金錫共晶互連對(duì)HP-LED光熱性能的改善

殷錄橋，翁 菲，付美娟，宋 鵬，張建華*

(1.上海大學(xué)新型顯示技術(shù)及應(yīng)用集成教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200072;2.上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072)

1 引 言

散熱的好壞直接影響到HP-LED器件的可靠性。芯片互連層介于芯片與基板中間，是將芯片熱量傳遞至封裝基板的第一個(gè)通道，芯片互連層的不良會(huì)直接引起LED芯片結(jié)溫和熱阻的上升［1］，因此在整個(gè)散熱通道中互連層起著至關(guān)重要的作用。導(dǎo)電銀膠是傳統(tǒng)LED封裝結(jié)構(gòu)中互連材料的首選，但是由于HP-LED對(duì)散熱要求的越來越高，對(duì)于熱傳導(dǎo)系數(shù)難以超過30 W/(m·K)的普通導(dǎo)電銀膠來說，已經(jīng)難以滿足眾多HP-LED的散熱要求。為了改善HP-LED的散熱性能，很多研究者在互連材料方面進(jìn)行了研究。Li等［2］的研究表明，低溫固化的納米導(dǎo)電銀膠在溫度循環(huán)、濕熱環(huán)境老化條件下的剪切力會(huì)出現(xiàn)下降的趨勢。Wang等［3］對(duì)基于納米導(dǎo)電銀膠、普通銀膠和無鉛錫膏封裝的HP-LED進(jìn)行了相關(guān)研究，結(jié)果表明，納米導(dǎo)電銀膠互連封裝的器件具有最好的出光性能。Liou等［4］對(duì)摻雜有少量碳納米管的錫膏與普通導(dǎo)電銀膠、錫膏(Sn3%Ag0.5%Cu)3種互連材料封裝的LED進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，摻雜有少量碳納米管的錫膏互連封裝的LED器件具有較好的熱學(xué)性能。金錫共晶互連在LED器件的應(yīng)用方面也有相關(guān)研究，對(duì)銀膠、錫膏和金錫共晶3種互連材料而言，金錫共晶互連的LED器件具有最低的熱阻［5-6］。LED器件的散熱雖然跟封裝材料的導(dǎo)熱率具有一定的關(guān)系，如封裝材料尤其是互連材料的熱導(dǎo)率越高，散熱會(huì)越好，但是當(dāng)熱導(dǎo)率達(dá)到一定程度后，提高熱傳導(dǎo)率對(duì)散熱的改善效果就不再顯著［7］。以上研究結(jié)果表明，互連材料對(duì)LED器件的散熱及可靠性有直接的影響。金錫共晶互連多年前在較大尺寸的晶圓或者基板封裝方面就有相關(guān)研究［8-9］，目前在HPLED封裝中沒有大規(guī)模推廣主要是金錫共晶互連工藝比較復(fù)雜，加熱方法會(huì)直接影響到互連界面的質(zhì)量。正因?yàn)槿绱?，本文將基于不同互連材料封裝的HP-LED器件為研究對(duì)象，分別就共晶加熱方法對(duì)共晶互連界面的影響、不同共晶互連材料封裝的LED器件在光學(xué)、熱學(xué)及剪切力等方面分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

2 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中選取的3種互連材料是金錫(Au80Sn20)、錫膏(Sn96.5Ag3Cu0.5)及高導(dǎo)熱的銀膠(30 W·m－1·K－1)。LED芯片為CREE公司的EZ900系列?；迨翘沾筛层~鍍金基板?；谠摲庋b基板封裝好的LED器件如圖1所示。

圖1 封裝好的HP-LED器件Fig.1 Packaged HP-LED

圖2為實(shí)驗(yàn)中采用的共晶工藝示意圖。首先，對(duì)底部加熱與底部、頂部共同加熱共晶工藝對(duì)互連層熱阻、互連層缺陷方面的影響進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究。然后，針對(duì)封裝好的HP-LED器件分別進(jìn)行了熱阻測試(T3Ster)、光學(xué)測試(HAAS-2000)、互連界面厚度測試(光學(xué)顯微鏡)及剪切力測試(Dage 4000)。

圖2 共晶結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Eutectic process diagram

3 結(jié)果與討論

3.1 不同封裝材料、不同共晶加熱方法對(duì)HP-LED互連層熱阻的影響

圖3是3種不同互連材料互連封裝的HPLED器件在T3Ster熱阻測試設(shè)備上的測試結(jié)果。金錫(底部、頂部共同加熱)、錫膏、銀膠互連封裝的 LED 器件的互連層熱阻依次為 3.7，4.6，5.8 W·m－1·K－1，金錫共晶封裝(底部、頂部共同加熱)的LED器件的互連層熱阻相對(duì)于錫膏、銀膠分別降低了20%和36%，在互連層熱阻層次上的改善效果非常顯著。而基于底部加熱方式的共晶工藝互連封裝的HP-LED器件的互連層熱阻高達(dá)8.7 W·m－1·K－1，可見底部、頂部共同加熱的金錫共晶互連封裝方式是一種有效的改善共晶互連界面熱阻的方法。

圖3 不同互連材料、不同共晶條件下的互連層熱阻對(duì)比。Fig.3 Differential structure functions of HP-LED interconnected by different materials and different eutectic process

由此可見，在共晶互連工藝中，共晶互連層的熱阻明顯受加熱方式的影響。為了解釋造成這兩種共晶工藝互連層熱阻較大差距的原因，我們將兩種互連工藝互連封裝的LED器件分別進(jìn)行X射線掃描測試，測試結(jié)果如圖4所示。固晶層中的空洞對(duì)芯片級(jí)封裝的器件熱阻影響比較明顯，研究表明:無規(guī)律的、小尺寸的空洞分布增長率與熱阻增長率具有線性關(guān)系，而連續(xù)性的、大尺寸的空洞與熱阻增長之間則是指數(shù)關(guān)系［10］。從圖4(a)可以發(fā)現(xiàn)，在底部加熱的共晶互連層中，存在著大量連續(xù)性的空洞;而從圖4(b)可以發(fā)現(xiàn)，底部、頂部共同加熱方式基本不存在空洞，尤其是沒有連續(xù)性的空洞。該測試結(jié)果表明，底部、頂部共同加熱的共晶方法可以有效地改善共晶互連層中的空洞缺陷。

圖4 X射線測試結(jié)果。(a)底部加熱共晶互連LED;(b)底部頂部共同加熱互連LED。Fig.4 X-ray tested results.(a)Bottom heating only.(b)Bottom and top heating together.

3.2 不同封裝材料對(duì)HP-LED峰值波長偏移的影響

圖5 不同互連材料互連封裝的HP-LED器件在50 mA和1 000 mA下的峰值波長。(a)金錫共晶(底部、頂部共同加熱);(b)錫膏;(c)高導(dǎo)熱銀膠。Fig.5 Peak wavelengh of different materials interconnected HP-LED drived by 50 mA and 1 000 mA.(a)AuSn(bottom and top heating).(b)Solder paste.(c)Silver paste.

圖5是3種不同互連材料互連封裝的HPLED器件分別在50 mA和1 000 mA下的峰值波長。通過圖5可以發(fā)現(xiàn)，金錫共晶(底部頂部共同加熱)、錫膏共晶與高導(dǎo)熱銀膠互連封裝的HPLED器件，在50 mA和1 000 mA電流驅(qū)動(dòng)下的波長偏移分別為 1，3.9，1.5 nm。峰值波長的偏移不利于白光LED色調(diào)的穩(wěn)定性，因此從該方面來說，金錫共晶互連的HP-LED在出光方面比較穩(wěn)定。

3.3 不同封裝材料對(duì)HP-LED固晶層厚度及剪切力的影響

將3種互連材料互連封裝的LED器件沿著與LED芯片發(fā)光面垂直的方向進(jìn)行切割并拋光，然后通過光學(xué)顯微鏡進(jìn)行厚度觀察測量，測量結(jié)果如圖6所示。可以發(fā)現(xiàn)，金錫共晶、錫膏共晶、銀膠互連的3種LED器件互連層的厚度分別為4.8，9.5，11.3 μm。熱阻的計(jì)算公式如下:其中R為材料體的熱阻，h為固晶層的厚度，A為固晶層的截面面積，k為材料體的導(dǎo)熱系數(shù)?？梢钥闯?，熱阻跟互連層的厚度成正比。所以從厚度上來講，金錫共晶在這3種互連方式中最有利于降低熱阻。該結(jié)果也與圖3的熱阻測試結(jié)果相一致。

最后，對(duì)3種不同互連材料封裝的大功率LED器件進(jìn)行剪切力測試，測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 3種材料互連的LED器件的剪切力測試Fig.7 Shear force of HP-LED interconnected by three kinds of interconnect material

通過該剪切力測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，金錫共晶、錫膏共晶、銀膠互連的3種LED器件互連層的剪切力分別為 9.2，4.2，1.5 kg。圖8 為剪切力測試后的互連界面，可以發(fā)現(xiàn)錫膏、銀膠互連層的斷裂面大部分發(fā)生在互連界面中，而金錫共晶互連層的斷裂面有相當(dāng)一部分發(fā)生在芯片底部的硅襯底層上。該現(xiàn)象表明共晶互連界面的強(qiáng)度已經(jīng)超過芯片硅襯底的強(qiáng)度。

圖8 3種材料互連封裝的HP-LED經(jīng)過剪切力測試后的斷裂面。(a)Au80Sn20;(b)錫膏;(c)銀膠。Fig.8 Interconnect surface of shear test.(a)Au80Sn20.(b)Solder paste.(c)Silver paste.

4 結(jié) 論

以金錫、錫膏、銀膠3種互連材料互連封裝的LED器件作為研究對(duì)象，分別就共晶加熱方式對(duì)共晶互連層界面質(zhì)量的影響、3種互連材料對(duì)HP-LED器件熱學(xué)、光學(xué)、剪切力等性能的影響開展了研究。底部、頂部加熱方式可以有效避免底部加熱共晶工藝中界面互連層中空洞的缺陷。在熱學(xué)方面，共晶互連層的熱阻相對(duì)于錫膏、銀膠互連層的熱阻分別降低了20%和36%。在光學(xué)方面，共晶互連的HP-LED相對(duì)于另外兩種材料互連的器件在50 mA、1 000 mA兩種電流驅(qū)動(dòng)下的峰值波長偏移最小。剪切力測試表明，共晶互連層的剪切力強(qiáng)度是3種材料中最好的，而且斷裂面發(fā)生的位置也驗(yàn)證了金錫共晶互連方法是一種互連強(qiáng)度可靠的方法。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，共晶互連工藝不僅可以有效降低LED器件的熱阻、提高出光效率，而且還可以提高互連層的互連強(qiáng)度，是改善HP-LED散熱及互連強(qiáng)度的有效方法。

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