采用焊料转印/针转印组装倒装芯片LED

作者: Alpha Assembly Solutions公司Gyan Dutt,Srinath Himanshu,Nicholas Herrick,Amit Patel,Ranjit Pandher

倒装芯片和芯片级封装(CSP)发光二极管(LED)正越来越多地应用于电视背光和移动闪存。最近又被应用于汽车内饰、街道照明,甚至一般的照明应用。具有体积小、光学性能好、热损耗小、无金属丝粘结等优点,使其能够在较低的成本下获得无比的高流明密度。

金锡共晶(AuSn 80/20)是倒装芯片发光二极管(LED)选用的芯片贴装材料。最近,为了使这些器件与SMT兼容,业界已付出了很多的努力。然而,这些小封装的SMT组装面临着新的挑战。封装漂浮和倾斜都会导致组件成品率低于平均水平。由于倒装芯片LEDs是小间隙矩形互连焊盘,间隙还将向越来越小的方向发展,因而更加棘手。还有,由于焊剂残留和反向偏压漏电流,光通量退化等性能问题仍然存在。

本研究采用针转印(亦称转印)工艺,用细间隙焊膏组装倒装芯片CSP LEDs。改变焊膏储液高度和芯片粘接条件,可以优化商业化应用的倒装芯片CSP的焊料铺展、空洞率及芯片剪切力。此外,还介绍了LED(组装后)清洗对光输出和颜色影响的初步研究结果。

这项研究与LED封装和LED模块组装制造商相关,他们将倒装芯片技术应用于汽车、背光和一般的照明应用。

LED芯片结构

有三种主要的LED芯片结构,如图1所示。横向结构由横向隔开的电极(每个电极有一根键合线)组成,用于低功率应用。垂直结构,用于大多数高功率和超高功率应用,由底部的一个导电基板构成底部电极,电流在垂直方向上流动。倒装芯片结构,两电极在一侧、面朝下倒装在基板上。它比垂直结构具有较低的成本,提供最高的流明密度。这三种结构都可以直接安装在基板上,形成板上芯片(COB)模块。

倒装芯片与芯片尺寸封装LED

倒装芯片LED结构(如上所述)具有高流明密度(和低流明/美元)的优势,本质上是具有较大接触面积的电气和导热焊盘取代了引线键合。散热性能的提高,使芯片可以高电流驱动,而不需要昂贵的高导电基板(如CuW),同时减少了引线键合的缺陷,延长了使用寿命。体积小(和无引线键合表面)也使光学设计更容易,从而进一步降低成本。

最近,大多数LED制造商都在努力使用倒装芯片结构,使引脚尺寸非常接近倒装芯片焊盘的芯片尺寸封装(CSP)与焊接工艺(和SMT回流焊工艺)相兼容,尤其是COB应用。他们的想法是在晶圆级进行与焊盘兼容的焊接(有时甚至互连)。然后,通过高精度芯片贴装机贴装芯片(在基板上印刷或转印焊料),或者最好是由SMT生产线上的普通SMT贴片机(有时也称为芯片射贴机)贴装芯片。

SMT方案非常有吸引力有多个原因。虽然它在后道增加了一步(焊盘),但是它完全跳过了传统的封装(芯片粘贴在子安装基板并引线键合)步骤。因此,组件制造商可以购买CSP,并在SMT生产线上直接组装(更便宜更高生产能力的设备)。

实验

在这项研究中,采用针转印工艺组装商用的倒装芯片LEDs。

针转印(也称为转印)采用一根针(或与芯片引脚相匹配的一组针)转印储料器中的焊料到基板上。然后在基板(已有转印焊料)上对准并贴放芯片,进行回流焊。针转印工艺在横向结构(mesa)和垂直结构LED芯片贴装中是一种很受欢迎的方法,因为这种方法具有非常高的生产能力(高达10 000 芯片/小时),并和SMT相兼容。与传统的印刷工艺相比,薄的粘接层(一般5~15μm)确保了较低的热阻。

采用ASM针转印芯片贴装机ASMD838L进行免清洗焊膏的针转印。将市售的UV倒装芯片(Lumileds公司的)组装在定制的银涂饰的引线框架上。用Heller 7温区回流焊炉焊接组件。倒装芯片的焊盘和基板焊盘如图2所示,所使用的回流焊温度曲线如图3所示。

首先研究焊膏针转印的稳定性,在一般的轮班制8 h工作时间内,在FR4基板上安装1 mm×1 mm的仿制品硅芯片(Cr/Ni/Au涂饰)。记录在8 h内的转印焊膏体积(这转化成粘接层厚度控制)、芯片剪切力和剪切失效模式。

接下来将倒装芯片组装在基板上。记录针转印储液高度变化对焊缝大小、空洞率和剪切力的影响。

组装后的组件在在线、超声波批量清洗工作站清洗,清洗温度60 ℃,清洗剂为ZESTRON公司的不同化学品清洗剂。对清洗过的和未清洗的组件在老化前后(150 ℃,1 000 h)的辐射通量进行表征。本文探讨了初步的预老化结果。

结果

焊膏的针转印体积稳定性如图4所示。可以看出,在8小时内,体积变化最大15%(8 h内每隔1 h的最大和最小体积之间的差异)。这转化成8 h结束后粘接层厚度(BLT)约 2μm的变化,满足几乎所有应用的规范要求(测得的BLT变化如图5所示)。

下面讨论储液厚度的优化结果。粘结力必须保持在粘结剂范围的低端(30~50 g),以防止过多挤出,而粘接时间应保持尽可能低,以确保高生产能力。因此,储液厚度优化成为保证焊盘之间没有桥接的关键,同时有足够的焊料体积以获得足够的芯片抗剪强度。倒装芯片LED的有源发光区域接近芯片底部,重要的是要确保互连材料(在这种情况下是焊料)不阻挡这些有源发光区。

图6给出了回流焊前不同储液高度下转印的焊膏、芯片贴装后焊膏的挤出和芯片-基板组件的X射线图。回流焊后的组件如图7所示。需要注意的是,在所有的储液高度下,芯片焊盘之间的焊料挤都是受控的,绝对没有桥接(在X光镜头下可清楚地看见)。

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