電極污染物分析以及如何有效解決固晶膠沾污LED芯片電極

摘要：

在LED封裝過程中，固晶烘烤后經(jīng)常發(fā)生電極沾污的現(xiàn)象。本文分析了污染物成分，發(fā)現(xiàn)污染物為固晶膠揮發(fā)物，在此基礎(chǔ)上分析了固晶膠沾污芯片電極的兩個可能的原因，并給出了相應(yīng)的解決方案。

一、電極玷污現(xiàn)象

目前在LED封裝過程中經(jīng)常出現(xiàn)固晶膠烘烤固化后，金電極上發(fā)生有污染物附著，導(dǎo)致無法焊線或焊線拉力不足的情況。

▲如上圖，用金相顯微鏡觀察電極上有明顯的污染物。

二、 原因分析及解決方案

1、污染物成分

如圖，用電子能譜儀(EDS,EnergyDispersive Spectrometer,可分析材料微區(qū)成分元素的種類與含量)對芯片沾污部分進(jìn)行元素分析，檢出了C、O、Si元素，而固晶膠的主要成分是硅氧烷（元素為H、C、O、Si），由于EDS無法測出H元素，故可以推測芯片電極污染物含有固晶膠成分。

2 、原因分析

通過元素分析我們推測污染物為固晶膠，說明烘烤時固晶膠與電極發(fā)生了某種結(jié)合。

▲如上圖，無爬膠痕跡

固晶膠可以通過揮發(fā)和爬膠的方式與電極接觸。但是由顯微照片分析可以看出芯片四周并沒有爬膠痕跡，因此可以排除因固晶膠爬膠造成芯片污染的可能；而固晶膠在烘烤固化過程中會有少量的揮發(fā)物，揮發(fā)物中含有的帶羥基的小分子交聯(lián)劑，具有很高的化學(xué)活性，有很大可能是吸附污染主因。

那么固晶膠揮發(fā)物是如何與芯片電極發(fā)生吸附的呢？我們作出了如下兩種推測：

①.含羥基小分子交聯(lián)劑與芯片電極污染物發(fā)生化學(xué)吸附

由于交聯(lián)劑本身不會與金電極發(fā)生反應(yīng)，而芯片生產(chǎn)過程中有殘留活性污染物的可能，故推測可能是交聯(lián)劑與電極制備過程中殘留的污染物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生吸附。

②.含羥基小分子交聯(lián)劑與芯片電極發(fā)生靜電吸附

由于羥基中的氧原子電負(fù)性較強(qiáng)，使得氫與氧之間的共用電子對向氧原子偏移，正負(fù)電中心不在平衡位置，使得分子顯電性，若芯片電極帶靜電，則兩者就會產(chǎn)生靜電引力，進(jìn)而吸附在一起，形成污染。

2.1含羥基小分子交聯(lián)劑與芯片電極污染物發(fā)生化學(xué)吸附

2.1.1芯片污染物來源

芯片的污染可能來源于芯片制作過程中引入的污染和固晶操作時引入的污染（如操作過程中觸碰芯片等）。

我們通過顯微鏡觀察發(fā)生電極沾污的芯片，在其表面并沒有觀察到有人為污染的痕跡（如指紋），因此可以排除因人工操作導(dǎo)致的芯片污染。

而芯片的制備過程中需要進(jìn)行多次光刻，光刻時涉及到顯影過程，目前常用的顯影劑是無機(jī)堿+雙氧水溶液（如碳酸鈉溶液），這一過程會在芯片電極表面殘留羥基等官能團(tuán)。在后道工序中，芯片廠商會加入化學(xué)試劑清洗及水洗步驟，對附著的離子污染進(jìn)行清洗，但有可能存在清洗不完全或清洗設(shè)備維護(hù)不當(dāng)造成二次污染等情況。

如圖所示為光刻及顯影過程，光刻膠透過掩膜板經(jīng)紫外光曝光后，再經(jīng)過顯影劑的清洗，就會留下與掩膜板一致的圖案，這一過程成為“圖形化”，是下一步制作芯片立體結(jié)構(gòu)的必要工序。

2.1.2固晶膠揮發(fā)物來源

固晶膠中帶有羥基的小分子交聯(lián)劑由于分子鏈短，沸點(diǎn)較低，在加熱固化過程中未參與反應(yīng)就發(fā)生揮發(fā)，含有的羥基基團(tuán)和金電極上的殘留羥基通過氫和氧之間的氫鍵吸附在一起，而后進(jìn)一步發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

什么是氫鍵？

所謂氫鍵是指氫原子與電負(fù)性大的原子X（O、F、N等）以共價鍵結(jié)合，若與電負(fù)性大、半徑小的原子Y（O、F、N等）接近，在X與Y之間以氫為媒介，生成X-H…Y形式的一種特殊的分子間或分子內(nèi)相互作用，稱為氫鍵。

2.1.3反應(yīng)過程

如圖，當(dāng)固晶膠中揮發(fā)出來的含羥基的小分子交聯(lián)劑與電極表面殘留的羥基接觸時，羥基上的氧原子與另一個羥基上的氫產(chǎn)生氫鍵，同樣的另一對氫和氧原子也形成一個氫鍵。

隨后部分氫鍵轉(zhuǎn)化為共價鍵同時脫掉一個水分子，產(chǎn)生的水分子在高溫烘烤下隨烤箱熱風(fēng)排出，隨著時間的延長，越來越多的交聯(lián)劑與殘留羥基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，最終使芯片表面留下了大量含C、O、Si元素的固晶膠污染物。

2.1.4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將確認(rèn)干凈無電極污染的芯片固在如所示的基片上，分為A和B； ① 將A用堿性溶液（碳酸鈉溶液）浸泡3分鐘，然后用氮?dú)獯蹈?；?B不作處理。

然后分別在A和B的芯片周圍涂上等量的固晶膠，隨后按圖示的方法用燒杯罩住A和B，并放入烤箱烘烤（120℃/1H+160℃/2H）。

烘烤完成后用金相顯微鏡分別對A和B的芯片電極部分進(jìn)行觀察，結(jié)果如下圖：

注：圖片采用暗場拍攝，黑色區(qū)域?yàn)殡姌O金屬層；芯片測試點(diǎn)為芯片點(diǎn)亮測試過程中留下的痕跡

由圖可以明顯看出，經(jīng)過堿液浸泡處理，固晶烘烤后電極表面有大量污染物附著；而未處理的干凈芯片則基本沒有污染物。

說明電極表面殘留的羥基等活性基團(tuán)會與固晶膠揮發(fā)物反應(yīng)造成電極表面有固晶膠附著。