高可靠性LED显示屏SMD器件封装关键技术

第35卷第4期2017年7月佛山科学技术学院学报（自然科学版）Journal of Foshan University(Natural Sciences Edition)Vol.35 No.4Jul.2017文章编号：1008-0171(2017)04-0067-04高可靠性LED显示屏SMD器件封装关键技术刘传标，刘晓锋，赵强(佛山市国星光电股份有限公司，广东佛山528000 )摘要:随着LED显示屏技术的快速发展及其应用领域的拓宽，LED显示屏市场的竞争也空前激烈。

而LED器件的封装处于LED产业链的中游，竞争愈发激烈。

国内封装厂商为降低LED封装成本多采用更加廉价的材料，如芯片的切小、PLCC铁支架、铜线替代金线等方式。

同时追求高生产效率，从而导致产品性能和可靠性降低，阻碍了LED显示屏市场的健康发展。

因此，有必要开发出面向高端LED显示屏市场的高可靠性LED器件。

实验证明，通过独特的结构设计、合适的材料选型、严格的工艺管控以及汽车AEC-Q101高可靠性标准的引人等方面着手，可显著提升LED器件的可靠性。

关键词:高可靠性;LED显示屏;封装;汽车标准;SMD器件中图分类号:TN873 文献标志码:A近几年，LED显示屏从研发到生产都取得了长足的进步，已发展成为重要的现代信息发布媒体手 段，在证券交易、金融、交通、体育以及广告等领域得到广泛应用[1]。

LED显示屏在娱乐文化和户外体育 等新需求以及小间距显示屏等新产品的带动下，其市场规模仍将保持每年15%~20%的增速。

预计到 2020年，全球LED显示屏的市场规模将超过300亿美元。

随着社会信息化的进程加快，LED显示屏在 信息显示领域的应用将会愈加广阔[2]。

与传统显示屏相比，LED显示屏由于具有寿命长、节能环保、显示性能优越、发热量小、应用范围广 等优点受到市场的广泛青睐。

LED器件占LED显示屏成本约40%~70%，LED显示屏成本的大幅下降 得益于LED器件的成本降低，而成本的降低势必会影响LED器件乃至LED显示屏的品质。

LED封装 质量的好坏对LED显示屏的质量影响较大。

封装可靠性的关键包括芯片材料的选择、封装材料的选择 及工艺管控。

另外，严格的可靠性标准也是检验高品质LED器件的关键。

随着LED显示屏逐渐向着高端市场的渗透，对LED显示屏器件的品质要求也越来越高，例如，在 LED的可靠性评估中弓丨人一套更为严格的可靠性评判标准，即汽车标准AEC-Q101。

传统的LED显示器件通常是以高性价比为目标，其可靠性很难满足高品质LED显示屏要求。

本文就高品质LED显示屏 器件封装实际经验，分析传统的LED显示屏器件封装的现状及存在问题，探讨实现高品质LED显示屏 器件的关键技术。

1L E D显示屏器件封装的现状SMD (Surface Mounted Devices)指表面贴装型封装结构LED，主要有PCB板结构的LED(Chip LED)和PLCC结构的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。

收稿日期：2016-04-07作者简介:刘传标(1984-)，男，贵州盘县人，佛山市国星光电股份有限公司工程师。

68佛山科学技术学院学报（自然科学版)第35卷LED 显示屏器件封装所用的主要材料组成包括支架、芯片、固晶胶、键合线和封装胶等。

下面从封 装材料方面来介绍目前国内的一些基本发展现状。

1.1 LED 支架(1) 支架的作用。

PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier )支架是SMD LED 器件的载体，对LED 的可靠性、出光等性能起到关键作用。

(2)支架的生产工艺。

PLCC 支架生产工艺主要包括金属料带冲切、电镀、PPA (聚邻苯二酰胺)注塑、 折弯、五面立体喷墨等工序。

其中，电镀、金属基板、塑胶材料等占据了支架的主要成本。

(3) 支架的结构改进设计。

PLCC 支架由于PPA 和金属结合是物理结合，在过高温回流炉后缝隙会变大，从而导致水汽很容易沿着金属通道进人器件内部从而影响可靠性[3]。

为提高产品可靠性以满足高端市场需求的高品质的LED 显示器件，部分封装成厂改进了支架的结构设计，如佛山市国星光电股份有限公司采用先进的防水结构设计、折弯拉伸等方法来延长支架的水 汽进入路径，同时在支架内部增加防水槽、防水台阶、放水孔等多重防水的措施[4]，如图1所示。

该设计 不仅节省了封装成本，还提高了产品可靠性，目前已经大范围应用于户外LED 显示屏产品中。

通过SAM(Scanning Acoustic Microscope )测试折弯结构设计的LED 支架封装后和正常支架的气密性，结果 可以发现采用折弯结构设计的产品气密性更好，如图2所示。

a 引脚折弯设计效果 b 常规产品设计 a 折弯设计 b 常规产品图1 PLCC 支架剖面对比 图2两种支架封装后器件的气密性在SAM下的对比1.2芯片LED 芯片是LED 器件的核心，其可靠性决定了 LED 器件乃至LED 显示屏的寿命、发光性能等。

LED 芯片的成本占 LED 器件总成本也是最大的。

随着成本的降低，LED 芯片尺寸切割越来越小，同时也带来了一系列的可靠性问题。

LED蓝绿芯片的结构如图3所示。

由图3可知，随着尺寸的缩小，P 电极和N 电极的pad 也随之缩小，电极pad 的缩小直接影响焊线质量，容易在封装过程和使用过程中导致金球脱离甚至电极自身脱离，最 终失效。

同时，两个pad 间的距离a 也会缩小，这样会使得电极处电流密度的过度增大，电流在电极处局部聚集，而分布不均匀的电流严重影响了芯片的性能[5]，使得芯片出现局部温度过高、亮度不均匀、容易漏电、掉电极、 甚至发光效率低等问题，最终导致LED 显示屏可靠性降低。

1.3键合线键合线是LED 封装的关键材料之一，它的功能是实现芯片与引脚的电连接，起着芯片与外界的电 流导人和导出的作用。

LED 器件封装常用键合线包括金线、铜线、镀钯铜线以及合金线等。

⑴金线。

金线应用最广泛，工艺最成熟，但价格昂贵，导致LED 的封装成本过高。

(2)铜线。

近几年有些厂商已经开始采用更加廉价的铜线作为键合丝，应用于中低端LED 显示屏 器件中。

铜线代替金丝具有廉价、散热效果好，焊线过程中金属间化合物生长数度慢等优点[6]。

缺点是 铜存在易氧化、硬度高及应变强度高等。

尤其在键合铜烧球工艺的加热环境下，铜表面极易氧化，形成图3芯片结构^ ^ ^ ^ •■士»■>：-；； .> > •> ^ >-®'©©®®'怨®®®遛 f f i ss ®® 鏃歡®.®®® 访钯m '熠m 焐德想缌暖 !s ® is ©.®®:遝 @ ® ®t s !s ®g s ®f f i ®t g f e ®83?!s ®f f i l g ®®坊®® !§lg®®tg s 8l 8s3?您您第4期刘传标等：高可靠性LED显示屏SMD器件封装关键技术69的氧化膜降低了铜线的键合性能，这对实际生产过程中的工艺控制提出更高的要求，对产品的可靠性影响非常大。

(3)镀钯铜线。

为了防止铜线氧化，镀钯键合铜丝逐渐受到封装界的关注。

镀钯键合铜丝具有机械强度高、硬度适中、焊接成球性好等优点非常适用于高密度、多引脚集成电路封装[7]。

1.4胶水目前，LED显示屏器件封装的胶水主要包括环氧树脂和有机硅两类。

(1) 环氧树脂。

环氧树脂易老化、易受湿、耐热性能差，且短波光照和高温下容易变色，在胶质状态时有一定的毒性，热应力与LED不十分匹配，会影响LED的可靠性及寿命。

所以通常会对环氧树脂进行攻性。

(2) 有机硅。

有机硅相比环氧树脂具有较高的性价比、优良的绝缘性、介电性和密着性。

但缺点是气 密性较差，易吸潮。

所以很少被使用在LED显示屏器件的封装应用中。

另外，高品质LED显示屏对显示效果也提出特别的要求。

有些封装厂采用添加剂的方式来改善胶水的应力，同时达到哑光雾面的效果。

如佛山市国星光电股份有限公司的星悦系列LED器件采用改性的胶水，从而实现哑光效果。

如图4左图的常规产品的无哑光处理和哑光处理的LED器件对比可以看 出，哑光处理后，器件表面无镜面反射，舒适度高;进一步地，为了使显示更加柔和，高品质的LED显示器件通常会胶水中添加合适的散射粉，从而实现面出光。

图4右图所示星悦的面出光LED显示器件，面出光光线均匀更加柔和。

a常规 b星悦 c常规 d星悦图4常规的LED显示器件和星悦的面出光LED器件出光效果对比2 L E D显示屏器件封装的可靠性标准AEC(Automotive Electronics Council)汽车电子协会，是克莱斯勒、福特和通用汽车为建立一套通用的零件资质及质量系统标准而设立，以车载电子部件的可靠性以及认定标准的规格化为目的的团体。

AEC建立了严格的质量控制标准，推动了汽车零件通用性的实施，为汽车零部件市场的快速成长打下了良好的基础。

AEC的标准有3个细分领域应用，分别为AEC-Q101、AEC-Q200和AEC-Q201。

由于LED属于分立半导体元件，参考AEC-Q101，包括以下几个项目。

(1) AEC-Q101 Rev-Cl。

(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由于项目齐全，条件严苛，部分封装厂开始应用该标准来对LED器件的可靠性进行检测和评70佛山科学技术学院学报（自然科学版)第35卷判，这对LED显示屏行业是一大进步，大大提高LED显示屏的可靠性和寿命。

3结论LED器件的可靠性水平直接决定了 LED显示屏的使用寿命和显示效果。

在竞争激烈的市场环境 下不断追求成本的降低，有些封装厂采用了较为低廉的材料，如铁支架和铜线的使用等，甚至将芯片尺 寸不断切小，使得LED器件的可靠性大幅下滑。

也有部分封装厂坚持技术创新，不断提升产品的性能，从而提高产品的可靠性。

少数有实力的厂家通过最优材料的搭配、先进的防水结构的设计、雾面哑光的 胶水工艺等不同的方面来提升性能，同时引人汽车级标准AEC-Q101进行可靠性测试及监控，生产出 高品质的LED显示屏器件。