低成本LED封装技术样本.doc

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　　”我们的客户要求可降低成本的技术。其中有些人在展会上甚至什麽都懒得看”好几家NEPCON JAPAN 的参展商表示。

　　可降低成本的技术之因此吸引如此多的关注, 是因为过去一段时间以来艰难的经济环境。事实上, 今年度NEPCON Japan参展厂商家数较前一年减少了7％, 为1,141家。一家印刷系统制造商的员工解释道: ”漫长的经济衰退, 让我们的客户比以往都更注重成本。”

　　她的看法呼应了今年NEPCON JAPAN展会中致力提供更高速与更高密度封装技术的发展背景, 事实上, 当前强调更低成本的封装技术, 已成为业界的关注焦点。今年的展会展出了多种崭新技术, 包括采用更便宜的金、 无银铜胶、 可储存室温的鍚膏、 低成本LED散热器, 以及一些可减少制程步骤的封装技术。

降低金消耗的技术

铜导线成为关键

　　”铜导线的出货量在今年很有可能超过金导线, ”台湾主要半导体封装厂日月光集团在日本的行销服务业务发展部资深经理Shoji Uegaki说。自 下半年来, 金价快速上涨, 因而加速了从金导线过渡到铜导线, 以抑制焊线接合制程成本上升的脚步。

　　 , 金价格上涨了约32％( 图1) 。根据日月光透露, 用铜导线取代金导线能够节省多达20％的成本。日月光主要的工厂位于高雄, 该公司计划 上半年安装 台铜导线的焊线机。针对此一趋势, 在今年的NEPCON JAPAN中, 展出重点便着重在可具体减缓金价上升压力的技术上, 包括可使用铜线的封装材料, 以及可在接合过程中减少金线使用量的技术。

图1 金价持续上涨
伦敦市场的现货金报价。快速跃升的金成本加速了过渡到铜导线的趋势。1金衡盎司为31.1035克。( 图根据田中贵金属工业的数据制成)

防止铜腐蚀的封装材料
日本的京瓷化学公司( KYOCERA Chemical) 也展示了KE-G1280系列封装材料, 旨在解决铜布线长期存在的问题( 图2) 。新材料已自 夏天开始量产, 并已应用在极具成本意识的动态随机存取记忆体( DRAM) 和快闪记忆体等应用中。

图2 针对铜导线进行最佳化的全新封装材料。
封装材料的氯离子会腐蚀铜导线( a) 。而京瓷化学则藉由减少氯离子含量, 针对铜导线的应用开发了新的封装材料( b) 。

　　当使用传统封装材料时, 在封装过程中很可能导入氯离子( Cl-) , 可能因而造成铜导线腐蚀。而京瓷化学则改採氯离子含量较低的原料, 将一般为30ppm的氯离子浓度减少到仅有15ppm。

　　新封装材料的粘性也从7Pa·s降低到了5Pa·s, 这有助于生产出更细的金和铜导线, 以降低成本。京瓷化学公司表面粘着封装材料技术事业群的模塑混合技术部工程师Sae Imoto指出: ”海外制造商正在转换到铜导线, 但日本制造商却是为了降低成本, 而尝试采用更细的金导线。”京瓷化学的技术不但可处理更细的金导线, 未来在转换到铜导线之后, 其技术也能有效地应用在更细的铜导线上, 以进一步降低成本。

金导线消耗量减半

　　大日本印刷( Dai Nippon Printing) 公司开发了一种技术, 旨在减少IC制造商的金导线用量。该公司开发出一种金属线路薄板, 在打线接合制程中仅需使用一半的金导线, 预计 6月推出, 将采用四方扁平封装( QFP) 。大日本印刷表示, 由于金价飙升, 现已接获许多询问。该公司希望在 能达到2亿日圆的销售额。

IC晶片正在持续微缩, 但导线架的小型化看来却已达到极限了, 这导致连接二者的金导线正在逐步增加其长度。更长的导线意味着消耗的金属更多、 成本更高, 同时也会对接合的可靠性带来损害。如果因线径增加而提升了金线强度, 那麽材料成本就会更高了。

　　为解决这个问题, 大日本印刷开发出一种金属线路薄板( 图3) , 用于连接IC晶片的导线架。这种薄板可应用于导线架, 而后再将IC放置在板上。之后金导线便用于连接IC和金属线路板中央部份, 并重新将金属线路板的周围部份与导线架连接起来。

图3 金线消耗量减少一半。
大日本印刷开发出可减少一半金消耗量的金属线路板( a) 。金导线用于连接导线架和金属线路板, 以及线路板与IC( b, c) 。

　　该公司声称, 由于可直接从IC连接到导线架, 因此这种薄板可将金的消耗量降低一半。虽然在导线架上附加薄板并不需要额外的步骤, 但这种方法依然仅能节省约1/3金线材料费用。

　　该公司的金属线路板是由铜、 聚醯亚胺和不锈钢三层材料组成。具体做法是将图桉蚀刻在铜上, 详细的模式是把铜蚀刻, 而后再在表面涂上镍和金的电涂层。

　　QFP封装的最小间距130μm, 但最小的线路板间距为60μm。大日本印刷指出, 这种改良过的布线, 能够自由地”将多个IC粘着在一张薄板上, 就像是SiP。”

印刷电子

焊膏也朝铜方向转换

　　在网版印刷领域, 运用较便宜的替代品来取代昂贵金属的趋势也日益升高, 包括封装基板布线在内。截至当前为止, 银胶( Ag paste) 仍是主要材料, 但现在, 业界正出现一股采用低成本铜胶( Cu paste) 的趋势。

　　日本网版印刷设备商Micro-tec公司采用了一家材料制造商所提供的铜胶, 来进行30μm的铜线与间距( line-and-space) 图桉印刷( 图4) 。该公司解释道, 这种方法的材料成本, 是采用银胶布线的1/10。该公司希望, 透过与其合作的材料制造商共同改进印刷性能后, 能在未来几年内实现商业化。

图4 采用网版印刷的铜布线图原型
从事网版印刷系统的Micro-tec公司, 采用铜胶进行30μm的铜线与间距( line-and-space) 图案印刷。其材料成本据说只有传统银胶的1/10。图为在绿色薄板上形成的封装基板布线图案。

　　在印刷后, 这种新开发的铜胶能在仅150℃的温度下进行烧结, 这意味着它能够被应用在塑胶基板上。在氮气环境中, 以150℃进行烧结后的60分钟后, 其电阻率是60μΩcm; 或是在相同空气和温度条件下, 15分钟后其电阻率为30μΩcm。与现有技术不同, 在经过氧化还原处理后, 无须再在空气中烧结。该公司并未披露铜胶的相关开发业者资讯, 但从现场展示的产品看来, 似乎是旭硝子公司( Asahi Glass) 于 12月于Semicon Japan中所展示的”铜填充胶”。
8倍的印刷量
会场中的另一项焦点, 是以提高印刷系统吞吐量来降低印刷成本。日本NEWLONG SEIMITSU KOGYO公司展出了一套可较传统卷对卷制程系统提高八倍吞吐量的网版印刷系统( 图5) 。

图5 新的网版印刷系统提供8倍吞吐量。
NEWLONG SEIMITSU KOGYO公司的LS-500NR网版印刷系统使用了圆柱形网板, 而非平面网板, 实现了连续印刷, 并将吞吐量提高至800％( a) 。该系统适用于智慧卡和其它不需要高精度的应用( b) 。

　　在传统的卷对卷印刷制程中, 其网版( screen mask) 都是平面的, 这意味着当一个印刷基板移动后, 就会停止下一个印刷动作, 如此反覆循环。其启动/停止操作将减少约2.5m/分的吞吐量。而新系统则采用一个圆柱形的网板, 这个网版会不断旋转, 以便让印刷基板以20m/分的吞吐量不断移动。

　　然而, 印刷图桉的记号会从一般的10μm至100μm呈跳跃性变化, 因此, 该公司预计该技术将用于不要求高精度的应用中。具体来说, 它很适合触控萤幕布线, IC卡天线和锂充电电池布线。另外, 在印刷后还需要乾燥的步骤, 因此必须开发可快速乾燥的焊膏, 以实现最大的吞吐量。

焊料

可存放在室温的全新产品

　　在今年的展会中, 可看到许多致力削减成本的焊料新构想。今年不少参展商展出了可存放在室温下的无铅锡膏。很明显, 具备成本意识的用户更加关注焊料的发展, 迫使焊料产业开始採取行动。

　　一家焊料制造商的工程师表示, 过去一年来, 这个产业中有多家公司都快速开发出了可在室温下保存的锡膏。包括日本Nihon Genma Mfg.公司、 Senju Metal Industry公司, 以及Tamura公司等, 都展示了可在室温贮存的锡膏产品。传统的锡膏在室温中会由于助焊剂挥发而导致黏度增加, 因此一般储存在冰箱中。然而, 若导电能存放于室温下, 就不再需要使用冰箱, 这可减少所消耗的电力, 以及所流失的黏度损失, 这些都有助于降低成本。

依照需求制作锡膏

　　日本Nihon Superior公司展出了所谓的”Fresh Paste”, 是一种能让用户仅需准备所需锡膏数量的工具( 图6) 。过去, 仅需使用少量锡膏的用户, 一般会被迫放弃未使用的部份。新工具有助改进此一情况, 减少浪费, 还有助削减成本。该公司的一款套件约含250克的锡膏, 并提供一系列旋转/搅拌混合的建议。该公司的这项展出是预先测试市场接受度, 当前尚未决定推出样品。

图6　为低产量用户量身打造的全新产品。
Nihon公司展示了”Fresh Paste”原型, 包含了一罐助焊剂和焊粉。用户可在使用前立即混合二者来制作所需的锡膏。

　　另外, 包括日本的Harima Chemicals及Senju Jetal Industry等公司, 则提出了使用焊膏印刷形成数十微米凸块间距的建议( 图7) 。Harima Chemicals公司解释道: ”行动电话需要数十微米的凸块间距, 但当前是无法用印刷技术达成的。在别无选择之下, 业者们只好选择打线接合的方式。”Harima公司积极推广其技术, 并指出凸块的焊膏印刷不但可减少粘着面积, 还能持续降低成本。

图7　用焊膏印刷制作超小型凸块
Harima Chemicals展示了一种”超级焊膏”, 可形成间距35μm的凸块( a) 。Senju Metal Industry则展出了采用锡膏形成80μm间距凸点的200mm晶圆( b) , 据表示, 该晶圆是采用松下生产科技公司( Panasonic Factory Solutions) 所开发的印刷系统来制造。

LED封装
同时实现高输出和低成本

　　LED的应用范围正从讯号显示扩展到包括LCD面板背光和照明等的广大市场。扩大应用的关键因素是不断降低的价格, 同时也有许多技术为显示器应用提供成本低廉的LED封装。一般来说, 这个领域可区分为较低的元件成本, 以及更低成本的制造过程。

延长寿命的塑料

　　在诸如LCD面板背光和照明等应用中, 经常使用输出超过1W的LED。这些高输出功率LED所产生的热量不但降低发光效率, 还会降低封装材料本身的品质。因此, 当前的关键是解决这些问题, 以及降低封装成本。

　　日本的松下电工( Panasonic Electric Works) 已研发出一种可提高辐射性能的塑胶基板与散热器( 图8) 。像铝这类的金属基板虽然可提供更高的辐射性能, 但成本相对更高。因此, 该公司摒弃了金属, 试图藉由改进塑胶基板的热辐射性能来延长使用寿命。松下电工改进了在两层铜之中将填料添加到塑料层的过程, 将基板的导热效率从1W/mK提高到了2W/mK或3W/mK。该公司解释道, 当前塑料基板的热辐射性能比不上铝, 但该公司将继续开发, 以实现导热效率在2W/mK到3W/mK水准的商用化产品, 同时也将进一步提高导热性能。

图8　减少封装元件的成本。
松下电工透过改进塑料基板的热辐射性能, 以及塑胶材料对热和光的阻抗能力来延长塑料基板的寿命。TDK-EPC公司的压敏电阻基板则无须使用齐纳二极体, 便可保护大输出功率的LED免于静电放电的损害。

　　同时, 日本Risho Kogyo公司则建议由环氧树脂转换到硅, 藉此提高LED封装基板中的塑料使用率。该公司表示, 当曝露在光、 热等环境中, 环氧树脂的寿命仅有数千小时, 相对较短。在此同时, 人们越来越关注可提供数万小时寿命的陶瓷材料, 但陶瓷往往比塑料更加昂贵。据该公司透露, 采用硅的新型塑料基板仅需”陶瓷基本的一小部份成本, 但却可提供同样的使用寿命。”该公司预计 上半年开始提供样品。

　　日本TDK-EPC公司提出了可在LED封装中减少元件数量的方法。高输出功率的LED中一般内含一个齐纳二极体, 以保护设备免受封装过程中所产生的静电电荷损害。TDK-EPC公司建议使用氧化锌( ZnO) 压敏电阻, 而非一般采用的氧化铝( Al2O3) 子基板。即使在未使用齐纳二极体情况下, 这个压敏电阻仍可释放电荷, 并能承受高达12kV的静电放电。TDK-EPC当前正推出新压敏电阻基板的样品, 并计划到 底前实现商用化。

采用塑料封装解决问题

　　京瓷化学公司开发出一种据称可降低处理成本的塑胶, 可用于在LED封装量产应用, 如压缩成型( 图9) 。该公司并未披露详细材料资讯, 仅表示是一种热固性塑胶。一般, 使用在LED封装中的硅塑料, 其接合力较差, 并具有用于反射的镀银, 这使其不适用于压缩成型。另外, 柔软的材料往往会在封装后导致导线变形, 而且产品一般具有过度的透气性, 容易使镀银恶化。

图9　降低封装制程成本
京瓷化学的封装材料可用于批次制造, 如压缩成型。DISCO提出了一种可让薄型蓝宝石基板更加容易处理的方法。佳能机械则展示了专为LED设计的黏晶机。

　　新开发的塑胶则解决这些硅胶的问题。与镀银的接合力是硅塑料的数十倍, 硬度则是2～3倍。其渗透性因数则低于100。京瓷化学表示, 该公司的量产目标价格将低于硅胶。当前客户正在进行评估。( 未完待续 记者 木村雅秀 河合基伸 小谷卓也 大下淳一 久米秀尚)