過渡襯底結(jié)構(gòu)對(duì)CSP LED可靠性的影響

李軍政

（佛山市國星光電股份有限公司，廣東佛山528000）

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過渡襯底結(jié)構(gòu)對(duì)CSP LED可靠性的影響

李軍政

（佛山市國星光電股份有限公司，廣東佛山528000）

摘要：介紹了CSP LED過渡襯底結(jié)構(gòu)及其對(duì)可靠性的影響，分析了一種典型的CSP LED產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，并對(duì)結(jié)論進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，該典型結(jié)構(gòu)對(duì)熱失配應(yīng)力向芯片傳遞效果好。

關(guān)鍵詞：CSP LED；過渡襯底；可靠性

CSP（Chip Scale Package）技術(shù)是電子封裝行業(yè)20世紀(jì)末提出的一種封裝技術(shù)，該技術(shù)主要目的是實(shí)現(xiàn)電子元件的小型化、微型化。

CSP技術(shù)在LED封裝行業(yè)的應(yīng)用在2012—2014年這段時(shí)間才開始受到業(yè)界關(guān)注。從整個(gè)電子封裝行業(yè)來看，CSP器件尚無明確定義。日本電子工業(yè)協(xié)會(huì)定義CSP為芯片面積占到封裝面積80%以上；美國國防部元器件供應(yīng)中心的J-STK-012標(biāo)準(zhǔn)將CSP定義為封裝產(chǎn)品的面積小于或等于芯片面積120%的封裝等［1］。

本文探討襯底結(jié)構(gòu)對(duì)CSP LED可靠性的影響情況。

1　PHILIPS LUXEON Flip-Chip LEDs產(chǎn)品分析

PHILIPS（飛利浦）于2015年9月推出全新的LUXEON Flip-Chip White LED［2］，實(shí)現(xiàn)CSP LEDs結(jié)構(gòu)，本文以LUXEON Flip-Chip White LEDs為例進(jìn)行分析。

1.1樣品測(cè)試數(shù)據(jù)

PHILIPS LUXEON Flip-Chip White LED樣品測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

1.2外形尺寸測(cè)試

外形尺寸測(cè)試數(shù)據(jù)包括：整體厚度為0.25 μm，焊盤寬度為0.35 mm，GAP間距為0.20 mm，芯片大小為38 mil×38 mil。

1.3焊接效果評(píng)測(cè)

PHILIPS LUXEON FlipChip White LED焊接后X射線空洞率檢測(cè)如圖1所示。

表1　PHILIPS LUXEON Flip-Chip White LED樣品實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

圖1　PHILIPS LUXEON FlipChip White LED焊接后X射線空洞率檢測(cè)

其檢測(cè)結(jié)果如下：1）該產(chǎn)品質(zhì)量較好，孔洞率較低；2）推力大于5 kg。

1.4SEM芯片側(cè)面視圖及能譜分析

PHILIPS LUXEON Flip Chip White LED SEM能譜分析如圖2所示。

圖2　PHILIPS LUXEON Flip Chip White LED SEM能譜分析

從圖2對(duì)SEM數(shù)據(jù)分析可以看出，外延層與焊盤之間有一層DLC（Diamond Like Carbon）結(jié)構(gòu)，厚度為4 μm，以此作為過渡層，經(jīng)推測(cè)認(rèn)為，該結(jié)構(gòu)可緩解基板的熱應(yīng)力對(duì)芯片的損傷。

1.5結(jié)構(gòu)剖析推測(cè)

圖3　PHILIPS LUXEON FlipChip White LED側(cè)面推測(cè)結(jié)構(gòu)模型示意

圖4　PHILIPS LUXEON Flip Chip White LED 45°推測(cè)結(jié)構(gòu)模型示意

2　建模分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證過渡襯底對(duì)可靠性的影響，本研究在Ansys中建立了常見的倒裝芯片CSP LED芯片焊接結(jié)構(gòu)，并參照芯片焊接于MCPCB的受力狀態(tài)對(duì)芯片焊接層與GaN層進(jìn)行有限元分析，結(jié)果如表2所示。

表2　不同焊接結(jié)構(gòu)對(duì)芯片焊接層與GaN層受力影響分析

對(duì)表2分析結(jié)果顯示，增大焊接層厚度（An/Sn，3 μm增加至27 μm）可顯著降低芯片組裝應(yīng)力，焊接層應(yīng)力降低67.7%，GaN層應(yīng)力下降更是達(dá)到85.8%，證實(shí)了增大焊接層厚度（采用錫膏焊接實(shí)現(xiàn)）提高倒裝芯片CSP封裝可靠性的可行性。

接著在倒裝芯片CSP器件仿真模型中引入過渡襯底，過渡襯底材料選擇厚度為100 μm薄膜Al2O3材料，進(jìn)行仿真試驗(yàn)。

有限元仿真結(jié)果表明，引入過渡襯底后，焊接區(qū)的應(yīng)力下降了71.2%，GaN層下降了91.2%，有效地保證了倒裝芯片CSP器件的高可靠性工作。

3　可靠性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)常見的焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行樣品試制后的可靠性分析，主要包括：倒裝芯片錫膏焊接結(jié)構(gòu)（焊接層厚度25～35 μm）、倒裝芯片直焊MCPCB結(jié)構(gòu)（焊接層3 μm）、倒裝芯片過渡襯底結(jié)構(gòu)（薄膜過渡襯底100 μm），其結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，錫膏焊接（圖5a）與過渡襯底結(jié)構(gòu)（圖5c）未觀察到明顯漏電（約0.3 μA），推斷材料熱膨脹失配所產(chǎn)生的應(yīng)力極易破壞GaN層，通過錫膏焊接（增加焊接厚度）或引入過渡襯底（熱膨脹系數(shù)～7 E-6/℃）可緩解或阻擋應(yīng)力向GaN層傳導(dǎo)。

由于倒裝芯片下方（GaN，膨脹系數(shù)～5 E-6/℃，以及多層金屬結(jié)構(gòu)），與MCPCB（膨脹系數(shù)18～23 E-6/℃）存在較大的熱膨脹失配，直焊結(jié)構(gòu)（圖5b）便出現(xiàn)了較大的漏電，且停止通電后，漏電電流隨芯片冷卻時(shí)間延長(zhǎng)明顯降低。

冷熱沖擊（-40～100℃）實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)推測(cè)的正確性，直焊結(jié)構(gòu)在循環(huán)100次便出現(xiàn)失效，300次循環(huán)后失效率高達(dá)70%。與此同時(shí)，錫膏焊接雖然在增加焊接層厚度后可以抑制應(yīng)力傳導(dǎo)，其可靠性仍存在很高風(fēng)險(xiǎn)，循環(huán)100次后也出現(xiàn)了失效，3 000次循環(huán)后失效率達(dá)到30%，過渡襯底結(jié)構(gòu)整個(gè)測(cè)試維持0失效。圖6為3種不同結(jié)構(gòu)在冷熱沖擊實(shí)驗(yàn)過程中失效數(shù)量對(duì)比數(shù)據(jù)走勢(shì)圖情況。

圖6　可靠性實(shí)驗(yàn)冷熱沖擊失效數(shù)量走勢(shì)對(duì)比

4　小結(jié)

在CSP LED器件中引入過渡襯底結(jié)構(gòu)，是熱失配應(yīng)力向芯片傳遞的最有效手段。根據(jù)目前的技術(shù)了解，包括Philips、三星、臺(tái)灣隆達(dá)等多個(gè)廠商已經(jīng)開始大力推廣CSP技術(shù)，重點(diǎn)應(yīng)用于TV背光模組及手機(jī)閃光燈等領(lǐng)域，相信未來在消費(fèi)類電子市場(chǎng)同樣有廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

［1］郭大琪，華丞. CSP封裝技術(shù)［J］.電子與封裝，2008（4）∶14-19.

［2］Chip Scale Package（CSP）LEDs│Lumileds［EB/OL］.［2015-09-15］. http∶//www.lumileds.com/products/csp-leds.

【責(zé)任編輯：任小平renxp90@163.com】

Effect of transition substrate on the reliability of CSP LED

LI Jun-zheng
（Nationstar Opto-Electronic Co. Ltd.，F(xiàn)oshan 528000，China）

Abstract∶This paper introduces the transition substrate structure of CSP LED and its effect on reliability. The typical LED CSP product structure is analyzed，and the analysis results are verified. The results show that the typical structure has good effect on the thermal mismatch stress to the chip.

Key words∶CSP LED；transition substrate；reliability

中圖分類號(hào)：TN406

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-0171（2016）03-0026-04

收稿日期：2015-10-22

作者簡(jiǎn)介：李軍政（1983-），男，山東臨朐人，佛山市國星光電股份有限公司工程師。