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采用纳米银焊膏低温烧结封装c某b大功率某某模块的可靠性研究pdf

发布时间:2019-08-02 03:13 来源:未知 编辑:admin

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  第一章 文献综述 第一章 文献综述 1.1LED概述 1.1.1LED 的发光原理 LED LightEmittingDiode ( ,半导体发光二极管)的芯片由掺有杂质的半导 1-1 P N 体组成。如图 所示,一部分是 型半导体,另一部分则是 型半导体,它们 共同组成了P-N结。 图1-1LED发光原理图 N P 与普通二极管相同,电子容易从 区 (阳极)流到 区 (阴极),当电子从 N 区流到P区时,发光二极管的电阻趋近于零,但是当电流反向时,发光二极管 的电阻趋近于无穷大,即发生断路。在P 区,空穴占主体地位,而在N 区,电 P-N N 子占主体地位。由于空穴带正电,电子带负电,当 结两端加上电压时 ( 区 连接阴极,P 区连接阳极),半导体材料便会受到激发,N 区处于激发态的电子 进入P区并与P区的空穴复合,并且由高能量状态向低能量状态跃迁,以光子的 形式向外释放能量。这被称为电致发光,也是LED 的基本发光原理。 LED所发出的光一般为单色光,如红色、黄色、绿色或蓝色,其波长范围 [1] 是一个狭窄的光谱带,取决于构成P-N结的半导体成分和LED 的封装设计 。 1 万方数据 第一章 文献综述 1.1.2LED 的封装技术 LED被开发后,经过四十多年的发展,人们研发了多种封装方法,不同的 封装形式有不同的特点和应用。现在常见的LED封装形式有图 1-2 的引脚式封 1-3 1-4 装、图 的表面组装(贴片)式封装和图 的板上芯片直装式封装等。 LED引脚式封装出现较早,这种LED在顶部包封上环氧树脂,以引线架作 为其引脚,可直接被焊接到电路板上,这极大地方便了LED 的装配工作,因此 这种封装形式的LED可以很快被人们接受和使用。但引脚式封装的LED散热能 力较差,芯片发光时所产生的热量只能通过引脚导出至电路板上进行散热,封装 热阻较大(一般高于 100K/W),寿命较短。因此引脚式封装形式一般用于电流 较小(20-30mA),功率较低(小于0.1W)的LED 电子封装,主要用于仪表显 示或指示,大规模集成时也可作为显示屏。 图1-2 引脚式封装形式 SMT 表面贴片封装 ( )式封装在设计上去除了引脚,是一种可以直接将电子 封装好的器件贴、焊到PCB (PrintedCircuitBoard)表面指定位置上的一种电子 封装技术,具体而言,就是用特定的工具或设备将芯片引脚对准预先涂覆了粘接 剂或焊膏的焊盘图形上,然后直接贴装到未钻安装孔的PCB表面上,经过波峰 焊或再流焊后,使器件和电路之间建立可靠的机械和电气连接。这种封装技术利 用大尺寸的热沉增强LED 的散热能力,因此其散热能力相比于引脚式封装更佳 [2]。由于引脚占了LED整体的一部分重量,因此SMT封装的LED重量得到减 轻,同时其体积也得到压缩。此外,由于其表面贴装工艺,SMT封装LED 的散 色角大,发光更加均匀,可靠性高、高频特性好、易于实现自动化,是电子行业 比较流行的一种电子封装技术和工艺。 2 万方数据 第一章 文献综述 图1-3SMT封装形式 而相比于前两种封装形式,COB是板上芯片直装(ChipOnBoard)的英文 缩写,具体结构图如图1-4所示,基板上刻有多道凹槽,裸露的LED芯片通过 粘接剂或焊膏将单个或多个LED芯片直接贴装在基板上,用金线和粘接层将芯 片的电极和基板的正负极相连,从而对芯片进行电气连接,之后再用密封剂将芯 [3] 片以及电气键合部位密封起来 。COB封装技术不仅能减少支架的制造工艺及其 [4] LED 成本,而且还可通过基板直接散热 ,减少热阻,更适合大功率多芯片阵列的 电子封装。同SMT相比,不仅大大提高了电子封装功率密度,而且降低了电子 封装热阻(一般为6-12W/m·K)。 图1-4COB封装形式 1.2LED 的散热途径 一般而言,LED 芯片(Die)通过粘接材料及打金线的方式与芯片基板 (Substrateo LEDDie)相连接,而后再将其固定于系统的电路板上(System CircuitBoard)。因此,LED可能的散热途径为通过荧光粉、透镜直接往空气中 散热,或经由LED基板至系统电路板再到大气环境,主要包括 1、LED 内部散 热;2、基板的散热;3、基板端的散热。对于LED器件本身的内部散热,由于 P-N结产生的热量有80%通过衬底、粘接材料和热沉传出至外界,所以内部散热 3 万方数据 第一章 文献综述 的改进就涉及到芯片衬底、粘接材料、热沉等的选材以及工艺制作以及封装结构 的设计。LED 内部散热完成后,必须要通过基板,热量才能传递到外部环境中, 所以提高基板的热导率对于整个LED系统有效散热具有至关重要的作用。同时 基板还需要完成对LED系统的电气连接和物理支撑的作用,所以对基板的设计 要同时考虑电气和导热性能。最后,若基板直接传给空气的话,传热性能会很差, 因此一般通过增加热沉、采用微热管及通过在散热器上安装微泵装置等方法来改 善LED 的散热问题。 1.3LED封装中的粘接材料 LED芯片的封装,在COB封装技术中包括LED芯片与基板之间的粘接和 LED芯片的电气连接。作为一级封装,LED芯片的封装在封装技术中占有举足 轻重的地位,因为芯片发光所需要的电流需由电路互连线和粘接层导入,此外, 芯片工作时所产生的热量首先需要粘接层向外疏散。因此,为了满足大功率LED [5] 的导电与散热需求,我们需要采用适合的芯片粘接材料以保证其可靠性 。如今 常用的粘接材料有锡基焊料,导电银胶和纳米银焊膏等。 1.3.1 锡基焊料 锡基焊料是电子封装中使用非常广泛的粘接材料,在微电子封装中起到机械 1 2 连接、电气连接和加强导热的作用,其优点主要有:()可焊性良好;()性价 [6] 比高;(3)熔点低,共晶温度相近于PCB耐热性 。锡铅是传统焊锡材料的主 要成分,其中Sn63Pb37是最普遍、兼容性最好的锡铅合金,因为Sn63Pb37处 于共晶点,没有半熔融状态,但是铅和铅的化合物都是有毒物质,会造成铅污染, 带来一系列的生态问题,严重危害人类健康,影响儿童智力发育;并易形成金属 [7] 2006 7 1 间化合物,造成焊点发生疲劳断裂 。从 年 月 日起,欧洲“降低有害 Reductiono HazardousSubstances RoHS 物质( , )”法案开始执行,规定严禁使 用铅(除少量规定的豁免产品外)类物质。因此,无铅化封装已经成为全球趋势, 无铅焊料必将逐渐替代传统的锡铅焊料。无铅焊料大多以锡为基础材料,用其他 无毒金属替代铅,并进行配比合金化。目前大量种类的的无铅焊料中,锡银系焊 料(Sn96.5Ag3.5)、锡铜系焊料(Sn99.3Cu0.7)、锡锌系焊料(Sn91Zn9)拥有 较理想的物理性能,因此成为了应用最广泛的无铅焊料。Sn96.5Ag3.5 由于有良 好的扩散性、粘接力好、助焊剂残留外观好,被电子工业界广泛应用,其中,锡 银铜系(SAC)是用于电子钎焊最多的焊料合金体系,其熔点在490K左右,比 传统锡铅焊料拥有更好的抗拉强度,但是SAC焊料的高硬度特点提高了焊点脆 4 万方数据 第一章 文献综述 Ag Cu [8] 性,研究表明降低 含量,提高 及掺杂含量均能显著改善焊点脆性 。 Sn99.7Cu0.3共晶焊料的熔点为500K,有较低的抗拉强度和较高的延展率,但 其强度和疲劳特性均比SAC低。Sn91Zn9的熔点为472K,与传统的锡铅焊料共 晶点相近,可用于连接耐热性不好的元器件,但是Sn91Zn9与助焊剂的氧反应 活性较高,因此无法用于电子连接,其应用受到限制。为了在焊接过程中获得满 意的焊接效果,助焊剂是必不可少的,助焊剂保护焊料加热时不被氧化,并消除 原有氧化物,提高焊锡对焊件的润湿能力,只有焊料能润湿焊件,才能进行焊接, 因此焊料合金与助焊剂的兼容性十分重要,在无铅焊料合金中,Sn91.7Ag3.5Bi4.8 和Sn90.5Bi7.5Ag2和助焊剂的兼容性较好,他们具有较好的润湿特性和成球性 Bi 能,保存寿命和使用时间也非常好,但是含 的无铅焊料硬度较高,易提高焊 点脆性。总的来说,尽管人们对无铅焊料已有了广泛的研究,但能完全媲美传统 锡铅焊料的无铅焊料仍有待发展,因此,性能更佳并能满足环保要求的封装粘接 材料是电子封装的研究热点之一。 1.3.2 导电银胶 20 世纪 50 年代,导电胶就被作为专利记录。导电胶材料(Electrically ConductiveAdhesives ECA , )是聚合材料和导电填料的复合物。导电填料提供电 气性能,聚合材料提供一定的机械性能。导电填料一般包括金、银、镍、铜等金 属粉末、金属氧化物、石墨及一些导电性炭黑,聚合材料一般包括环氧树脂、聚 Polyimide PI [9] 酰亚胺 ( , )等 ,而金属氧化物导电性差,石墨难粉碎,较难应用, 炭黑加工困难,因此常用的填料主要是金、银、铜、镍金属粉末,由于价格原因, 一般在高要求下才选择金粉末,铜、镍粉末只能应用于低温,而银粉末有以下优 1 2 3 点:()工艺简单;()材料组合选择性范围大;()工艺参数和粘结剂体系适 [8] ECA [10] 用广泛 。 的固化温度低且环保、分辨率低、焊后易修补 ,已经在电子封 装领域得到了广泛应用。ECA分为两种:各向同性导电胶(IstropicConductive Adhesives ICA AnisotropicConductiveAdhesives ACA , ),以及各向异性导电胶( , ), ICA ACA z [11] 在各个方向导电能力基本一致,而 只在 方向导电 。尽管导电胶有 其自己的优势,但在高温下导电胶易分解,无法满足电子器件在高温高功率场合 的应用。因此,寻找高温下可靠的芯片连接材料成为新的研究热点。 1.3.3 纳米银焊膏 [12] 电子器件在航空航天、国防、石油钻井 等领域应用的快速发展使得封装区 域小型化,集成电路密集化,这对电子器件的连接封装带来了巨大的挑战。由于 SiC 5 宽带隙 半导体器件能够在大约高于硅基器件的 倍的很高的温度下工作(理 5 万方数据 第一章 文献综述 873K[13] 10 论上可达到 ),且具有大约为硅的 倍的更高的击穿电压,更低的开关 损耗,能承受大约高于硅3~4倍很高的电流密度,因此受到人们广泛的关注,并 进入商业领域,美国军方已将其应用于脉冲电源(如电磁轨道炮等)、电子雷达 SiC SiC 系统,能源公司采用 帮助发现隐藏的能源(如油井),采用 技术对国家 [14] 电网进行拆修 。而高温时,焊料合金易发生回流塌陷,易形成金属间化合物, [15] 导电胶易发生分解固化。锡铅焊料工艺性能比较优良 ,但是铅严重影响人体健 康,逐渐不被应用,无铅焊料的硬度、拉伸强度、扩散性、粘力以及与助焊剂的 兼容性无法同时满足,无法媲美锡铅焊料,因此传统的封装材料已经无法满足电 子器件发展要求,对新型封装材料的研究与开发迫在眉睫。目前,欧洲电子封装 工业领域正在大力发展一种新型无铅环保的芯片粘接技术,烧结金属粉末可使烧 结焊点具有良好的导电导热性及抗疲劳性能,金属粉末烧结温度通常为金属本身 熔点温度的0.5-0.8倍,因此烧结温度比较高,会高于电子器件等能承受的最高 [16] 温度,这是不被允许的。根据烧结理论可知 ,可以通过施加压力或降低粉末颗 粒度增加烧结驱动力,从而降低烧结温度到 553K 以下。Scheuermann[17]和 [18] [19] Schwarzbauer 等 通过在芯片或者基板上施加准静压(Quasi-Hydrostatic),以 增加微米银粉在低温的烧结驱动力从而降低烧结温度。他们在大约40MPa (相 当于在100mm2 的芯片上施 4000N 的力)的辅助条件下,烧结完的银连接层 达到80%的致密度,烧结温度降低到523K,而且连接接头有很好的导电导热性。 然而此方法所施加压力偏大,操作复杂,设备要求高,增加了额外工艺及装备成 [20] 本 ,因此,陆国权教授课题组提出采用纳米银颗粒代替微米银粉,成功降低烧 [21,22] 结温度及烧结辅助压力,制备发明了纳米银焊膏 。基于烧结理论,烧结的驱 动力主要来自于颗粒系统的界面能和表面能,烧结前颗粒系统所具有的表面能越 高,致密化的过程就越容易发生,因此,把不致密的颗粒转变为一个致密的晶体 [23] 是烧结的主要目的,一般纳米材料的颗粒尺寸定义为1~100nm ,纳米颗粒尺 [24,25] 寸越小,材料比表面积越大,因此纳米材料的表面能较高 ,从而容易发生致 密化。然而纳米材料也存在问题,由于纳米材料颗粒尺寸很小,纳米颗粒易团聚、 聚合。团聚现象是指在烧结过程中致密化还未发生之前,颗粒之间由于范德华力 或者静电力等弱作用力所引起的聚集现象;聚合现象是指在烧结过程还未发生之 [26] 前,颗粒之间受到如金属键等强作用力所引起的聚集现象 ,这两种观念容易混 淆,聚合是不可逆的颗粒聚集行为而团聚是可逆的。当收到外部能量诸如超声搅 拌或者机械搅拌,颗粒重新分散开来,那这种行为就是团聚,颗粒不能分散开来 就是聚合行为。团聚现象和聚合现象都会导致颗粒有效半径提高,远大于真实颗 粒半径,使纳米材料烧结前的驱动力明显降低,因此,我们必须避免团聚和聚合 现象的发生。陆国权教授课题组通过在纳米银焊膏内添加表面活性剂有效减小了 6 万方数据 第一章 文献综述 团聚和聚合现象的发生。 Lu [27-30] 1 等 研究了纳米银焊膏的性能,发现纳米银焊膏具有以下特点:() 无铅环保,符合欧盟RoHS要求;(2)可低温烧结(573K 以下),因此不会导 3 1-5 致芯片在烧结时发生热损伤;()可靠性高,烧结纳米银呈多孔结构(如图 ), 弹性模量低,热应力小,因而可靠性较高,低温烧结纳米银焊膏技术至少能够将 产品的寿命提高至原来的5倍,这意味着产品的市场竞争力将占据非常大的优 4 势,尤其是针对寿命要求高的行业。()导电耐高温,银导电导热率高且熔点为 1234K 5 ,耐高温,可满足高温大功率电子器件的芯片互连要求;()连接强度与 焊料差不多,在烧结过程中,纳米银颗粒发生致密化行为,在烧结之后纳米银焊 [31] 6 膏将获得很高的烧结密度,因此大大增强了芯片与基板之间的连接强度 ;() 性价比高,相对于传统焊锡钎料,银的价格确实较高,虽然单颗产品中纳米银的 使用量较小,但仍会导致基于低温烧结技术的大功率半导体产品的价格提高 5~10%,不过烧结纳米银技术所带来的电子封装器件整体性能的提升远大于 10%。随着我国的企业走出国门,越来越多的大型企业将会更加关注产品的性能 和性价比。因此,纳米银焊膏粘接的产品凭其性能和性价比的绝对优势,将有可 能在电子封装行业内快速占领一席之地。 图1-5 烧结纳米银焊膏电镜扫描图 因此,当纳米银焊膏用于芯片与基板连接时,采用的是一种新型连接工艺— 纳米银焊膏低温烧结技术。在该技术中,采用了烧结的工艺,以实现大功率LED 芯片与基板的连接,并且工艺中所采用的烧结温度远远低于纳米银的熔点温度, 300 80% 如在 ℃以下烧结可得到大于 的密度。 7 万方数据 第一章 文献综述 1.4LED性能及可靠性 1.4.1LED性能的评价 LED是利用半导体PN结把电能转化为光能的电子器件,它不仅具有普通光 源的一般特性,还具有半导体二极管的特性,因此评价LED 的性能,必须由电 学、光学、热学、辐射安全和可靠性与寿命等参数来分析。 (1)电学参数 LED是一个由半导体无机材料构成的单极性P-N结二极管,它是半导体PN - 1-6 LED 结二极管中的一种,其电压 电流之间的关系称为伏安特性。图 为 伏安 特性曲线可知,LED 电特性参数包括正向电流(I )、正向电压(V )、 F F I V LED 反向电流( )和反向电压( ), 必须在合适的电流电压驱动下才能正常 R R 工作。 图1-6LED伏安特性曲线)光学参数 LED 的光学性能主要包括光度量、辐射度量和色度量等方面。光度量是LED cd lm lm/W 光学参数的基础,主要包括光强( )、光通量( )和光效率( ),光强 指某指定方向、某指定立体角内的光通量,光通量指LED发出来的总光通量。 光通量的测试一般在积分球内进行。在测得光通量之后,配合电参数测试仪可以 获得LED 的发光效率。辐射度量参数主要包括辐射通量和辐射效率,辐射通量 和辐射效率的测试方法类似于光通量和发光效率的测试。色度量参数包括色温、 色纯度、半宽度、显色指数和波长等。 8 万方数据 第一章 文献综述 3 ()热学参数 LED 的热学参数主要指结温和热阻。结温和热阻是影响LED光电性能的重 要因素,对LED器件的使用寿命也起到重要作用。LED芯片的P-N结区被公认 P-N LED P-N 为结, 结的温度也就是所谓的 的结温。根据热扩散原理,当 结的 温度高于周围环境的温度时,热量就要往外传递。热阻是指沿热流通道上的温度 差与通道上耗散的功率之比,也就是阻碍热量往外传递的能力。LED结温和热 阻关联密切,热阻越大,结温越高,便会严重影响LED 的光效率和光色稳定性, 同时引起封装材料,如荧光粉,环氧树脂的快速老化,进而使LED可靠性降低, 工作寿命缩短。 1.4.2LED可靠性 [32] 可靠性是指在某规定条件下及规定时间内,产品完成规定功能的能力 。如 今,随着LED芯片功率的不断增 和LED模块尺寸的不断减小,大功率LED 在发光过程中的产热量越来越多,同时产热也越来越集中。这些热量如果不及时 疏散,就会导致很高的结温,很容易造成LED 的性能下降甚至失效。因此在大 [33] 功率LED的封装技术中,可靠性问题就越显重要 ,LED器件的可靠性是指LED 器件抵抗功能退化的能力,可靠性是封装设计的重要考虑因素,如果等设计制造 出来再考虑可靠性无疑增加了损失,这种损失往往是不可估量的,可靠性试验对 验证器件的可靠性是必要的,通过对试验样品施加外力—电载荷,机械载荷,热 载荷等,检查器件试样是否满足所需指标从而判断试样是否失效。 LED器件的失效模式主要包括电失效 (如短路或断路)、光失效 (如高温导 致的荧光粉、灌封胶老化、光学性能严重劣化等)和机械失效(如引线断裂,脱 焊等),而这些因素都与封装结构和工艺有关。大功率LED 的使用寿命以光输出 衰减到一定程度的时间,即失效时间来定义,对于照明用途,一般失效时间指的 光输出衰减到初始的70%(对于显示用途,失效时间一般定义为光输出衰减到 50 [34] LED 初始值的 %)的使用时间 。由于 寿命长,一般为几万个小时,因此在 常温工作环境中对其进行老化往往不太实际,通常采取加速老化试验的方法进行 可靠性测试与评估。测试内容主要包括高低温储存(如 100℃,1000h/-55℃, 1000h / 85 55 85 /85 1000h )、高低温循环热冲击( ℃~- ℃)、高温高湿老化( ℃ %, ) 等。 9 万方数据 第一章 文献综述 1.5 本文的研究意义和主要工作 1.5.1 本文的研究意义 随着LED应用市场的逐渐成熟,人们对大功率LED 的需求越来越多。为了 LED [35] 增强 的竞争能力,就必须提高光通量 。人们采用多芯片集成阵列模块的 方法,使LED 的光输出能力逐年增强,同时LED 的功率和正向电流也逐渐增大。 这导致了LED结温的升高,这有可能使LED 的量子效率降低,寿命缩短,输出 波长红移甚至失效[36-39]。因此,LED模块的散热能力对于LED可靠性影响非常 的大。此外,近年来人们的环境保护和可持续发展的意识越来越强,因此如何在 提高LED 的输出功率的同时尽可能的减小封装体积,以减少封装成本和能量的 浪费成为一个重要课题。 作为一级封装,芯片粘接层是影响大功率LED散热能力的最主要因素,因 [40] 为芯片粘接层是热量由芯片传输到基板的必经途径 。也就是说,大功率LED 在恶劣环境中的可靠性相当大一部分取决于粘接层的材料。如今常用的粘接材料 [41] [42] 有锡基焊料 ,导电银胶 。但是由于这两种粘接材料熔点较低,工作温度受 到了局限,满足不了LED被应用于军工行业、航空航天和核环境等高温恶劣环 [43] 境 的需要,纳米银焊膏作为新兴的热界面粘接材料应运而生,但是人们对于它 的研究还不够成熟,因此研究纳米银焊膏作为粘接材料的大功率LED在高温恶 劣环境下光电性能的变化,并与常见的锡银铜焊料、导电银胶作为粘接材料的 LED相比较,是势在必行的。另外我们还对这三种粘接材料制成的模块进行了 高温、大电流同时加速的老化试验,进而建立大功率蓝光LED老化数学模型, 计算得其寿命数值。 1.5.2 本文的主要工作 1. 环境温度对大功率蓝光LED光电性能的影响 本文研究了环境温度对于大功率COB封装LED性能的影响,通过将对试样 置于光色电测试系统内测试其正向电压-电流(U-I)、光功率-电流(P-I)、光 - Φ-I - λ-I 通量 电流( )、主波长 电流( )关系,并进行了详细的讨论分析。证明 了纳米银焊膏作为新型粘接材料可以实现可靠地大功率LED封装。 2. 粘接材料对大功率蓝光LED光电性能的影响 本试验采用的试样为用含银量为80wt%的纳米银焊膏连接的10W大功率蓝 光LED模块,以及作为对比的用锡银铜焊料和导电银胶连接的LED模块。试样 每3支为一组,共制备三组。将制备好的三组试样置于高温环境中,在高温恶劣 10 万方数据 第一章 文献综述 环境中对LED试样进行光电参数测试,并对所测参数进行分析,以研究粘接材 料对在恶劣环境温度下工作的大功率LED可靠性的影响。 3. 蓝光大功率LED高温大电流电热老化光电性能 本文定义了高温大电流同时加速老化条件下蓝光大功率LED 的 “失效寿 命”,为了研究大功率LED 的老化过程,比较不同粘接材料及环境温度对LED 老化过程的影响,在本试验中,我们选用新型纳米银焊膏及予以对比的锡银铜焊 料、导电银胶作为粘接层,一并在大电流1000mA、高温环境100℃、180℃、200 250 ℃、 ℃条件下进行长时间的老化。并针对老化过程进行分析推导,进而建立 针对该原理的LED老化数学模型,计算其寿命。 11 万方数据 第二章 试样制备以及试验设备和方法 第二章 试样制备以及试验设备和方法 2.1 试样材料 2.1.1 芯片 LED芯片是一种半导体器件,是LED 的核心发光部位,能把电能直接转化 为光能。作为宽带隙半导体材料,GaN具有很高的热稳定性和很强的化学稳定 性,同时具有优异的导热电性能、较高的硬度、耐高温和抗腐蚀能力,因此/ GaN 基LED芯片比较适合于在恶劣环境中使用。在本文关于环境温度和粘接材料对 大功率蓝光LED光电性能的影响极其可靠性的研究中,采用欧司朗公司生产的 F4152A GaN 1WLED 2-1 型 基薄型大功率蓝光 芯片,如图 所示。此芯片为垂直 结构,尺寸为1×1×t0.19(mm),发光面有N极金属层,背面为P极金属层,其 主波长为455nm。 (a) (b) 图2-1OSRAM 大功率LED芯片 (a)OSRAM 1W蓝光芯片示意图;(b)芯片尺寸示意图 2.1.2 粘接材料 本试验为了对比不同粘接材料连接的LED模块的光电性能,除了高导电导 热的纳米银焊膏,还采用了工业上常见的两种粘接材料——锡银铜焊料和导电银 胶。 本试验所采用的纳米银焊膏由美国NBE 公司 (NBE Technologies LLC, Blacksburg,VA)提供,含银量为80wt.%,银颗粒平均尺寸约为30nm。 本文采用的锡银铜焊料为上海华庆焊材科技有限公司生产的针筒式LF-200 型锡膏,其合金成分为Sn/Ag3.0/Cu0.5,金属含量为86wt.%±1.0。粘度稳定,粘 性时间长,针筒吐出流畅、稳定,润湿性优良,残留物及特性符合JSTD-005标 准。 12 万方数据 第二章 试样制备以及试验设备和方法 试验采用的导电银胶为美国Ablestik公司生产的Ablebond84-1LMISR4,是 一种具有导电性能的粘接剂。其主要由树脂基体聚合物和导电填料组成。该导电 银胶的流动能力佳,润湿性较好,且接触电阻稳定,综合性能可靠,固化后可形 成强度足够的接头。 2.1.3Al O-COB基板 2 3 本试验所采用的Al O -COB基板是一种陶瓷基板,由铜在高温下直接印刷 2 3 Al O 2-2 12×12×t0.5(mm) 到 2 3 陶瓷基片表面上而制成,如图 所示。基板尺寸为 , 图中基板左右两边分别为正负两极,中间九个方块即为焊盘位置,也就是试验中 点胶、贴片的位置。该基板适合于高功率、小尺寸、高亮度的LED,其优点是 取代了系统电路板,可直接将多颗LED芯片封装在其表面,提高封装效率,并 且可在基板上直接进行金线键合。此外,由于陶瓷的散热能力较强,从而使其制 备的LED模块寿命得以提高。 图2-2Al O-COB陶瓷基板 2 3 2.2 试样及其制备过程 本试验中的LED模块制备过程全部在千级洁净度的洁净棚内完成。由于本 试验的目的在于研究不同环境中芯片粘接材料对其封装LED模块光电性能的影 响,因此为了避免荧光粉及硅胶的老化对性能测试的影响,在试样制备中,只进 行芯片与基板的互联,而未对其进行荧光粉涂覆及硅胶灌封,这样便使得芯片粘 接材料成为试样间的唯一变量进行对比试验。在大功率LED模块的制备中,分 别采用纳米银焊膏、锡银铜焊料和导电银胶作为粘接材料进行芯片级互联,其试 2-3 样制备过程如图 所示。 13 万方数据 第二章 试样制备以及试验设备和方法 图2-3 试样制备流程图 2.2.1 点胶 芯片与基板采用表面贴装方式连接。在点胶之前,首先把基板用酒精清洗, 以防止电镀的残留液或者油污附着在基板上而影响粘接材料的良好润湿。然后使 2-7 用点胶机(图 )进行点胶,本试验使用的点胶机为脚踏控制,将点胶机的气 管与注射器连接,在点胶机上设定好压力值及出胶时间。当脚踩脚踏开关时,压 缩空气便会被送入注射器,将注射器中的焊膏压出,点在基板被刻蚀出的9个焊 盘上。 2.2.2 贴片 点胶完毕之后,便可使用手动线)进行贴片。将点胶后的 X Y 基板固定在机械定位平台上,在显微镜下手动调整定位平台的 , 轴丝杠,使 真空吸嘴与被点在基板上焊膏对准。将LED芯片吸附在吸嘴下方,手动调节吸 嘴高度,使芯片贴装在焊膏上,并使得焊膏在芯片四周均匀溢出,保证芯片与焊 膏之间有个良好的初始接触。100%的初始接触对于低温烧结过程中纳米银粒子 的扩散以形成坚固的连接,同时对进行高效散热,降低结温,提高器件寿命有着 非常重要的作用。 2.2.3 粘接材料工艺过程 在LED芯片贴装之后,需要进行工艺过程使膏状的粘接材料变为固体以增 加连接强度。纳米银焊膏采用的是低温烧结工艺,将LED模块置于加热台(图 2-9 7.5 /min 280 ),设定加热台温度以 ℃ 的速率增 ,温度增至 ℃后保温十分钟, 使纳米银焊膏获得很高的烧结密度,烧结工艺如图2-4。 14 万方数据 第二章 试样制备以及试验设备和方法 图2-4 纳米银焊膏低温烧结曲线 锡银铜焊料的回流曲线大致可分为:预热区、均温区、回流区以及冷却区。 其中预热区以每秒1~3℃的升温速率将温度从室温匀速上升至120℃;均温区以 0.3~0.7 120 150 每秒 ℃的升温速率将温度从 ℃升至 ℃,使模块表面受热均匀;回 流区用16~45秒将温度从221℃升至250±5℃(高于240℃的时间应控制在10~30 秒之间);冷却区推荐降温速率≥2℃/秒。工艺曲线焊料回流曲线 导电银胶工艺过程简单,在175℃固化一小时即可。 2.2.4 金线键合 芯片经烧结粘接在基板上之后,为了使其与基板两电极实现电气连接,要在 芯片与基板之间打上金线(金线具有电导率大、抗氧化性强、韧性好等优点,被 LED N 广泛应用于 封装行业中)。芯片正面的镀金线路是 级,芯片背面以用粘 接材料连接在基板上共同作为P级。在键合过程中,使用超声波金丝球焊机 (图 2-11)进行打线。将LED模块固定在圆盘上,在显微镜下移动圆盘位置使针头 与需键合的部位对准,打线之前需要调整针头的基准高度,以防止针头被撞击损 15 万方数据 第二章 试样制备以及试验设备和方法 9 LED 毁。基准高度调整后,手动即可进行打线。每个基板上的 个 芯片采用三 2-6 串三并的形式连接,其金线连接线路示意图及点亮效果图如图 所示。 (a) (b) 图2-6 芯片与基板的电路连接方式 (a)三串三并式电路示意图;(b)点亮效果图 2.3 试验装置与测试系统 试验中主要采用点胶机和贴片机实现芯片和基板的连接;采用加热台作为纳 米银焊膏低温烧结的工具;作为纳米银焊膏粘接试样的对比试验,采用回流焊炉 制备锡银铜焊料粘接的试样;采用超声波金丝球焊机实现芯片与基板的电气连 接;采用光电测试系统对LED试样各种光电参数进行测试;采用老化测试系统 对LED试样进行电热老化,研究高温高电流条件对LED模块的影响。 2.3.1 点胶机 Y&D全新推出的Y&D2800型点胶机采用独特的气压控制体系和高速电磁阀系 统,可实现高精度点胶效果,使点胶周期稳定。多功能液晶显示屏,可同时显示 点胶气压、时间、真空吸力,方便控制。 图2-7Y&D2800型点胶机 16 万方数据 第二章 试样制备以及试验设备和方法 2.3.2 手动线为手动真空贴片器,将点胶后的基板固定在机械定位平台上,使用真 空吸嘴(吸气量可调)将LED芯片吸附在吸嘴下方,通过手动调整显微镜下方 定位平台的X,Y轴丝杠,使吸附着芯片的真空吸嘴与被点在基板上焊膏对准, 手动调节吸嘴高度,使芯片贴装在焊膏上,并保证焊膏在四周均匀少量的溢出。 图2-8 手动线为TorryPinesScientific公司生产的可编程数字加热台(HP40),加热台 最高温度可达723K,单阶段保温时间可达到100h,加热速率范围为1~450K/h, 可对多条升温曲线进行编辑及存档,能够达到均匀慢速升温的效果,保证试样受 热均匀稳定。 图2-9 可编程数字加热台(HP40) 17 万方数据 第二章 试样制备以及试验设备和方法 2.3.4 回流焊炉 试验中用于对比的锡银铜焊料作为粘接材料的试样通过北京中科同志科技 有限公司的T200N型回流焊炉完成连接,如图2-10。回流焊炉采用红外线加热 风对流方式进行加热,横流式均衡快速降温系统使冷却过程既均衡又快速。升温 360 SSR 范围可从室温升至 ℃,采用微电脑控制系统进行温控, 无触点输出。焊 接前可根据需要实时设定和调整多条温度曲线,并且每条温度曲线 段温控区域。焊接时可以实时检测每一次焊接的温度曲线,显示出实际的温度曲 线,方便无铅工艺曲线的调整和掌握,特别是保温区和熔融区等关键点的控制。 焊接过程也可采用氮气保护,使焊接质量得以保证。 图2-10T200N型氮气保护回流焊炉 2.3.5 金丝球焊机 本试验中用于金线键合实现芯片与基板的电气连接的是深圳市伟天星半导 体设备有限公司生产的如图2-11所示的WT-2330型超声波金丝球焊机。 图2-11WT-2330型超声波金丝球焊机 超声波金丝球焊机超声波焊接是通过超声振动,振动振幅经放大后传递给劈 18 万方数据 第二章 试样制备以及试验设备和方法 刀,使金线与另一种被焊金属接触面产生摩擦从而实现在焊件上粘接的一种工艺 方法。焊接初级阶段通过振动摩擦去除焊接区氧化膜及其他杂质,使两种金属充 分接触。焊接过程中,摩擦力使得交界面温度升高,发生塑性变形,同时在一定 压力作用下,金线与被焊金属键合在一起,形成牢固的机械连接。 2.3.6 光电测试系统 为了测试光电测试,我们采用了杭州中为光电技术有限公司的ZWL-600快 速光色电综合测试系统,包括电源、测试控制器、快速光谱仪和积分球,如图 2-12。试验时将大功率LED模块的试样用夹具固定在积分球中并且连上正负极, 设置测试参数,便可实现正向电压、漏电流、光强、LED光强角度分布、光通 量、光强、波长、色温、色坐标、显色指数、光效率等半导体照明的电学、光学、 色学参数的精准测试。 图2-12 光色电综合测试系统 2.3.7 老化测试系统 本试验采用如图2-13 的杭州中为光电技术有限公司的ZWL-COO老化光衰 测试系统,配置老化恒流电源,可同时老化测试50颗LED;模块化多路光强采 集器,测试套筒符合CIEB标准,测试探头一级修正;实时采集光衰数据保证老 化试验延续性,节省人工;在线测试,减少人为因素以及环境因素对试验结果的 影响;光衰记录测试系统可脱机运行,避免电脑长时间的工作;各颗LED 的光 强数据可通过专用软件读取并导入EXCEL保存;测试软件可实现对各路光强数 据进行多种平均算法并绘制光衰的曲线 万方数据 第二章 试样制备以及试验设备和方法 图2-13ZWL-COO老化光衰测试系 20 万方数据 第三章 环境温度对大功率蓝光LED光电性能的影响 第三章 环境温度对大功率蓝光LED光电性能的影响 LED光源是一个温度依赖性较强的光源。环境温度的浮动可能导致光输出 的显著变化和发光峰值波长的漂移等现象。因此,研究温度对LED光电性能的 影响是十分有意义的。随着LED产业飞速发展并进入照明领域,研究环境温度 对大功率LED光电性能的影响更具有极为重要的现实意义。 3.1 试验方法 本试验采用的试样为用含银量为80wt%的纳米银焊膏连接的10W大功率蓝 LED 3 3-1 光 模块。试样每 支为一组,共制备三组。本试验采用图 所示光电测 试系统,为了创造高温恶劣环境,试验在LED模块试样下方加入聚酰亚胺金属 电热膜 (heatsheet),利用外设电源 (powersupply)为电热膜提供相对的电压从 而得到相应的温度,同时电热膜上连接有热电偶(thermalcouple)通过温控表 (temperaturecontroller)以监测加热板的温度。试验一共设定了5组环境温度, 分别为27℃、50℃、80℃、100℃、120℃。在高温恶劣环境中对LED试样进行 光电参数测试,并对所测参数进行分析,以研究恶劣环境温度对于大功率LED 可靠性的影响。 图3-1ZWL-600快速光色电综合测试系统 当测试系统启动时,LED芯片在电流的激励下会发出蓝光,积分球对LED LED - L-I - Φ-I 发出的光进行收集以检测 的光输出 电流 ( )、光通量 电流 ( )、光效 率-电流(η-I)、主波长-电流(λ-I)、正向电压-电流(V-I)等光电性能。测试系 21 万方数据 第三章 环境温度对大功率蓝光LED光电性能的影响 统所检测的光电参数均可通过相应的软件进行记录。 3.2 试验结果及分析 在接下来的部分,为了研究环境温度对于大功率COB封装LED性能的影响, 本文将对试验中光色电测试系统所测得的正向电压-电流(U-I)、光功率-电流 P-I - Φ-I - λ-I ( )、光通量 电流( )、主波长 电流( )进行分析和讨论。 3.2.1LED正向电压-电流 三组试样在27℃、50℃、80℃、100℃、和120℃这五组环境温度下的正向 - U-I 3-2 电流电压关系 ( )如图 所示。 图3-2 各温度电流—电压关系曲线 V-I 由图 可以看出,不同的环境温度会引起 曲线的变化:随着环境温度 的升高,正向电压会下降。这是因为对于LED模块来说,正向电压随温度变化 主要是由于电导率 (α)随温度变化: α=nqμ +pqμn p (3-1) 公式 (1)中的n,p,q,μ 和μ 分别指代了电子密度,空穴浓度,电子电n p P N 荷,电子的迁移率和空穴的迁移率。对于 (或 )型半导体,公式等号右边的 第一 (或第二)部分可以被忽略。因为半导体的重掺杂,杂质的浓度会随着温度 的升高而逐渐增 ,因此杂质载体的数量也会随之增 。载体的迁移率会随着温 22 万方数据 第三章 环境温度对大功率蓝光LED光电性能的影响 度的上升而轻微地增 ,但是随后又会因为杂质浓度的升高而显著下降。综合杂 质浓度和迁移率的变化,我们可以得知电导率随着温度的升高而降低,这将导致 [44] LED试样工作电压和环境温度呈反比关系 。 图3-3 某恒定电流下的电压-温度拟合曲线mA下,系统测得的正向电压- 3-3 LED 环境温度关系曲线如图 所示。从图中可以看出, 模块在不同电流下的正 向电压与环境温度呈线性关系,即使在远高于LED额定电流(1050mA)的 1400mA驱动电流下,仍表现出良好的电压温度系数一致性。此现象说明该种试 样具备均匀的电流扩散性能,并能有效抑制焦耳热效应。在此,正向电压与温度 的线性关系可以由下面公式表示: U =A+B×T (3-2) T A B A LED 0 其中 为环境温度; 、 为材料常数, 被定义为 模块在 ℃时的正向电 压,B 为电压温度系数,单位为V/℃,计算得B=-0.007V/℃。 研究表明通过测量正向电压随温度的变化系数可以反映出器件等效串联电 [45] GaN LED P P 阻的变化 。对于 基蓝光 芯片, 型电阻层和 型欧姆接触层是等效 串联电阻的主要来源,等效串联电阻的异常变化可以作为判断GaN基蓝光LED 芯片P型电阻层和P型欧姆接触层材料质量优劣的一个标准。因此,可以预测用 纳米银焊膏粘接的COB大功率LED模块具有很大的提升光电性能及寿命的空 间。 3.2.2LED光功率 电流- 光功率是光在单位时间内所做的功,是LED光源的一个重要的被测量,其 23 万方数据 第三章 环境温度对大功率蓝光LED光电性能的影响 单位为毫瓦 (mW)。在图3-4 中,描述了试样在不同环境温度下光功率和电流的 关系。 图3-4 各温度光功率—电流关系曲线给出了LED模块分别在27℃、50℃、80℃、100℃、120℃不同环境 温度下,光功率随电流的变化关系。由图可以看出,在小电流区域,光功率与电 流基本呈线性关系,随着电流进一步增大,光功率开始停止线性增长,其增长速 率逐渐减缓,最后趋于一恒定值。而且环境温度越高,LED光功率越低。 图3-5 1500mA各温度光功率 图3-5 中给出了当驱动电流为1500mA时,不同温度下LED模块的光功率。 当LED模块在不同环境温度:27℃、50℃、80℃、100℃和120℃下被恒定电流 1500mA 3206 3099 2643 2479 2383mW 点亮时,其光功率分别为 、 、 , 和 。与室 温环境 (27℃)相比,50℃、80℃、100℃、和 120℃温度下工作的LED 的光通 24 万方数据 第三章 环境温度对大功率蓝光LED光电性能的影响 量分别下降3.3%、17.6%、22.7%、和25.7%。图3-4 中拟合的直线为材料、结 构、加工条件固定不变时的理想值,也就是说,当LED模块内部不积累任何热 量的理想情况下,光功率-电流关系应该为一条直线,该直线对应的光功率值用 来作为一个参考值与各个环境温度性能对比。相对于该理想值(4515mW),27 120 29.0% 47.2% ℃、 ℃温度下的光效率分别下降了 、 。随着环境温度的升高,光 功率下降的越多,这是因为随着环境温度的提高,高电流下的LED工作产生的 热原本就无法完全散发出去,加之外界温度升高,使得内部热量进一步增 ,从 而影响模块的光功率。因此,提高大功率LED模块的热性能成为必然。 3.2.3LED光通量-电流 为了使LED优于其他光源,需要使其具有高的光通量和光效率。光通量(Φ) 指的是LED光源在单位时间内发射出的光量,是LED光源的一个重要的被测量, 其单位为流明(lm)。光通量是十分依赖于两个变量:正向电流和结温温度。环 境温度必然会影响结温温度。所以我们绘制了不同环境温度下的光通量-电流曲 线mA测一次光通量。 图3-6 各温度电流—光功率关系曲线 从图 中可以看出,当电流比较小时,由于有限的热累积,光通量增长与 电流呈正比。随着电流的继续增大,增长趋势变慢,并最终到一个平台。 [46] 图3-7是光通量与电流的典型曲线函数 。理论上,如果光通量仅决定于 LED 的正向电流,而且量子效率为 100%,那么光通量增长会与电流呈线 a I a 如图 的 “”到 “”。 指的是 “”点处的电流,被定义为线性增长结束,a 第二部分开始时的电流。从I 处开始,也就是 “a”到 “b”阶段,随着电流的增a 大光效率开始下降,因为电流的进一步增大导致了结温温度的升高,继而使得总 25 万方数据 第三章 环境温度对大功率蓝光LED光电性能的影响 的光通量下降。如果电流继续增大,即“b”到 “c”阶段,散热系统已经不足以 PN 把 结处产生的热量转移到外界环境,从而导致结温快速升高,光效率和光通 [47] 量产生明显的下降 。当然,由于试验设备的限制,我们无法输入更大的电流以 观测 “b”到 “c”阶段的趋势,不过图3-6的试验曲线已经可以帮助我们理解温 度对光通量的影响。 图3-7 光通量与电流的典型曲线 环境温度对光通量的影响示意图 另外,从图3-6 中可以看出电流从300mA到1000mA间,环境温度越高, LED模块的光通量反而比较高。这种现象在很多文献里提到过,被部分地归因 于Si掺杂阱层的高浓度载流子[48-53]。即在高温条件下,载流子数量

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