2048像素LED平板显示器件的封装
LED平板显示器是一种超薄型、高可靠、全固体化的集成光电子综合显示系统,它主要由集成化LED(发光二极管)显示屏、译码控制专用集成电路芯片等器件经二次混合集成而成,能在白光、微光、红外等广域光线环境下自动显示出目标的准确位置(点)、图形、符号、数码等,精确跟踪高速运动的目标,特别适用于具有高性能、高可靠要求的系统和装备。 美、俄、日、加、荷、法、德等国都在加紧进行LED平板显示器的光电混合集成、综合显示和控制技术的研究工作,对军事装备和民用设备性能的提高和改型起到愈来愈重要的作用。我国在光电显示器件的研制与生产方面与国外相比有较大的差距,同日美等国相比在总体水平上至少要落后10-15年,但在高密度小型LED智能矩阵显示器的研究方面成功研制了5020型等高密度LED平板显示器,像素密度达到5-6个/mm2。表1通过对比列出了国外几款LED平板显示器主要技术性能。
本文介绍了一种采用厚膜混合集成技术研制的2048像素(64×32)矩阵式LED平板显示器的封装结构设计与工艺制造。该显示器像素尺寸为0．35×0．28(mm),像素密度达10．21个/mm2。
要求封装的成品电路具有气密性,且LED阵列(显示屏)部位对不同波长(λ)的白光透光率(τ)为：
λ=400~600nm(λ≠600)时,τ≤10％；λ=600~720nm时,τ≥80％。
2结构设计
厚膜混合集成电路封装作用主要有三：①使混合电路的元器件与外界隔绝,免受机械损伤；②防止外界潮湿气、腐蚀气氛对电路的损害；③提供内、外电路的电气连接及其它必需的通路(如光、磁等)。
封装分为气密性封装和非气密性封装两大类。因使用环境及高可靠的需要,64×32LED平板显示器对封装既有一定的气密性要求,又有较严格的透光性要求。因此,该显示器的封装结构设计成陶瓷封装并在陶瓷盖LED区域的正上方开有玻璃透光窗口(封装结构见图1)。
3材料选用
3．1陶瓷盖
LED平板显示器厚膜电路衬底基片材料采用常规厚膜工艺所使用的96％A12O3标准陶瓷,在选用陶瓷盖材料时,除要求其理化性能与衬底基片能够良好匹配外,还应尽量考虑降低产品制造成本。为此,我们将厚膜电路2种常用瓷盖材料(96％A12O3陶瓷与91％A12O3陶瓷)的有关性能进行比较(见表2)。
从表2可以看出,91％Al2O3陶瓷的主要理化性能与96％A12O3陶瓷性能参数相近,但前者比后者有高得多的性能价格比,更适合批量生产用陶瓷盖制作的需要,所以我们选用91％A12O3陶瓷作为陶瓷盖材料。实践证明,使用91％A12O3陶瓷封装的电路密封性能良好,尤其是受外力冲击和温度冲击时,电路不致于因陶瓷盖与衬底基片的材料差异而损伤。
3．2窗口玻璃
窗口玻璃材料的正确选择决定于玻璃材料的透光陛能及与所选用的陶瓷盖材料之间的理化性能的匹配。在普通光学玻璃系列牌号中,我们选用各种性能都比较优良的K9玻璃与远紫外石英光学玻璃(JGSl)同91％A12O3的性能进行比较(表3)。
从表3可以看出：①从光谱应用范围来说,两者都能满足电路的光学要求；②K9玻璃与91％A12O3间的绝对线性热胀系数差异远大于JGSl石英玻璃与91％A12O3间的绝对线性热胀系数差异,JGSl与91％A12O3组合的抗热应力能力远优于K9与91％A12O3组合的抗热应力能力；③从抗拉强度来说,玻璃比陶瓷小,而石英玻璃比K9玻璃抗拉强度大,综合考虑二者的线性热胀系数和抗拉强度,石英玻璃比K9玻璃因机械与热应力而碎裂的可能性要小；④石英玻璃的硬度比K9玻璃要高,在工艺操作过程中导致玻璃表面划伤的可能性也小得多。所以,虽然石英玻璃的价格要昂贵,但从电路的长期可靠性考虑,我们选用JGSl石英玻璃作为窗口透光材料。另外,我们通过在窗口玻璃的单面镀上相应厚度的干涉滤光增透膜,来达到2．1节所述的玻璃窗口(LED显示屏部位)对不同波长白光的透光率要求。
3．3粘接剂
在电路的封装中,两处使用了粘接剂,一处是陶瓷盖与衬底陶瓷基片之间的装配,另一处是窗口玻璃与陶瓷盖之间的装配。在选用粘接材料时,我们考虑到陶瓷、玻璃均属极性材料,应选用同样具有极性的环氧树脂类粘接剂作为它们之间的粘接材料。环氧树脂具有很高的粘接强度,耐高、低温性能好,线性热胀系数小,耐酸碱,耐有机溶剂,加适当的增韧剂后具有较好的韧性。
在环氧树脂家族中,我们选择EpoTek H77胶作为陶瓷盖与衬底陶瓷基片装配的粘接剂,该胶具有适宜粘度和良好的工艺加工特性,经粘接和1 50℃、45min固化后形成粘接强度大、密封性好的淡黄色粘接层。
因JGSl窗口玻璃与91％A12O3陶瓷盖的线性热胀系数差别较大,在选择窗口玻璃装配粘接剂时要考虑其固化膜不仅具有粘接强度、稳定性好、耐高、低温性强等优点,更重要的是该粘接剂还必须满足以下性能①粘度是在2000~7000cps范围内的常温固化胶,因为只有在常温下固化粘接剂,抗拉强度相对较低的JGSl玻璃的表面因与91％A12O3陶瓷盖的线性热胀系数的差异而承受的拉应力才能减至最小②固化膜必须具有足够的韧性,以尽量缓释因瓷盖与玻璃线性热胀系数的差异而在玻璃表面产生的破坏性拉应九③固化膜必须是无色透明膜以满足显示器外观检验的要求。通过分析调研,我们选择国产GBN-501光敏树脂(A、B双组份)作为窗口玻璃装配的粘接剂,较好地满足了设计要求。
4封装工艺流程
LED平板显示器件的简要封装流程见图2。
5封装工艺难点及解决措施
5．1低温玻璃碎裂
LED平板显示器为高可靠性专用电路,封装好的电路必须通过严格的环境试验筛选,合格后才能交付使用。温度循环是筛选试验的其中一项,其目的是测定器件承受极端高温和极端低温的能力,以及极端高温和极端低温交替变化对器件的影响。
LED平板显示器的循环温度一般为-55℃~+80℃。实践中,封装电路的窗口玻璃在低温下常常发生碎裂,从而造成电路失效。造成玻璃碎裂的原因是窗口玻璃与陶瓷盖两种材料的线性热胀系数不一致,在-55℃(接近图3中的丁b温度)的低温下,粘接剂的固化膜几乎呈不可拉伸性。这时,固化膜与窗口玻璃均处在最大应力状态,从而造成玻璃的碎裂。难题困扰着我们,筛选过程中因此高达50％失效率迫使我们必须寻找出有效办法来解决这一难题。
分析线型无定型高聚合物(粘接剂固化膜)热形变曲线(图3所示)可以看出,若能寻找到一种线性高聚合物,它的脆化温度(Tb)低于-55℃,将它加人到光敏粘接剂中,降低光敏粘接剂固化膜的脆化温度,使得在-55℃的低温下固化膜仍具有一定的可拉伸性,从而减少固化膜和窗口玻璃的内应力,防止玻璃碎裂。这种线性高聚合物通常称为软化剂,实践中发现丁虱旨具有良好的软化作用。在光敏粘接剂中加入少量软化剂后便很好地解决了封装电路低温下窗口玻璃易碎裂的难题。
5．2引线浸锡过程窗口玻璃易污染
LED平板显示器外引线装配是在窗口玻璃装配和陶瓷盖装配后进行的,浸锡焊料的峰值温度为220℃ ±5℃。在浸锡过程中,玻璃窗口内表面常常被一种类似油渍状污物玷污,影响电路的光学性能。这种现象是外引线浸锡过程中电路体温度骤变造成的。在高温下,封装电路的粘接剂固化膜中挥发一种气态聚合物,该聚合物遇到冷的玻璃表面后便迅速冷凝下来形成油状污渍。为了解决这一难题,我们采取以下办法：
a．在电路浸锡前,将电路整体预热到100℃~150℃,使得浸锡时,玻璃表面温度也接近220℃±5℃挥发出来的高聚合物不易在玻璃表面凝聚。
b．浸锡完成后,立即将电路放到100℃~150℃环境中(一般可放在烘箱中),再慢慢将存放电路的环境温度降到室温,避免直接将电路放到室温下,使电路体温度骤降再次造成挥发性的气态聚合物在玻璃表面的凝聚而形成污渍。
这种方法较好地解决了玻璃表面被玷污的难题
6结论
按照文中介绍的设计要求及工艺方法,我们不但成功地研制和批量生产了64×32元LED平板显示器,产品通过了严格的环境试验的筛选和检测,保持了较高的合格率,而且顺利地完成了之后的64×64元、96×64元、256×128元等系列LED平板显示器厚膜电路的研制任务。
不难看出：①采用封装外壳上开玻璃窗口的结构,可以给显示器提供光学通跃②玻璃通过镀膜,可以满足对不同波长白光的相应透光率要求③选择合适的封装体材料、粘接剂材料和装配工艺方法,可以使LED显示器件的封装达到气密性及耐机械与热(环境)应力的高可靠性要求；④添加粘接增韧剂,优选工艺条件,可以解决LED显示器件封装的工艺难题。
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