LCD 面板背光源中超细结构

miniLEDs 焊膏印刷的系列试验

——基于伙伴关系的合作确保了成功制造

作者:Heraeus Deutschland 公司:Stefan Mausner;Sebastian Fritzsche 博士; ASYS Automatisierungssysteme 公司:Lukas Sänger;Koh Young Europe 公司:Axel Lindloff; Christian Koenen GmbH 公司:Sebastian Bechmann

自从LED取代CFL管作为LCD屏幕的背光后,显示行业几乎没有新的创新。随着miniLEDs(微型LED)在背光模组中的应用,这种情况正在发生变化,miniLEDs使得液晶面板比OLED屏幕有更长的使用寿命和更好的图像对比度。此外,miniLEDs也将用于所谓的基于LED的视频墙。miniLEDs的使用实现了大面积显示,其性能远远超过了先前的技术。

使用miniLEDs的最大挑战是将这些微小元件组装和焊接到印制电路板(PCB)上,印制电路板容纳了驱动它们所需的电子电路。典型的miniLEDs边缘长度<240 μm;其焊盘需要具有电气和机械连接功能,通过传统的焊膏印刷和焊接过程与电路板连接,当然其焊盘是越来越小。久经验证,模板印刷是向PCB施加焊膏的最有效方法。组装miniLEDs所需的焊膏量由模板的开孔(孔径)大小来确定。

为了将极少量的焊膏均匀可靠地沉积在电路板上,要求焊膏粉末颗粒(焊球)直径需小于15 μm;同样,必须以最高精度制造模板。只有当印刷系统具有高精度对准功能,并使用对最细结构具有最佳释放性能的特殊印刷头,才能够有效地在该区域施加极小几何图形的焊膏。同时,一个能够可靠地检测到这样小的几何形状的集成测量系统,对于提高工艺可靠性和控制也是必要的。

Christian Koenen公司应用中心凭借其专业知识,致力于电路板组装和电子制造工艺的技术发展。应用中心作为一个协作平台,可以与客户一起开发满足苛刻需求的最佳解决方案。根据对这种组装的高要求,应用中心安装有空调,并被列为洁净室。这些是确保工艺条件能够可靠地维持在恒定水平的基本先决条件,就像下面描述的系列测试中的情况一样。

在这一系列的实验中,每种焊膏在不使用阻焊剂的情况下在印刷电路板上印刷10次。模板上有大约1 000个开孔,因此可以可靠地进行统计分析。在印刷过程中,模板底部从未清洗过。这样,就可以减少影响因素的数量,从而提高数据的可比性。在Meister S检测系统中直接对这些印刷结果进行检测。为了验证这一系列实验的结果,我们还使用了不同的显微镜和数码激光扫描仪。当时的印制电路板既没有组装,也没有焊接。

在Heraeus公司、Koh Young公司、ASYS公司和Christian Koenen公司的合作下,共同完成了一个可靠的实验装置。这些测试是在真实的条件下进行的,就像在生产线上一样,在这个过程中使用了商用的元件和材料。

用于一系列实验的系统和材料:

* ASYS SMD生产线由EKRA SERIO 5000印刷机以及各种传送和操作模块组成

* MiniLED焊膏Heraeus LED131(6型)和LED100(7型)

* CK Nanovate镍模板

* Koh Young Meister S检测系统

对于微型化的miniLED焊盘的几何形状,需要粒度小于15 μm的特殊超细焊料粉末,以获得可可靠用于此应用的焊膏。当模板厚度在15 μm到30 μm之间,开孔小于80 μm时,这些粉末可以可靠地减少潜在的印刷错误,如焊料体积大幅波动或焊膏沉积物完全缺失。在本文所述的研究中,使用了6型/7型特殊焊料粉末,由获得专利的Welco®工艺生产。在此过程中,焊料合金首先在高于其熔点范围的热稳定分散介质中加热。通过使用特殊的转子-定子程序,可产生熔化的、非常均匀的焊料颗粒。冷却后,得到我们所需的焊料粉末,其粒度分布非常窄(6型:5~15 μm/7型:2~11 μm)。它们的特点是非常好的球形(宽高比~1)和非常光滑的表面。这些焊料粉末参数有助于保证非常好的初始可印刷性以及所需的长期印刷稳定性,这在miniLED组装技术中尤为重要。

为了确保这些超细焊膏不仅具有良好的印刷性,而且具有必要的可焊性,Heraeus还为这些LED应用开发了优化的NC助焊剂配方系列(LED131/LED100),可以满足这些高要求。由于更小的颗粒尺寸,焊料粉末球体的表面积显著增加(较高的氧化),因此首先必须设计可靠的活化配方。其目的是使所有连接件(尤其是miniLEDs和基板)具有优异的润湿性以及低空洞率,而且同时保持必要的焊剂残留物的绝缘值(表面绝缘电阻SIR)。除了这些考虑因素和焊膏的标准要求,如低坍落度和低焊球形成,还要特别注意确保回流焊前焊膏有足够的粘性。这保证了在进行回流焊之前,焊接区的miniLEDs芯片保持在原位。

最近几年,Christian Koenen团队对CK镍模板材料进行了进一步的改进。开发出了新型模板材料CK Nanovate™镍。这种超级合金的推出使得用激光切割镍成为可能,而且不会形成微裂纹。因此,这种材料结合了镍和不锈钢模板的优点,却没有它们的缺点。

对可行的模板的物理特性进行比较,很容易发现,即使在非常薄的材料厚度下,CK Nanovate镍也具有显著的优势。

表1概述了商用的模板材料。  

由于该材料的颗粒尺寸小且强度高,因此可以在标准批量生产条件下生产厚度为15 μm或以上的模板。

为了形成miniLEDs的小焊膏沉积以及验证可印刷性极限,我们使用了材料厚度为15 μm至30 μm的模板进行印刷实验。这使我们能够评估不同的面积比和填充度。

为了确保我们获得了具有代表性的结果,我们决定使用以下开孔尺寸:45 μm×45 μm;60 μm×60 μm;和80 μm×80 μm。

由于在模板底面以及开孔内壁涂覆了等离子3.0涂层,使得非常小的开孔的印刷性得到进一步改善。等离子涂层降低了焊膏和模板之间的粘附力,从而使焊膏更好地从开孔中释放出来,减少了各个焊膏沉积之间以及后续印刷周期之间焊膏体积的分散性。

优化模板布局后,通过使用最佳模板技术(在框架上安装采用等离子3.0涂层的CK Nanovate镍模板),在miniLED焊盘上印刷的焊膏始终显现出高再现性。

众所周知,现代焊膏印刷系统具有高度的灵活性:EKRA印刷机可以动态地响应不断变化的需求。随着不断向小型化方向的发展,在微米范围内实现可靠的可重复的焊膏转移是必需的—这当然也适用于这里描述的miniLED应用。用于这一系列测试的可扩展的SERIO 5000印刷机平台将满足所有当前和未来的工艺要求。

决定焊膏成功转移的关键因素是基板的平整度及其与模板的共面性。它们直接影响分离过程中焊膏的释放行为。通常,miniLED基板只有十分之几毫米的厚度,因此容易弯曲。在高混合/小批量生产环境中,将MultiClamp传输系统与真空印刷相结合,可以进行此类应用:通过其顶部和侧面夹杆,该机构在印刷区边缘外支撑基板,然后伸缩夹将基板拉平。形成一个完全均匀的可用于焊膏印刷的表面。如果在生产线上只组装上述类型的产品,则使用专用传输系统。

毋庸置疑,可重复的高制造质量也需要可靠的可重复的操作条件。在系列测试中,这是由EKRA系统中印刷工作台的特殊设计所保证的。集成的测量系统保证了基板以微米级精度传送给模板,因此,每个单独的印刷过程都能达到最佳的密封效果。为了适应焊膏的释放行为,系统采用了高分辨率伺服电机,并对分离过程中的速度和行程进行了精细优化。

EKRA的先进印刷头是专门为超细间距应用而设计的,它也为印刷结果带来了显著的改进:刮刀在一个狭窄的压力公差窗口内精确移动。此外,模板在分离过程中不受任何压力的影响,从而对焊膏释放过程中的共面性和力的均匀分布产生积极影响。

所有的相关印刷参数通过EKRA高级闭环接口连续传送到Koh Young KPO检测解决方案,记录并自动优化。通过这种方式,刮刀和分离行为可以在不需要任何操作人员干预的情况下进行微调,适用于高度小型化的miniLED等的应用。

在自动光学检测中,在检测速度和测量精度之间找到一个可行的折衷方案是非常必要的。这是因为相机只能分辨一定数量的像素。像素大小反过来又与精度相关。越小,越精确。

在SPI系统中处理miniLEDs也与像素大小有关。在这个应用中,这意味着LED越小,显示的分辨率就越好。对于焊膏的印刷和检测,这意味着首先必须以高重复性印刷这些非常小的结构和低印刷高度的焊膏,然后同样通过优秀的仪器进行检查。对于完全可重复的测量,我们需要大约100像素的信息。这意味着可以快速地从图案大小推断出检测系统所需的分辨率。另一个重要方面是z分辨率。光学测量系统评估单个像素之间的灰度值相移。为了达到这个目的,光线从侧面以确定的角度投射到相机的视场中。如果我们将其简化为三角测量,很快就会发现投影角度和像素大小与Z高度分辨率相关。

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