無鉛錫膏焊接空洞對(duì)倒裝LED的影響

空洞是無鉛錫膏焊接時(shí)普遍發(fā)生的問題。無鉛錫膏顆粒之間的空隙會(huì)造成空洞。此外由于金屬元素?cái)U(kuò)散速度不一致，在金屬間化合物層中通常會(huì)留下空位，空位在不斷聚集后會(huì)形成空洞?？斩吹某霈F(xiàn)使得導(dǎo)電性能和熱性能受到影響。并且焊點(diǎn)在熱老化后會(huì)出現(xiàn)明顯的空洞生長并帶來失效的風(fēng)險(xiǎn)。那么如何量化空洞對(duì)焊點(diǎn)性能的影響呢？

SAC無鉛錫膏的熔點(diǎn)溫度217℃左右，因此被認(rèn)為是更適合倒裝LED的連接材料。Liu et al. (2014)使用SAC305無鉛錫膏完成DA3547 LED的封裝。Liu等人分析了錫膏體積是如何影響LED芯片封裝空洞的形成，以及解釋了空洞率對(duì)熱性能和機(jī)械性能的影響。

1.無鉛錫膏體積對(duì)空洞的影響
通過X射線觀察，表明無鉛錫膏體積的適當(dāng)增加顯著降低了錫膏層中的空洞率。在通過計(jì)算后得出LED芯片樣品a和b的空洞率分別為46%和3% (圖1)。無鉛錫膏量不足會(huì)導(dǎo)致顆粒之間空隙較多，在焊接后容易聚集成空洞。因而適當(dāng)提高錫量對(duì)減少空洞率有一定作用。

圖1. 錫膏層X射線圖：(a)20μm厚的錫膏層; (b)30μm厚的錫膏層。

2.空洞對(duì)LED封裝的影響
LED封裝的剪切強(qiáng)度與空洞率有著直接關(guān)系。大量的空洞會(huì)造成有效焊接面積的減少，并增加內(nèi)部應(yīng)力。有效面積減少意味著應(yīng)力會(huì)更加集中，使得機(jī)械強(qiáng)度大大削弱并增加斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)空洞率為46%的時(shí)候，LED芯片剪切強(qiáng)度只有3%空洞率芯片的一半左右。 大空洞率還會(huì)增加LED芯片的溫度。Liu 等人還發(fā)現(xiàn)對(duì)于大空洞率的LED芯片溫度為40.5°C。而小空洞率LED芯片的工作溫度只有36.9°C?？梢园l(fā)現(xiàn)空洞率增加也對(duì)芯片的散熱功能有負(fù)面影響。原因是因?yàn)榭斩绰蚀髸?huì)導(dǎo)致熱量過于集中，焊料無法有效將熱量散發(fā)出去，因而導(dǎo)致高溫。

圖2. 不同空洞率LED芯片封裝的熱阻。

Liu等人通過計(jì)算熱阻發(fā)現(xiàn)當(dāng)LED芯片封裝的空洞率過大的時(shí)候，各層熱阻普遍偏大。只有在PI層和TIM層測量出小空洞芯片熱阻明顯大于大空洞芯片。總體而言小空洞率芯片熱性能要更加優(yōu)秀。

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參考文獻(xiàn)
Liu, Y., Leung, S.Y.Y., Zhao, J., Wong, C.K.Y., Yuan, C.A., Zhang, G.Q., Sun, F.L. & Luo, L.L. (2014).“Thermal and mechanical effects of voids within flip chip soldering in LED packages”. Microelectronics Reliability, vol.54(9-10), pp.2028-2033.

審核編輯 黃宇