2048像素LED平板顯示器件的封裝

1引言

LED平板顯示器是一種超薄型、高可靠、全固體化的集成光電子綜合顯示系統(tǒng),它主要由集成化LED(發(fā)光二極管)顯示屏、譯碼控制專用集成電路芯片等器件經(jīng)二次混合集成而成,能在白光、微光、紅外等廣域光線環(huán)境下自動(dòng)顯示出目標(biāo)的準(zhǔn)確位置(點(diǎn))、圖形、符號、數(shù)碼等,精確跟蹤高速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo),特別適用于具有高性能、高可靠要求的系統(tǒng)和裝備。 美、俄、日、加、荷、法、德等國都在加緊進(jìn)行LED平板顯示器的光電混合集成、綜合顯示和控制技術(shù)的研究工作,對軍事裝備和民用設(shè)備性能的提高和改型起到愈來愈重要的作用。我國在光電顯示器件的研制與生產(chǎn)方面與國外相比有較大的差距,同日美等國相比在總體水平上至少要落后10-15年,但在高密度小型LED智能矩陣顯示器的研究方面成功研制了5020型等高密度LED平板顯示器,像素密度達(dá)到5-6個(gè)/mm2。表1通過對比列出了國外幾款LED平板顯示器主要技術(shù)性能。

本文介紹了一種采用厚膜混合集成技術(shù)研制的2048像素(64×32)矩陣式LED平板顯示器的封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝制造。該顯示器像素尺寸為0．35×0．28(mm),像素密度達(dá)10．21個(gè)/mm2。

要求封裝的成品電路具有氣密性,且LED陣列(顯示屏)部位對不同波長(λ)的白光透光率(τ)為：

λ=400~600nm(λ≠600)時(shí),τ≤10％；λ=600~720nm時(shí),τ≥80％。

2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

厚膜混合集成電路封裝作用主要有三：①使混合電路的元器件與外界隔絕,免受機(jī)械損傷；②防止外界潮濕氣、腐蝕氣氛對電路的損害；③提供內(nèi)、外電路的電氣連接及其它必需的通路(如光、磁等)。

封裝分為氣密性封裝和非氣密性封裝兩大類。因使用環(huán)境及高可靠的需要,64×32LED平板顯示器對封裝既有一定的氣密性要求,又有較嚴(yán)格的透光性要求。因此,該顯示器的封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成陶瓷封裝并在陶瓷蓋LED區(qū)域的正上方開有玻璃透光窗口(封裝結(jié)構(gòu)見圖1)。

3材料選用

3．1陶瓷蓋

LED平板顯示器厚膜電路襯底基片材料采用常規(guī)厚膜工藝所使用的96％A12O3標(biāo)準(zhǔn)陶瓷,在選用陶瓷蓋材料時(shí),除要求其理化性能與襯底基片能夠良好匹配外,還應(yīng)盡量考慮降低產(chǎn)品制造成本。為此,我們將厚膜電路2種常用瓷蓋材料(96％A12O3陶瓷與91％A12O3陶瓷)的有關(guān)性能進(jìn)行比較(見表2)。

從表2可以看出,91％Al2O3陶瓷的主要理化性能與96％A12O3陶瓷性能參數(shù)相近,但前者比后者有高得多的性能價(jià)格比,更適合批量生產(chǎn)用陶瓷蓋制作的需要,所以我們選用91％A12O3陶瓷作為陶瓷蓋材料。實(shí)踐證明,使用91％A12O3陶瓷封裝的電路密封性能良好,尤其是受外力沖擊和溫度沖擊時(shí),電路不致于因陶瓷蓋與襯底基片的材料差異而損傷。

3．2窗口玻璃

窗口玻璃材料的正確選擇決定于玻璃材料的透光陛能及與所選用的陶瓷蓋材料之間的理化性能的匹配。在普通光學(xué)玻璃系列牌號中,我們選用各種性能都比較優(yōu)良的K9玻璃與遠(yuǎn)紫外石英光學(xué)玻璃(JGSl)同91％A12O3的性能進(jìn)行比較(表3)。

從表3可以看出：①從光譜應(yīng)用范圍來說,兩者都能滿足電路的光學(xué)要求；②K9玻璃與91％A12O3間的絕對線性熱脹系數(shù)差異遠(yuǎn)大于JGSl石英玻璃與91％A12O3間的絕對線性熱脹系數(shù)差異,JGSl與91％A12O3組合的抗熱應(yīng)力能力遠(yuǎn)優(yōu)于K9與91％A12O3組合的抗熱應(yīng)力能力；③從抗拉強(qiáng)度來說,玻璃比陶瓷小,而石英玻璃比K9玻璃抗拉強(qiáng)度大,綜合考慮二者的線性熱脹系數(shù)和抗拉強(qiáng)度,石英玻璃比K9玻璃因機(jī)械與熱應(yīng)力而碎裂的可能性要小；④石英玻璃的硬度比K9玻璃要高,在工藝操作過程中導(dǎo)致玻璃表面劃傷的可能性也小得多。所以,雖然石英玻璃的價(jià)格要昂貴,但從電路的長期可靠性考慮,我們選用JGSl石英玻璃作為窗口透光材料。另外,我們通過在窗口玻璃的單面鍍上相應(yīng)厚度的干涉濾光增透膜,來達(dá)到2．1節(jié)所述的玻璃窗口(LED顯示屏部位)對不同波長白光的透光率要求。

3．3粘接劑

在電路的封裝中,兩處使用了粘接劑,一處是陶瓷蓋與襯底陶瓷基片之間的裝配,另一處是窗口玻璃與陶瓷蓋之間的裝配。在選用粘接材料時(shí),我們考慮到陶瓷、玻璃均屬極性材料,應(yīng)選用同樣具有極性的環(huán)氧樹脂類粘接劑作為它們之間的粘接材料。環(huán)氧樹脂具有很高的粘接強(qiáng)度,耐高、低溫性能好,線性熱脹系數(shù)小,耐酸堿,耐有機(jī)溶劑,加適當(dāng)?shù)脑鲰g劑后具有較好的韌性。

在環(huán)氧樹脂家族中,我們選擇EpoTek H77膠作為陶瓷蓋與襯底陶瓷基片裝配的粘接劑,該膠具有適宜粘度和良好的工藝加工特性,經(jīng)粘接和1 50℃、45min固化后形成粘接強(qiáng)度大、密封性好的淡黃色粘接層。
因JGSl窗口玻璃與91％A12O3陶瓷蓋的線性熱脹系數(shù)差別較大,在選擇窗口玻璃裝配粘接劑時(shí)要考慮其固化膜不僅具有粘接強(qiáng)度、穩(wěn)定性好、耐高、低溫性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),更重要的是該粘接劑還必須滿足以下性能①粘度是在2000~7000cps范圍內(nèi)的常溫固化膠,因?yàn)橹挥性诔叵鹿袒辰觿?抗拉強(qiáng)度相對較低的JGSl玻璃的表面因與91％A12O3陶瓷蓋的線性熱脹系數(shù)的差異而承受的拉應(yīng)力才能減至最?、诠袒け仨毦哂凶銐虻捻g性,以盡量緩釋因瓷蓋與玻璃線性熱脹系數(shù)的差異而在玻璃表面產(chǎn)生的破壞性拉應(yīng)九③固化膜必須是無色透明膜以滿足顯示器外觀檢驗(yàn)的要求。通過分析調(diào)研,我們選擇國產(chǎn)GBN-501光敏樹脂(A、B雙組份)作為窗口玻璃裝配的粘接劑,較好地滿足了設(shè)計(jì)要求。

4封裝工藝流程

LED平板顯示器件的簡要封裝流程見圖2。

5封裝工藝難點(diǎn)及解決措施

5．1低溫玻璃碎裂

LED平板顯示器為高可靠性專用電路,封裝好的電路必須通過嚴(yán)格的環(huán)境試驗(yàn)篩選,合格后才能交付使用。溫度循環(huán)是篩選試驗(yàn)的其中一項(xiàng),其目的是測定器件承受極端高溫和極端低溫的能力,以及極端高溫和極端低溫交替變化對器件的影響。


LED平板顯示器的循環(huán)溫度一般為-55℃~+80℃。實(shí)踐中,封裝電路的窗口玻璃在低溫下常常發(fā)生碎裂,從而造成電路失效。造成玻璃碎裂的原因是窗口玻璃與陶瓷蓋兩種材料的線性熱脹系數(shù)不一致,在-55℃(接近圖3中的丁b溫度)的低溫下,粘接劑的固化膜幾乎呈不可拉伸性。這時(shí),固化膜與窗口玻璃均處在最大應(yīng)力狀態(tài),從而造成玻璃的碎裂。難題困擾著我們,篩選過程中因此高達(dá)50％失效率迫使我們必須尋找出有效辦法來解決這一難題。


分析線型無定型高聚合物(粘接劑固化膜)熱形變曲線(圖3所示)可以看出,若能尋找到一種線性高聚合物,它的脆化溫度(Tb)低于-55℃,將它加人到光敏粘接劑中,降低光敏粘接劑固化膜的脆化溫度,使得在-55℃的低溫下固化膜仍具有一定的可拉伸性,從而減少固化膜和窗口玻璃的內(nèi)應(yīng)力,防止玻璃碎裂。這種線性高聚合物通常稱為軟化劑,實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)丁虱旨具有良好的軟化作用。在光敏粘接劑中加入少量軟化劑后便很好地解決了封裝電路低溫下窗口玻璃易碎裂的難題。

5．2引線浸錫過程窗口玻璃易污染

LED平板顯示器外引線裝配是在窗口玻璃裝配和陶瓷蓋裝配后進(jìn)行的,浸錫焊料的峰值溫度為220℃ ±5℃。在浸錫過程中,玻璃窗口內(nèi)表面常常被一種類似油漬狀污物玷污,影響電路的光學(xué)性能。這種現(xiàn)象是外引線浸錫過程中電路體溫度驟變造成的。在高溫下,封裝電路的粘接劑固化膜中揮發(fā)一種氣態(tài)聚合物,該聚合物遇到冷的玻璃表面后便迅速冷凝下來形成油狀污漬。為了解決這一難題,我們采取以下辦法：

a．在電路浸錫前,將電路整體預(yù)熱到100℃~150℃,使得浸錫時(shí),玻璃表面溫度也接近220℃±5℃揮發(fā)出來的高聚合物不易在玻璃表面凝聚。
b．浸錫完成后,立即將電路放到100℃~150℃環(huán)境中(一般可放在烘箱中),再慢慢將存放電路的環(huán)境溫度降到室溫,避免直接將電路放到室溫下,使電路體溫度驟降再次造成揮發(fā)性的氣態(tài)聚合物在玻璃表面的凝聚而形成污漬。

這種方法較好地解決了玻璃表面被玷污的難題

6結(jié)論

按照文中介紹的設(shè)計(jì)要求及工藝方法,我們不但成功地研制和批量生產(chǎn)了64×32元LED平板顯示器,產(chǎn)品通過了嚴(yán)格的環(huán)境試驗(yàn)的篩選和檢測,保持了較高的合格率,而且順利地完成了之后的64×64元、96×64元、256×128元等系列LED平板顯示器厚膜電路的研制任務(wù)。

不難看出：①采用封裝外殼上開玻璃窗口的結(jié)構(gòu),可以給顯示器提供光學(xué)通躍②玻璃通過鍍膜,可以滿足對不同波長白光的相應(yīng)透光率要求③選擇合適的封裝體材料、粘接劑材料和裝配工藝方法,可以使LED顯示器件的封裝達(dá)到氣密性及耐機(jī)械與熱(環(huán)境)應(yīng)力的高可靠性要求；④添加粘接增韌劑,優(yōu)選工藝條件,可以解決LED顯示器件封裝的工藝難題。