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LED封装浅谈——固晶热阻

2017-07-17 作者: 来源:佛山市香港科技大学LED-FPD工程技术研究中心 浏览量: 网友评论: 0

摘要: 固晶是LED封装过程中非常重要的一环,控制不好会给器件的可靠性带来很大的危害。新材料使用前,一定要先反复从小到大批量试验后再逐渐量产,过程中要严密监控任何的异常变化,将总结出的经验形成文件化。

  LED热管理设计一直是热门话题,也是影响LED发光性能及可靠性的关键技术之一。对于LED器件来说,主要的散热路径是LED芯片产生的热量通过固晶层再到热沉,如果固晶质量不控制好,则固晶层的热阻将是散热路径的瓶颈所在,从而引起结温升高。

  首先,先让我们了解常见的几种固晶方式以及相应的固晶材料。

  LED芯片主要有正装及倒装两种结构,而正装又分为垂直和水平结构。对于垂直LED芯片,常见固晶采用银胶,主要是为了导电、散热、固定芯片,存在的缺点是银胶会吸光;对于水平结构的LED芯片,常见固晶采用透明绝缘胶,主要是为了绝缘并提高亮度,因为它可以发挥反射杯的反射率,从这方面来说,对于小功率LED器件,一般绝缘胶可比银胶提高亮度。但是银胶的热导率比绝缘胶较高,目前市面上银胶热导率可高达40 W / (m*k),因此,大功率LED大多数采用银胶固晶。还有一种应用于功率型LED器件的固晶材料——固晶锡膏,固晶锡膏是以热导率为60 W / m*k左右Sn、Ag、Cu等金属合金作基体的键合材料。但目前固晶锡膏很多是应用在倒装芯片的固晶上,倒装芯片可实现高功率密度,因为其固晶层较接近发光层,热阻可大大降低,而且没有焊线可以缩小固晶间距。常见的倒装芯片固晶有两种,一种是芯片底部有固晶金属层,即带有一层纯锡或金锡共晶合金作接触面镀层,可实现与有镀金或银的基板的粘合。还有一种是倒装芯片底部没有固晶金属层,可使用固晶锡膏实现两个电极与基板之间的粘合。另外,固晶锡膏通过回流炉焊接只需5-7 min,相对于通用银胶的30-90 min,固晶速度快,但是导电银胶的基体树脂是一种胶黏剂, 可以选择适宜的固化温度进行粘接, 如环氧树脂胶黏剂可以在室温至150℃ 固化, 远低于锡铅焊接的200℃以上的焊接温度, 这就避免了焊接高温可能导致的材料变形、电子器件的热损伤和内应力的形成。而且固晶锡膏常有空洞率的问题,因此,固晶方式和固晶材料之间的选择要综合应用场合及成本考虑。

  现在我们回到文中最初提到的,固晶工艺的好坏是影响LED器件的性能的关键技术之一。那么,如何评估固晶工艺质量?虽说目前业界也没有统一的判断标准,我们还是可以跟大家分享下我们的经验。

  一般检查固晶层有多种方式,最常用的是利用x-ray测固晶层的空洞率,这是一种非破坏检测,但缺点是x-ray测试设备分辨率要高于0.5 μm才能勉强看清,而且要在封胶前测试,因为封了荧光胶后荧光粉会干扰到空洞的判定。另一种是封装厂最常用的推力测试,可检验芯片与支架(或基板)的粘接强度,是一种破坏性的检测。所用的芯片尺寸,焊接材料,焊接工艺等不同,其粘接强度的变化也会不一样,所以要凭经验定出一个合理的数值界限来估计固晶质量。图1即为常用的焊接强度测试仪。

 

图1 焊接强度测试仪

  另一种也是破坏性的检测是通过SEM(Scanning Electron Microscope)扫描电子显微镜或OM(Optical Microscope)光学显微镜作截面分析,来观察固晶层的焊接情况。如图2所示,(a)为固晶层焊接良好截面图,(b)为固晶层焊接不良截面图。此方法仅供参考,一般是在做LED失效分析时会用到。

  空洞

(a)固晶层焊接良好截面图        (b)固晶层焊接不良截面图

图2 LED器件固晶层截面分析

  还有一种方法是通过T3ster(Thermal Transient Tester,热瞬态测试仪)测试固晶层热阻,这也是比较间接的方法,但却是最佳分析方法,如文中开头提到,固晶层热阻过大则是LED器件的散热瓶颈所在。图3即为热瞬态测试仪,图4与图5是器件结构每一层对应的热阻测试示意图。

图3热瞬态测试仪

图4 LED封装结构截面图

图5 器件结构与结构函数

  固晶是LED封装过程中非常重要的一环,控制不好会给器件的可靠性带来很大的危害。新材料使用前,一定要先反复从小到大批量试验后再逐渐量产,过程中要严密监控任何的异常变化,将总结出的经验形成文件化。原有材料的使用, 一切的工艺条件都需固定下来,并持续稽核监督,达成LED封装产品的品质不断提升。港科大佛山中心建立的芯片封装中试实验室、材料检测实验室、可靠性实验室、失效分析实验室,不但具有国际先进的固晶焊线自动化设备及点胶设备,能够提供各种不同功率、类型的LED产品封装工艺设计优化,还可以对封装来料、固晶焊线工艺、可靠度进行全面检测。如您在封装过程中遇到任何问题,欢迎来电来涵咨询,佛山市香港科技大学LED-FPD工程技术研究开发中心一定会给您满意解答。


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