劉傳標，劉曉鋒，趙 強

（佛山市國星光電股份有限公司，廣東佛山528000）

高可靠性LED顯示屏SMD器件封裝關鍵技術

劉傳標，劉曉鋒，趙 強

（佛山市國星光電股份有限公司，廣東佛山528000）

隨著LED顯示屏技術的快速發(fā)展及其應用領域的拓寬，LED顯示屏市場的競爭也空前激烈。而LED器件的封裝處于LED產業(yè)鏈的中游，競爭愈發(fā)激烈。國內封裝廠商為降低LED封裝成本多采用更加廉價的材料，如芯片的切小、PLCC鐵支架、銅線替代金線等方式。同時追求高生產效率，從而導致產品性能和可靠性降低，阻礙了LED顯示屏市場的健康發(fā)展。因此，有必要開發(fā)出面向高端LED顯示屏市場的高可靠性LED器件。實驗證明，通過獨特的結構設計、合適的材料選型、嚴格的工藝管控以及汽車AEC-Q101高可靠性標準的引入等方面著手，可顯著提升LED器件的可靠性。

高可靠性；LED顯示屏；封裝；汽車標準；SMD器件

近幾年，LED顯示屏從研發(fā)到生產都取得了長足的進步，已發(fā)展成為重要的現(xiàn)代信息發(fā)布媒體手段，在證券交易、金融、交通、體育以及廣告等領域得到廣泛應用［1］。LED顯示屏在娛樂文化和戶外體育等新需求以及小間距顯示屏等新產品的帶動下，其市場規(guī)模仍將保持每年15%～20%的增速。預計到2020年，全球LED顯示屏的市場規(guī)模將超過300億美元。隨著社會信息化的進程加快，LED顯示屏在信息顯示領域的應用將會愈加廣闊［2］。

與傳統(tǒng)顯示屏相比，LED顯示屏由于具有壽命長、節(jié)能環(huán)保、顯示性能優(yōu)越、發(fā)熱量小、應用范圍廣等優(yōu)點受到市場的廣泛青睞。LED器件占LED顯示屏成本約40%～70%，LED顯示屏成本的大幅下降得益于LED器件的成本降低，而成本的降低勢必會影響LED器件乃至LED顯示屏的品質。LED封裝質量的好壞對LED顯示屏的質量影響較大。封裝可靠性的關鍵包括芯片材料的選擇、封裝材料的選擇及工藝管控。另外，嚴格的可靠性標準也是檢驗高品質LED器件的關鍵。

隨著LED顯示屏逐漸向著高端市場的滲透，對LED顯示屏器件的品質要求也越來越高，例如，在LED的可靠性評估中引入一套更為嚴格的可靠性評判標準，即汽車標準AEC-Q101。傳統(tǒng)的LED顯示器件通常是以高性價比為目標，其可靠性很難滿足高品質LED顯示屏要求。本文就高品質LED顯示屏器件封裝實際經驗，分析傳統(tǒng)的LED顯示屏器件封裝的現(xiàn)狀及存在問題，探討實現(xiàn)高品質LED顯示屏器件的關鍵技術。

1 LED顯示屏器件封裝的現(xiàn)狀

SMD（Surface Mounted Devices）指表面貼裝型封裝結構LED，主要有PCB板結構的LED（Chip LED）和PLCC結構的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顯示屏器件封裝所用的主要材料組成包括支架、芯片、固晶膠、鍵合線和封裝膠等。下面從封裝材料方面來介紹目前國內的一些基本發(fā)展現(xiàn)狀。

1.1 LED支架

（1）支架的作用。PLCC（Plastic Leaded Chip Carrier）支架是SMD LED器件的載體，對LED的可靠性、出光等性能起到關鍵作用。

（2）支架的生產工藝。PLCC支架生產工藝主要包括金屬料帶沖切、電鍍、PPA（聚鄰苯二酰胺）注塑、折彎、五面立體噴墨等工序。其中，電鍍、金屬基板、塑膠材料等占據(jù)了支架的主要成本。

（3）支架的結構改進設計。PLCC支架由于PPA和金屬結合是物理結合，在過高溫回流爐后縫隙會變大，從而導致水汽很容易沿著金屬通道進入器件內部從而影響可靠性［3］。

為提高產品可靠性以滿足高端市場需求的高品質的LED顯示器件，部分封裝成廠改進了支架的結構設計，如佛山市國星光電股份有限公司采用先進的防水結構設計、折彎拉伸等方法來延長支架的水汽進入路徑，同時在支架內部增加防水槽、防水臺階、放水孔等多重防水的措施［4］，如圖1所示。該設計不僅節(jié)省了封裝成本，還提高了產品可靠性，目前已經大范圍應用于戶外LED顯示屏產品中。通過SAM（Scanning Acoustic Microscope）測試折彎結構設計的LED支架封裝后和正常支架的氣密性，結果可以發(fā)現(xiàn)采用折彎結構設計的產品氣密性更好，如圖2所示。

圖1 PLCC支架剖面對比

圖2 兩種支架封裝后器件的氣密性在SAM下的對比

1.2 芯片

LED芯片是LED器件的核心，其可靠性決定了LED器件乃至LED顯示屏的壽命、發(fā)光性能等。LED芯片的成本占LED器件總成本也是最大的。隨著成本的降低，LED芯片尺寸切割越來越小，同時也帶來了一系列的可靠性問題。LED藍綠芯片的結構如圖3所示。

圖3 芯片結構

由圖3可知，隨著尺寸的縮小，P電極和N電極的pad也隨之縮小，電極pad的縮小直接影響焊線質量，容易在封裝過程和使用過程中導致金球脫離甚至電極自身脫離，最終失效。同時，兩個pad間的距離a也會縮小，這樣會使得電極處電流密度的過度增大，電流在電極處局部聚集，而分布不均勻的電流嚴重影響了芯片的性能［5］，使得芯片出現(xiàn)局部溫度過高、亮度不均勻、容易漏電、掉電極、甚至發(fā)光效率低等問題，最終導致LED顯示屏可靠性降低。

1.3 鍵合線

鍵合線是LED封裝的關鍵材料之一，它的功能是實現(xiàn)芯片與引腳的電連接，起著芯片與外界的電流導入和導出的作用。LED器件封裝常用鍵合線包括金線、銅線、鍍鈀銅線以及合金線等。

（1）金線。金線應用最廣泛，工藝最成熟，但價格昂貴，導致LED的封裝成本過高。

（2）銅線。近幾年有些廠商已經開始采用更加廉價的銅線作為鍵合絲，應用于中低端LED顯示屏器件中。銅線代替金絲具有廉價、散熱效果好，焊線過程中金屬間化合物生長數(shù)度慢等優(yōu)點［6］。缺點是銅存在易氧化、硬度高及應變強度高等。尤其在鍵合銅燒球工藝的加熱環(huán)境下，銅表面極易氧化，形成的氧化膜降低了銅線的鍵合性能，這對實際生產過程中的工藝控制提出更高的要求，對產品的可靠性影響非常大。

（3）鍍鈀銅線。為了防止銅線氧化，鍍鈀鍵合銅絲逐漸受到封裝界的關注。鍍鈀鍵合銅絲具有機械強度高、硬度適中、焊接成球性好等優(yōu)點非常適用于高密度、多引腳集成電路封裝［7］。

1.4 膠水

目前，LED顯示屏器件封裝的膠水主要包括環(huán)氧樹脂和有機硅兩類。

（1）環(huán)氧樹脂。環(huán)氧樹脂易老化、易受濕、耐熱性能差，且短波光照和高溫下容易變色，在膠質狀態(tài)時有一定的毒性，熱應力與LED不十分匹配，會影響LED的可靠性及壽命。所以通常會對環(huán)氧樹脂進行攻性。

（2）有機硅。有機硅相比環(huán)氧樹脂具有較高的性價比、優(yōu)良的絕緣性、介電性和密著性。但缺點是氣密性較差，易吸潮。所以很少被使用在LED顯示屏器件的封裝應用中。

另外，高品質LED顯示屏對顯示效果也提出特別的要求。有些封裝廠采用添加劑的方式來改善膠水的應力，同時達到啞光霧面的效果。如佛山市國星光電股份有限公司的星悅系列LED器件采用改性的膠水，從而實現(xiàn)啞光效果。如圖4左圖的常規(guī)產品的無啞光處理和啞光處理的LED器件對比可以看出，啞光處理后，器件表面無鏡面反射，舒適度高；進一步地，為了使顯示更加柔和，高品質的LED顯示器件通常會膠水中添加合適的散射粉，從而實現(xiàn)面出光。圖4右圖所示星悅的面出光LED顯示器件，面出光光線均勻更加柔和。

圖4 常規(guī)的LED顯示器件和星悅的面出光LED器件出光效果對比

2 LED顯示屏器件封裝的可靠性標準

AEC（Automotive Electronics Council）汽車電子協(xié)會，是克萊斯勒、福特和通用汽車為建立一套通用的零件資質及質量系統(tǒng)標準而設立，以車載電子部件的可靠性以及認定標準的規(guī)格化為目的的團體。AEC建立了嚴格的質量控制標準，推動了汽車零件通用性的實施，為汽車零部件市場的快速成長打下了良好的基礎。

AEC的標準有3個細分領域應用，分別為AEC-Q101、AEC-Q200和AEC-Q201。由于LED屬于分立半導體元件，參考AEC-Q101，包括以下幾個項目。

（1）AEC-Q101 Rev-C1。

（2）AEC-Q101 Rev-C base document。

（3）AEC-Q101-001-Rev-A。

（4）AEC-Q101-002-Rev-A。

（5）AEC-Q101-003-Rev-A。

（6）AEC-Q101-004-Rev-。

（7）AEC-Q101-005-Rev-。

（8）AEC-Q101-006-Rev-。

AEC由于項目齊全，條件嚴苛，部分封裝廠開始應用該標準來對LED器件的可靠性進行檢測和評判，這對LED顯示屏行業(yè)是一大進步，大大提高LED顯示屏的可靠性和壽命。

3 結論

LED器件的可靠性水平直接決定了LED顯示屏的使用壽命和顯示效果。在競爭激烈的市場環(huán)境下不斷追求成本的降低，有些封裝廠采用了較為低廉的材料，如鐵支架和銅線的使用等，甚至將芯片尺寸不斷切小，使得LED器件的可靠性大幅下滑。也有部分封裝廠堅持技術創(chuàng)新，不斷提升產品的性能，從而提高產品的可靠性。少數(shù)有實力的廠家通過最優(yōu)材料的搭配、先進的防水結構的設計、霧面啞光的膠水工藝等不同的方面來提升性能，同時引入汽車級標準AEC-Q101進行可靠性測試及監(jiān)控，生產出高品質的LED顯示屏器件。

［1］關積珍.LED顯示屏的技術及其市場和產業(yè)發(fā)展［J］.激光與紅外,2003（6）:466-470.

［2］劉小光.如何選擇戶外LED顯示屏［J］.建筑電氣,2015（36）:238.

［3］夏勛力,麥家兒,唐永成.TOPLED器件熱塑性支架氣密性研究［J］.電子與封裝,2012（9）:42-45.

［4］劉傳標,黃祜樞,顧峰,等.一種戶外顯示屏用表面貼裝型高防水LED支架及其產品:中國,CN103117350B［P］. 2011-11-17.

［5］周圣軍.大功率GaN基LED芯片設計與制造技術研究［D］.上海:上海交通大學,2011:3-56.

［6］徐慧,杭春進,王春青,等.金銅絲球鍵合焊點的可靠性對比研究［J］.電子工業(yè)專用設備,2006,35（5）:23.

［7］王忠遠.銅線鍵合工藝技術在封裝中的研究與應用［D］.成都:電子科技大學,2013:18-74.

［8］王芳.大功率LED封裝材料的研究進展［J］.材料導報（綜述篇）,2012:56-59.

【責任編輯：任小平 renxp90@163.com】

Key encapsulation technology of high reliability SMD for LED disp lay application

LIU Chuan-biao,LIU Xiao-feng,ZHAO Qiang
（Foshan Nation Star Optoelectronics Co.Ltd.,Foshan 528000,China）

With the rapid developmentof LED display technology and the broadened application of LED display device in other fields,the LED display devicemarkets undergo the fiercest competition than before.While,LED device packagingwhich is located in themiddle of the industrial chain of LEDmarket also exhibits a trend of increasingly fierce competition.Chinese factoriesmostly adopt cheaper materials to reduce the cost of LED device packaging by using the smaller cutting chips,PLCC iron bracketsand copperwires instead ofgold wires, etc.Meanwhile,they excessively pursue high productivity.Asa consequence,the performance and reliability of products is declining,which hinders the healthy development of LED display devicemarkets.Therefore,it is necessary to develop LED deviceswith high reliability to satisfy the high-end LED display devicemarkets.The resultsofexperimentdemonstrate that the reliability of LED display device can be greatly improved by adopting unique structural designing,optimized raw materials,strict quality management system and high reliability standard of AEC-Q101which isapplied toautomobilemanufacturing,etc.

high reliability;LED display;package;automotive standard;SMD components

TN873

A

2016-04-07

劉傳標（1984-），男，貴州盤縣人，佛山市國星光電股份有限公司工程師。

1008-0171（2017）04-0067-04