片则基本没有污染物。

 

说明芯片带电会造成烘烤时固晶胶挥发物与电极产生静电吸引从而导致固晶胶在电极表面富集并形成污染。

 

2.2.4解决方案

 

经过上述分析,我们可以确认该污染主要是因为在芯片使用过程中,由于操作不规范,导致芯片电极异常带电,固晶胶中挥发出来的含羟基小分子交联剂与电极发生静电吸附,要解决此类污染,我们需要从操作规范和固晶胶两方面来改善。

 





操作过程


规范操作


芯片使用(如扩晶、固晶)时,配备离子风扇及静电手环,严格按照规定操作,防止由于操作不当造成芯片带静电。




固晶胶端


工艺改进


具体方法同前一部分,进行工艺改进和原料管控,确保固晶胶原材料分子量分布指数(D)在1~3范围内以及降低挥发份含量,减少含羟基的小分子交联剂挥发物。





 

三、 总结

 

经过以上分析我们可以知道LED封装过程中固晶烘烤后芯片电极附着的污染物为固晶胶。而固晶胶烘烤时挥发出来的含羟基小分子交联剂通过两种原因与电极发生吸附: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含羟基小分子交联剂与芯片电极发生静电吸附;通过实验验证我们可以看出经过碱水处理的芯片污染程度远大于带静电处理的芯片,因此我们推化学吸附为主要原因,静电吸附为次要原因。针对以上两种原因,我们有如下解决方案:

 





原因


解决方案




①含羟基小分子交联剂与芯片电极污染物发生化学吸附


芯片端


芯片清洗


芯片制作流程结束后增加清洗步骤,采用化学试剂清洗+水洗+烘烤+等离子体清洗的过程,消除芯片电极上的离子污染。




固晶胶端


工艺改进


将分子量分布较宽的原料,通过酸催化平衡反应对主要物料进行处理,实现分子量分布窄,减少小分子物质的含量,并通过薄膜蒸发、分子蒸馏等工艺措施进一步降低原料的挥发量,从而降低了小分子挥发物的污染。




原料把控


应用凝胶渗透色谱(GPC)法,管控每一批次配胶原料的分子量分布,保证配胶原料的分子量分布指数(D)在1~3范围内,确保固晶胶质量的稳定。




②含羟基小分子交联剂与芯片电极发生静电吸附


操作过程


规范操作


芯片使用(如扩晶、固晶)时,配备离子风扇及静电手环,严格按照规定操作,防止由于操作不当造成芯片带静电。




固晶胶端


工艺改进


具体方法同上,进行工艺改进和原料管控,确保固晶胶原材料分子量分布指数(D)在1~3范围内以及降低挥发份含量,减少含羟基的小分子交联剂挥发物。




原料把控





 

参考文献:

刘明星. 金属表面硅烷分子吸附及成膜动力学机理[D]. 中国地质大学(武汉), 2012.

阮宜平, 汤兵, 黄树焕. 有机物质在金属表面的吸附研究进展[J]. 表面技术, 2009, 38(2):70-72.

2.1.5解决方案

 

经过上述的实验验证,我们可以确认该污染主要是因为芯片制备过程中残留的羟基等活性基团与固晶胶中易挥发的含羟基小分子交联剂发生化学反应,要解决此类污染,我们需要分别从芯片和固晶胶两方面来改善。

芯片端

芯片清洗

芯片制作流程结束后增加清洗步骤,采用化学试剂清洗+水洗+烘烤+等离子体清洗的过程,消除芯片电极上的离子污染。

固晶胶端

工艺改进

将分子量分布较宽的原料,通过酸催化平衡反应对主要物料进行处理,实现分子量分布窄,减少小分子物质的含量,并通过薄膜蒸发、分子蒸馏等工艺措施进一步降低原料的挥发量,从而降低了小分子挥发物的污染。

原料把控

应用凝胶渗透色谱(GPC)法,管控每一批次配胶原料的分子量分布,保证配胶原料的分子量分布指数(D)在1~3范围内(D=1时,是均一分子量的聚合物,D的数值比1越大其分子量分布越宽,分散性程度越大),确保固晶胶质量的稳定。

如图,我们通过薄膜蒸发、分子蒸馏等工艺措施对固晶胶原材料进行小分子物质的分离后,根据GPC测试结果可以看出,固晶胶的分子量分布均一性有较大改善,固晶胶的挥发份由原来的0.48%下降到0.17%,大大减少了挥发量。说明通过固晶胶厂商的技术改进和原料管控,是可以有效达到降低固晶胶挥发物、减少电极污染的目的。

 

2.2含羟基小分子交联剂与芯片电极发生静电吸附

 

2.2.1芯片带电原因

芯片是粘附在蓝膜上的,使用时需要撕开蓝膜进行扩晶,这一过程很容易产生静电,标准作业程序(SOP)中规定,扩晶站需配备离子风扇,并在离子风扇出风口进行撕蓝膜及扩晶操作,且操作人员需佩戴静电手环,防止芯片产生静电。但是实际生产中部分操作人员不按规定操作,未使用离子风扇,有可能使芯片带电。

正确操作流程:佩戴静电手环,在离子风扇下进行撕蓝膜,而后用扩晶机扩晶。

 

2.2.2静电吸附机理

 

由于固晶胶中含有带羟基的小分子交联剂,其分子链短、沸点低,在加热固化过程中很容易挥发并附带出微量硅胶组分。

如图1所示,交联剂所含有的羟基是强极性基团,其氧原子电负性很强,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,使得基团对外显电性;

 

若芯片电极带电,那么这些极性的基团会在空气中形成电泳现象,通过静电吸附富集在电极点;如图2所示,这些富集物(小分子交联剂及所附带的微量硅胶组分)在电极表面沉积,在烘烤过程中含有的微量硅胶在交联剂作用下固化,还有大量未反应的交联剂由于富集作用形成液体状的污染物残留在芯片电极表面。由于电极点被这些有机物阻隔,金线或合金线无法在电极点正常焊接。

 

2.2.3实验验证

 

将芯片固在如所示的基片上,分为A和B;① 将A芯片盖上一层蓝膜,然后通过撕蓝膜的方式使芯片带电;② 将B放在离子风扇下吹20分钟,彻底消除芯片所带静电。

 

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)。

烘烤完成后用金相显微镜分别对A和B的芯片电极部分进行观察,结果如下图:

 

注:图片采用暗场拍摄,黑色区域为电极金属层;

      芯片测试点为芯片点亮测试过程中留下的痕迹

 

由图可以明显看出,经过带静电处理后,固晶烘烤后的电极表面有大量污染物附着;而经过静电去除的芯片则基本没有污染物。

 

说明芯片带电会造成烘烤时固晶胶挥发物与电极产生静电吸引从而导致固晶胶在电极表面富集并形成污染。

 

2.2.4解决方案

 

经过上述分析,我们可以确认该污染主要是因为在芯片使用过程中,由于操作不规范,导致芯片电极异常带电,固晶胶中挥发出来的含羟基小分子交联剂与电极发生静电吸附,要解决此类污染,我们需要从操作规范和固晶胶两方面来改善。

 

操作过程

规范操作

芯片使用(如扩晶、固晶)时,配备离子风扇及静电手环,严格按照规定操作,防止由于操作不当造成芯片带静电。

固晶胶端

工艺改进

具体方法同前一部分,进行工艺改进和原料管控,确保固晶胶原材料分子量分布指数(D)在1~3范围内以及降低挥发份含量,减少含羟基的小分子交联剂挥发物。

 

三、 总结

 

经过以上分析我们可以知道LED封装过程中固晶烘烤后芯片电极附着的污染物为固晶胶。而固晶胶烘烤时挥发出来的含羟基小分子交联剂通过两种原因与电极发生吸附: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含羟基小分子交联剂与芯片电极发生静电吸附;通过实验验证我们可以看出经过碱水处理的芯片污染程度远大于带静电处理的芯片,因此我们推化学吸附为主要原因,静电吸附为次要原因。针对以上两种原因,我们有如下解决方案:

 

原因

解决方案

①含羟基小分子交联剂与芯片电极污染物发生化学吸附

芯片端

芯片清洗

芯片制作流程结束后增加清洗步骤,采用化学试剂清洗+水洗+烘烤+等离子体清洗的过程,消除芯片电极上的离子污染。

固晶胶端

工艺改进

将分子量分布较宽的原料,通过酸催化平衡反应对主要物料进行处理,实现分子量分布窄,减少小分子物质的含量,并通过薄膜蒸发、分子蒸馏等工艺措施进一步降低原料的挥发量,从而降低了小分子挥发物的污染。

原料把控

应用凝胶渗透色谱(GPC)法,管控每一批次配胶原料的分子量分布,保证配胶原料的分子量分布指数(D)在1~3范围内,确保固晶胶质量的稳定。

②含羟基小分子交联剂与芯片电极发生静电吸附

操作过程

规范操作

芯片使用(如扩晶、固晶)时,配备离子风扇及静电手环,严格按照规定操作,防止由于操作不当造成芯片带静电。

固晶胶端

工艺改进

具体方法同上,进行工艺改进和原料管控,确保固晶胶原材料分子量分布指数(D)在1~3范围内以及降低挥发份含量,减少含羟基的小分子交联剂挥发物。

原料把控

 

参考文献:

刘明星. 金属表面硅烷分子吸附及成膜动力学机理[D]. 中国地质大学(武汉), 2012.

阮宜平, 汤兵, 黄树焕. 有机物质在金属表面的吸附研究进展[J]. 表面技术, 2009, 38(2):70-72.

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