本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有用于微顯示的LED芯片使用過(guò)程分析，指出目前使用過(guò)程中主要限制問(wèn)題，設(shè)計(jì)三種電極焊盤表面結(jié)構(gòu)，并完成芯片制作；通過(guò)對(duì)三組實(shí)驗(yàn)品的外觀及固晶后推力進(jìn)行對(duì)比評(píng)估，指出三組芯片焊盤表面電極結(jié)構(gòu)各自的優(yōu)缺點(diǎn)及適用性，對(duì)后續(xù)芯片選擇具有一定指導(dǎo)意義。
前言
隨著近年來(lái)的技術(shù)發(fā)展，作為LED在顯示上的一個(gè)重要應(yīng)用，小間距顯示屏在進(jìn)入室內(nèi)顯示后，逐漸走向成熟。傳統(tǒng)的小間距顯示由于像素間距的影響以及分立器件的固有缺陷，依然存在顯示視距不足、摩爾紋等現(xiàn)象，為滿足人們不斷追求顯示效果的需求，以及進(jìn)一步擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域，小間距顯示在往更小點(diǎn)間距發(fā)展的道路上不斷前進(jìn)，這就意味這芯片的尺寸不斷減小，Mini LED由于其能夠避免原有芯片的種種缺陷，而成為更小點(diǎn)間距的唯一選擇，同時(shí)也成為近兩年業(yè)界研究的熱點(diǎn)。
今年以來(lái)各類相關(guān)應(yīng)用也不斷展出，目前常規(guī)Mini LED結(jié)構(gòu)皆采用倒裝結(jié)構(gòu)，芯片尺寸在100*300um之間，受到芯片及電極NP電極間隔尺寸的限制，芯片的焊盤尺寸較小。同時(shí)為克服分立器件尺寸對(duì)點(diǎn)間距限制，Mini LED大多采用集成封裝（COB）方式進(jìn)行，其對(duì)作業(yè)過(guò)程中的穩(wěn)定性一致性等要求較高，因此在封裝過(guò)程中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的芯片與基板的焊接是Mini LED應(yīng)用過(guò)程最重要的環(huán)節(jié)之一。
本文從芯片端出發(fā)，制作不同電極焊盤結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)比焊接過(guò)程后的參數(shù)表現(xiàn)，分析對(duì)芯片及封裝的影響，為后續(xù)使用提供一定經(jīng)驗(yàn)。
機(jī)理分析及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
針對(duì)倒裝LED芯片焊接，常規(guī)方式是回流焊及共晶焊兩種方式。
其中常規(guī)回流焊方式，封裝過(guò)程中通過(guò)錫膏固定方式進(jìn)行，對(duì)應(yīng)電極表面為Au結(jié)構(gòu)，具體的需要在基板對(duì)應(yīng)焊盤位置點(diǎn)錫膏，再固定芯片，然后再按照一定的溫度曲線通過(guò)回流焊爐進(jìn)行高溫固化，錫膏的選擇決定了固化所有需要的溫度，通常會(huì)在180~260℃之間進(jìn)行選擇，溫度相對(duì)較低，與芯片制程溫度基本一致，對(duì)芯片結(jié)構(gòu)影響較小，同時(shí)由于Mini LED芯片及焊盤尺寸較小，錫膏使用量及位置準(zhǔn)確度極為重要，與此同時(shí)芯片電極焊盤對(duì)錫膏的適應(yīng)性也較為重要，若防護(hù)不足，極易發(fā)生電極侵蝕而脫落情況。
另一種共晶焊，封裝過(guò)程中通過(guò)助焊劑固定方式進(jìn)行，對(duì)應(yīng)芯片電極焊盤表面為AuSn結(jié)構(gòu)，具體的需要在基板對(duì)應(yīng)焊盤位置點(diǎn)助焊劑，再固定芯片，然后再按照一定的溫度曲線進(jìn)行高溫固化，過(guò)程中由于AuSn材料本身共晶溫度限制，通常最高溫度在320℃左右，對(duì)芯片結(jié)構(gòu)及輔材等高溫的穩(wěn)定要求較高，但其避免了小尺度下錫膏控制的問(wèn)題。
在以上兩種方式之外，另一種目前在IC集成封裝工藝中用到的鍍錫工藝則集合了以上兩種方式的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)芯片電極焊盤表面采用Sn結(jié)構(gòu)，具體的需要在基板對(duì)應(yīng)焊盤位置點(diǎn)助焊劑，再固定芯片，然后按照一定的溫度曲線進(jìn)行高溫固化，溫度方面與常規(guī)回流焊類似，芯片電極焊盤表面SnAg成份決定了固化所使用的溫度，目前常用溫度在240℃左右，該方式一方面避免了錫膏情況下的精準(zhǔn)控制問(wèn)題，另一方面固化溫度也在相對(duì)較低位置，但芯片制程相對(duì)復(fù)雜，同時(shí)芯片結(jié)構(gòu)對(duì)最終效果影響較大。
考慮以上三種方式對(duì)芯片及封裝效果的影響，本文采用三種方式制作同尺寸Mini LED芯片，再按照對(duì)應(yīng)焊接所需溫度曲線進(jìn)行芯片與基板焊接，然后從外觀、性能、推力等方面進(jìn)行測(cè)試分析。
實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備及實(shí)施
1、芯片制備
按照現(xiàn)行芯片工藝，選擇外延片進(jìn)行常規(guī)工藝流水，電極焊盤制作前暫停分為3組，其中組1在電極焊盤制作時(shí)采用現(xiàn)行Au電極結(jié)構(gòu)，焊盤厚度2.4um，組2在常規(guī)電極制作后，采用使用熱蒸發(fā)方式，使用有研億金新材料有限公司 AuSn材料（99.999%）制作AuSn焊接層（Au80%：Sn20%），厚度4um，組3在常規(guī)電極制作后，在電極焊盤位置制作焊錫層（Sn97% :Ag3%）焊層厚度10um, 從制作過(guò)程看，常規(guī)Au電極及AuSn鍍層采用蒸發(fā)方式進(jìn)行，整體良率較為穩(wěn)定，焊錫層制作時(shí)，由于過(guò)程中含有一定腐蝕性成份，需要在芯片表面非鍍膜區(qū)域做鈍化加強(qiáng)，防止作業(yè)過(guò)程中出現(xiàn)芯片結(jié)構(gòu)的損傷，同時(shí)整個(gè)鍍膜制作過(guò)程中參數(shù)調(diào)整對(duì)最終良率影響較大，三組樣品焊盤表面SEM形貌正面及側(cè)面對(duì)照如下：
其中圖1為組1表面為Au結(jié)構(gòu)芯片；圖2為組2表面為AuSn結(jié)構(gòu)芯片；圖3為組3表面為鍍Sn結(jié)構(gòu)芯片；由上圖可以看出，組1及組2樣品在完成電極制作后，焊盤表面較為平整，但一次電極結(jié)構(gòu)表現(xiàn)明顯，組3由于制作方式原因，焊盤表面相對(duì)粗糙，但由于整體厚度較厚，底層一次電極形貌未表現(xiàn)出，同時(shí)由于Au材料屬性限制，在測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試探針極易在焊盤表面形成明顯痕跡。
在完成芯片前道作業(yè)流水后，將3組按照常規(guī)方式進(jìn)行研磨劃裂，同機(jī)臺(tái)測(cè)試結(jié)果如下：
表1 測(cè)試匯總
由以上測(cè)試結(jié)果，3組芯片光電性能參數(shù)基本一致，綜合良率基本一致，其中組3，Ir良率略低，通過(guò)觀察芯片表面，部分區(qū)域出現(xiàn)金屬沾污，這主要是由于制作鍍錫層后，溶液清洗過(guò)程中產(chǎn)生，導(dǎo)致出現(xiàn)漏電通道產(chǎn)生漏電，這也是在該工藝實(shí)施過(guò)程中，最主要控制環(huán)節(jié)。
2、芯片封裝
從以上3組制備完成樣品中，各自選取50pcs參數(shù)相同晶粒進(jìn)行封裝樣品制作，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件，錫膏使用晨日科技ES1000實(shí)驗(yàn)組2/3助焊劑使用晨日科技ES930系列（粘附強(qiáng)度15mg/mm^2）固晶完成后使用型號(hào)為SIKAMA Falcon 5C的5溫區(qū)回流焊機(jī)進(jìn)行，三組作業(yè)過(guò)程如下（回流焊曲線）：
其中組1使用圖a曲線，組2使用圖b曲線
過(guò)溫完成后，焊接形貌情況如下：
由圖4顯示：三組差異較為明顯，其中組2、組3由于未使用錫膏，外觀較好，完全避免錫膏過(guò)量的問(wèn)題，組1封裝在使用錫膏過(guò)程中，易發(fā)生類似錫膏過(guò)量導(dǎo)致的芯片歪斜現(xiàn)象，同時(shí)由于芯片焊盤間距為100um,因此在錫膏過(guò)量情況下，固晶過(guò)程導(dǎo)致錫膏擠壓流動(dòng)，容易產(chǎn)生焊盤連同，形成漏電通道，造成最終失效。
結(jié)果與分析
使用型號(hào)為TRY MFM1200多功能推拉力測(cè)試機(jī)（下圖a）對(duì)三組樣品進(jìn)行推力測(cè)試，數(shù)據(jù)采集效果曲線如圖（下圖b）。
每組實(shí)驗(yàn)品測(cè)試10pcs,對(duì)推力測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表2），同時(shí)對(duì)推晶過(guò)程中掉落芯片電極表面進(jìn)行SEM分析如下：
從推力測(cè)試匯總數(shù)據(jù)看，實(shí)驗(yàn)組3（鍍Sn）推力明顯高于組1及組2，組2推力最低，推落芯片焊盤完整，但形貌相對(duì)有一定差異。結(jié)合前述樣品制作與封裝過(guò)程推測(cè)：組1推力相對(duì)偏低與所使用錫膏粒徑偏大有關(guān)，用于測(cè)試晶粒焊盤面積為76*62um,因此在封裝過(guò)程中，會(huì)導(dǎo)致部分晶粒焊盤下錫量不足，進(jìn)而表現(xiàn)為推力不足，在組1SEM圖像上可以明顯發(fā)現(xiàn)，有較大區(qū)域空洞位置，同樣對(duì)于組2樣品，受制于芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原因（目前全部為DBR工藝），在前述芯片SEM圖像中，焊盤正面平整面積較小，底層電極圖像明顯，因此在固晶過(guò)程中，芯片會(huì)產(chǎn)生輕微傾斜，后續(xù)回流焊過(guò)程中易在焊盤對(duì)應(yīng)位置產(chǎn)生大量空洞，導(dǎo)致焊力不足；對(duì)于組3，由于后續(xù)鍍錫制程所制作錫層厚度達(dá)10um，焊盤表面未表現(xiàn)出底層電極結(jié)構(gòu)，相對(duì)平整，因此在固晶及過(guò)溫后，芯片與基本貼合緊密，后期使用可靠性更高。
綜合以上3組實(shí)驗(yàn)品情況，由于目前小尺寸芯片因可靠性問(wèn)題都采用DBR結(jié)構(gòu)的倒裝結(jié)構(gòu)，其底層一次電極結(jié)構(gòu)在焊盤表面表現(xiàn)明顯，且占據(jù)較大比例，因此電極表面采用AuSn結(jié)構(gòu)(組2)在現(xiàn)有封裝過(guò)程中易產(chǎn)生空洞，其并不適用于現(xiàn)有常規(guī)制程下的小尺寸倒裝芯片。電極表面采用Au結(jié)構(gòu)（組1），其采用錫膏方式固晶使用，能適用于現(xiàn)有制程，但使用過(guò)程中需結(jié)合焊盤大小選擇合適粒徑錫膏，有助于提高焊接可靠性，同時(shí)錫膏使用量對(duì)封裝良率影響較大，電極表面采用鍍Sn結(jié)構(gòu)（組3），芯片制程較為復(fù)雜，對(duì)芯片良率稍有影響，但在封裝過(guò)程及推力表現(xiàn)較優(yōu)。
結(jié)論
基于前述實(shí)驗(yàn)及分析，針對(duì)目前微顯示LED芯片焊盤結(jié)構(gòu)，由于芯片工藝路線限制，AuSn結(jié)構(gòu)不適用于該應(yīng)用下芯片，表面Au結(jié)構(gòu)，符合現(xiàn)有常規(guī)倒裝芯片使用方式，但錫膏選擇及封裝過(guò)程控制要求較高，表面鍍Sn結(jié)構(gòu)，芯片制程較為復(fù)雜，成本略高，但封裝使用效果較優(yōu)，封裝應(yīng)用廠商可根據(jù)自己的需要選擇合適芯片焊盤結(jié)構(gòu)。
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來(lái)源：華燦光電
作者：張威，戴廣超，付杰，陳亮，王江波
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