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Mini LED显示屏芯片焊盘表面结构对封装的影响分析
2019-01-31 22:44:45
随着近年来的技术发展，作为LED在显示上的一个重要应用，小间距显示屏在进入室内显示后，逐渐走向成熟。传统的小间距显示由于像素间距的影响以及分立器件的固有缺陷，依然存在显示视距不足、摩尔纹等现象，为满足人们不断追求显示效果的需求，以及进一步扩展应用领域，小间距显示在往更小点间距发展的道路上不断前进，这就意味这芯片的尺寸不断减小，Mini LED由于其能够避免原有芯片的种种缺陷，而成为更小点间距的唯一选择，同时也成为近两年业界研究的热点，今年以来各类相关应用也不断展出，目前常规Mini LED结构皆采用倒装结构，芯片尺寸在100*300um之间，受到芯片及电极NP电极间隔尺寸的限制，芯片的焊盘尺寸较小。同时为克服分立器件尺寸对点间距限制，Mini LED大多采用集成封装（COB）方式进行，其对作业过程中的稳定性一致性等要求较高，因此在封装过程中实现稳定可靠的芯片与基板的焊接是Mini LED应用过程最重要的环节之一，本文从芯片端出发，制作不同电极焊盘结构，通过对比焊接过程后的参数表现，分析对芯片及封装的影响，为后续使用提供一定经验。
1、机理分析及实验设计
针对倒装LED芯片焊接，常规方式是回流焊及共晶焊两种方式，其中常规回流焊方式，封装过程中通过锡膏固定方式进行，对应电极表面为Au结构，具体的需要在基板对应焊盘位置点锡膏，再固定芯片，然后再按照一定的温度曲线通过回流焊炉进行高温固化，锡膏的选择决定了固化所有需要的温度，通常会在180~260℃之间进行选择，温度相对较低，与芯片制程温度基本一致，对芯片结构影响较小，同时由于Mini LED芯片及焊盘尺寸较小，锡膏使用量及位置准确度极为重要，与此同时芯片电极焊盘对锡膏的适应性也较为重要，若防护不足，极易发生电极侵蚀而脱落情况。另一种共晶焊，封装过程中通过助焊剂固定方式进行，对应芯片电极焊盘表面为AuSn结构，具体的需要在基板对应焊盘位置点助焊剂，再固定芯片，然后再按照一定的温度曲线进行高温固化，过程中由于AuSn材料本身共晶温度限制，通常最高温度在320℃左右，对芯片结构及辅材等高温的稳定要求较高，但其避免了小尺度下锡膏控制的问题。
在以上两种方式之外，另一种目前在IC集成封装工艺中用到的镀锡工艺则集合了以上两种方式的优点，对应芯片电极焊盘表面采用Sn结构，具体的需要在基板对应焊盘位置点助焊剂，再固定芯片，然后按照一定的温度曲线进行高温固化，温度方面与常规回流焊类似，芯片电极焊盘表面SnAg成份决定了固化所使用的温度，目前常用温度在240℃左右，该方式一方面避免了锡膏情况下的精准控制问题，另一方面固化温度也在相对较低位置，但芯片制程相对复杂，同时芯片结构对最终效果影响较大。
考虑以上三种方式对芯片及封装效果的影响，本文采用三种方式制作同尺寸Mini LED芯片，再按照对应焊接所需温度曲线进行芯片与基板焊接，然后从外观、性能、推力等方面进行测试分析。
3、实验准备及实施
3.1芯片制备
按照现行芯片工艺，选择外延片进行常规工艺流水，电极焊盘制作前暂停分为3组，其中组1在电极焊盘制作时采用现行Au电极结构，焊盘厚度2.4um，组2在常规电极制作后，采用使用热蒸发方式，使用有研亿金新材料有限公司 AuSn材料（99.999%）制作AuSn焊接层（Au80%：Sn20%），厚度4um，组3在常规电极制作后，在电极焊盘位置制作焊锡层（Sn97% :Ag3%）焊层厚度10um, 从制作过程看，常规Au电极及AuSn镀层采用蒸发方式进行，整体良率较为稳定，焊锡层制作时，由于过程中含有一定腐蚀性成份，需要在芯片表面非镀膜区域做钝化加强，防止作业过程中出现芯片结构的损伤，同时整个镀膜制作过程中参数调整对最终良率影响较大，三组样品焊盘表面SEM形貌正面及侧面对照如下：
其中图1为组1表面为Au结构芯片；图2为组2表面为AuSn结构芯片；图3为组3表面为镀Sn结构芯片；由上图可以看出，组1及组2样品在完成电极制作后，焊盘表面较为平整，但一次电极结构表现明显，组3由于制作方式原因，焊盘表面相对粗糙，但由于整体厚度较厚，底层一次电极形貌未表现出，同时由于Au材料属性限制，在测试过程中，测试探针极易在焊盘表面形成明显痕迹。
在完成芯片前道作业流水后，将3组按照常规方式进行研磨划裂，同机台测试结果如下：
▲表1 测试汇总
由以上测试结果，3组芯片光电性能参数基本一致，综合良率基本一致，其中组3，Ir良率略低，通过观察芯片表面，部分区域出现金属沾污，这主要是由于制作镀锡层后，溶液清洗过程中产生，导致出现漏电通道产生漏电，这也是在该工艺实施过程中，最主要控制环节。
3.2芯片封装
从以上3组制备完成样品中，各自选取50pcs参数相同晶粒进行封装样品制作，根据实验室条件，锡膏使用晨日科技ES1000实验组2/3助焊剂使用晨日科技ES930系列（粘附强度15mg/mm^2）固晶完成后使用型号为SIKAMA Falcon 5C的5温区回流焊机进行。
过温完成后，焊接形貌情况如下：
由图4显示：三组差异较为明显，其中组2、组3由于未使用锡膏，外观较好，完全避免锡膏过量的问题，组1封装在使用锡膏过程中，易发生类似锡膏过量导致的芯片歪斜现象。
同时由于芯片焊盘间距为100um,因此在锡膏过量情况下，固晶过程导致锡膏挤压流动，容易产生焊盘连同，形成漏电通道，造成最终失效。
4、结果与分析
使用型号为TRY MFM1200多功能推拉力测试机（下图a）对三组样品进行推力测试，数据采集效果曲线如图（下图b）。
每组实验品测试10pcs,对推力测试数据进行统计（表2），同时对推晶过程中掉落芯片电极表面进行SEM分析如下：
▲表2 推力测试统计表
从推力测试汇总数据看，实验组3（镀Sn）推力明显高于组1及组2，组2推力最低，推落芯片焊盘完整，但形貌相对有一定差异。结合前述样品制作与封装过程推测：组1推力相对偏低与所使用锡膏粒径偏大有关，用于测试晶粒焊盘面积为76*62um,因此在封装过程中，会导致部分晶粒焊盘下锡量不足，进而表现为推力不足，在组1SEM图像上可以明显发现，有较大区域空洞位置，同样对于组2样品，受制于芯片结构设计原因（目前全部为DBR工艺），在前述芯片SEM图像中，焊盘正面平整面积较小，底层电极图像明显，因此在固晶过程中，芯片会产生轻微倾斜，后续回流焊过程中易在焊盘对应位置产生大量空洞，导致焊力不足；对于组3，由于后续镀锡制程所制作锡层厚度达10um，焊盘表面未表现出底层电极结构，相对平整，因此在固晶及过温后，芯片与基本贴合紧密，后期使用可靠性更高。
综合以上3组实验品情况，由于目前小尺寸芯片因可靠性问题都采用DBR结构的倒装结构，其底层一次电极结构在焊盘表面表现明显，且占据较大比例，因此电极表面采用AuSn结构(组2)在现有封装过程中易产生空洞，其并不适用于现有常规制程下的小尺寸倒装芯片。电极表面采用Au结构（组1），其采用锡膏方式固晶使用，能适用于现有制程，但使用过程中需结合焊盘大小选择合适粒径锡膏，有助于提高焊接可靠性，同时锡膏使用量对封装良率影响较大，电极表面采用镀Sn结构（组3），芯片制程较为复杂，对芯片良率稍有影响，但在封装过程及推力表现较优。
5、结论
基于前述实验及分析，针对目前微显示LED芯片焊盘结构，由于芯片工艺路线限制，AuSn结构不适用于该应用下芯片，表面Au结构，符合现有常规倒装芯片使用方式，但锡膏选择及封装过程控制要求较高，表面镀Sn结构，芯片制程较为复杂，成本略高，但封装使用效果较优，封装应用厂商可根据自己的需要选择合适芯片焊盘结构。
参考文献
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