硅襯底結構LED芯片陣列封裝熱可靠性分析

海 洋

(桂林電子科技大學，廣西 桂林 541004)

LED被公認是21世紀節(jié)能的、環(huán)保的綠色光源。許多國家包括中國在內都紛紛投入大量的人力物力來研究LED的燈具產品。近年來，高的科研投入得到了回報，LED燈具產品的種類越來越多，應用的場合也越來越廣泛。因此，設計合適的LED燈就顯得尤為重要。目前，LED封裝正朝著高密度、集成化、高功率的方向發(fā)展。因為單顆LED的功率很小，而作為照明來使用，則要求在照明區(qū)域內需具有一定的均勻光通量和光照度，所以需要采用LED的陣列形式，以加大其發(fā)光亮度和發(fā)光面積，從而改善光照的均勻性。這樣必然會產生高密度封裝，而芯片的集中和總體功率的加大，勢必會造成熱量的集中和增大，那么在溫度載荷的沖擊下，封裝結構的各層材料的熱膨脹系數(shù)的差異將會導致顯著的熱失配現(xiàn)象。為了最大限度地降低溫度過高時產生的熱應力對芯片的破壞，LED芯片需要裝在襯底上，而選擇合適的襯底材料則是研究的重點。

1 LED芯片陣列封裝

最先發(fā)展LED陣列集成技術的是美國Pacific Cybervision公司，由其所研發(fā)的LED陣列照明用燈具的光學輸出量達到了普通單個LED的光輸出量的百倍。同時，由于該LED陣列的高度集成，使其輸出的光在室內可均勻照亮全部空間[1]。

根據(jù)趙剛[2]等人對COB封裝技術的研究，可以了解到COB封裝可以提高電子組件的組裝密度，降低成本，縮小和減輕電子組件的體積和質量。而采用COB封裝結構的LED芯片陣列形式，則可以大大提高LED的總功率以及光照集成度。

本文所研究的對象為一個4×4的LED芯片陣列封裝結構。為了滿足在照明區(qū)域內要達到一定的光通量和光照度的要求，根據(jù)胡海蕾[3]等的研究方案，在本文中對芯片布局進行了一定的優(yōu)化。LED芯片的額定功率為1.2 W，16個芯片的大小均為1mm×1mm×0.2mm，芯片橫向間距為1.5mm，縱向間距為1.8mm。硅襯底的厚度為0.2mm，LED的布線可以在硅襯底上進行，省去了傳統(tǒng)LED引腳器件。鋁基板厚1.5mm。見圖1。

圖1 4×4LED芯片陣列模型

2 有限元模擬

2.1 有限元模型

本文通過對某路燈實物的研究和分析，對實物原型進行改進之后，建立了對應的LED芯片陣列模型，并將其作為分析對象。該4×4LED芯片陣列結構主要由鋁基板、硅襯底、硅襯底焊接材料、GaN芯片和硅膠透鏡組成。為了能夠使用于分析的模型更接近實物，建立了三維有限元模型。考慮到其對稱性，取1/4進行建模，其有限元模型如圖2、圖3所示。

圖2 LED陣列封裝1/4模型

圖3 LED陣列的有限元模型

2.2 材料參數(shù)[4]

模擬中采用的材料參數(shù)見表1。

表1 部件的材料參數(shù)

2.3 溫度循環(huán)條件

溫度循環(huán)測試的目的是用于判定元器件暴露于高溫與低溫環(huán)境下，其對于溫度熱膨脹與收縮所產生機械應力的抗應變能力[5]。溫度循環(huán)主要模擬元件在使用狀態(tài)下，芯片運轉后元件溫度上升，關閉后溫度下降的過程，溫度范圍的選擇主要依據(jù)JEDEC(JESD22-A104-C[6])標準。本文選定的溫度范圍是-55℃～＋125℃,高低溫駐留時間各為10 min，上升和下降速度均為10℃/min，循環(huán)從室溫25℃開始，經過5個周期后最后停留在最高溫度125℃。整個循環(huán)過程根據(jù)升溫，保溫，降溫共分為21個階段。

圖4 溫度循環(huán)曲線

3 結果與分析

現(xiàn)行教育制度下，教師往往教授專業(yè)課程中的一門或幾門課程，課程之間天然被割裂，無法幫助學生將知識進行有效串聯(lián)，將專業(yè)中各門課程有效融合。

圖5 LED芯片陣列Von Mises應力分布云圖

圖6 芯片與硅襯底界面等效Von Mises應力分布云圖

圖6顯示芯片和硅襯底部分等效Von Mises應力分布云圖，最大等效Von Mises應力分布在襯底上，應力值為110 MPa。造成硅襯底等效應力比較大的原因是硅襯底與鋁基板的熱失配是比較嚴重的，應力集中在硅襯底上，在一定程度上保護了芯片，降低了熱失配對芯片的破壞作用。但是如果溫度過高時，加之硅襯底又是布線層，電流流過時會發(fā)熱，當集中在硅襯底上的應力過高時，硅襯底層有被破壞的危險，從而會造成LED失效。

圖3給出了m取值為3～8時在不同誤比特率下完成識別所需的數(shù)據(jù)量.可以看出，在相同數(shù)據(jù)量下，m越小，誤碼適應能力越好；在相同誤比特率下，m越小，識別所需數(shù)據(jù)量越小.

劉佳把嘴巴捂著，一臉防備地看著我，我咧著嘴，風從缺口漏進嘴里，我向他保證，我不親你，真的。我還把手豎起來發(fā)誓。

整個溫度循環(huán)過程中，硅襯底作為過渡性材料，有效地降低了熱失配對封裝可靠性的影響。芯片所受應力情況在安全范圍內。

4 硅襯底

用硅作GaN發(fā)光二極管（LED）襯底將使得LED的制造成本大大降低。因為硅生產技術相當成熟，硅襯底本身價格就便宜很多，而且硅襯底可以做成更大尺寸的襯底 (例如使用4英寸的硅片襯底)，從而可以以提高MOCVD的利用率，以提高管芯產率。硅和SiC襯底一樣，也是導電襯底，電極可以從管芯的兩側引出，這樣不但可以減少管芯面積還可以省去對GaN外延層的干法腐蝕步驟[8]。同時由于硅的硬度較常用的藍寶石和碳化硅襯底的硬度低，因此使用液態(tài)硅浸滲法中使用通用的切割設備就可以切出LED芯片，節(jié)省了管芯生產成本。

鑒于硅的重要作用，和在器件封裝中的表現(xiàn)，我們要開展硅襯底的研究。

圖5顯示LED芯片陣列Von Mises應力分布云圖。LED芯片陣列封裝在溫度循環(huán)載荷下在芯片周圍會發(fā)生應力集中。這是因為在芯片附近由于各部分材料的熱膨脹系數(shù)的差異，導致在溫度循環(huán)過程中，會出現(xiàn)各種材料以不同速度收縮和擴張，從而產生應力，芯片附近材料熱膨脹系數(shù)差異最為明顯，因此會出現(xiàn)應力集中。

F2斷裂：北東向分布，巖層較破碎，見構造角礫，礫徑5～50 mm；長大于2.5 km，產狀317°～332°∠45°～60°。

碳化硅襯底，采用碳化硅襯底制作的器件導電和導熱性能非常好，有利于做成面積較大的功率型器件。由于使用碳化硅襯底的芯片電極為L型，兩個電極分布在器件的表面和底部,所產生的熱量可以通過電極直接導出；同時這種襯底不需要電流擴散層,因此光不會被電流擴散層的材料吸收,這樣又提高了出光效率。碳化硅除了具有高的熱傳導率外，它與硅還有非常好的熱匹配。可惜的是，碳化硅在1 MHz的頻率下介電常數(shù)為40或者更大，因為高速的電流流動而造成的電絕緣損失成了問題[7]。另外，相對于藍寶石襯底而言,碳化硅制造成本較高,實現(xiàn)其商業(yè)化還需要降低相應的成本。目前，美國的CREE公司專門采用SiC材料作為襯底。

如前所述，大學生英語演講能力的普遍提高單靠某一種培養(yǎng)途徑效果有限，研究小組構建了“英語演講選修課+英語演講嵌入型課程+英語演講第二課堂”的多途徑培養(yǎng)模式。小組成員分頭進行英語演講選修課教學實踐、英語演講嵌入型課程教學實踐和英語演講第二課堂活動實踐，培養(yǎng)學生的英語演講能力。

硅襯底作為研究重點，硅是在高功率、高亮度LED方面的應用很廣的半導體材料。近年來，硅作為InN發(fā)光二極管 (LED)襯底材料是很引起注意的，因為有可能將InN基LED器件與硅器件集成?？梢韵胂?，如果在硅的襯底上能生長出器件質量的InN外延膜，這樣則將大大簡化InN基LED器件的制作工藝，減小器件的大小。

由于硅材料易碎，因此不能用來作為封裝體。此外，由于硅的強度不夠，當與硅連接的有機材料有明顯的熱膨脹系數(shù)的差異的話，那么硅就會在熱應力的作用下彎曲。

硅襯底，硅襯底芯片電極也可以做成L型的，電流縱向流動,因此增大了LED的發(fā)光面積,從而提高了LED的出光效率。硅是熱的良導體,所以器件的導熱性能可以明顯改善,從而延長了器件的壽命。

本指安定劉氏江山。 漢·劉邦（高祖）病危時對呂后說：“周勃重厚少文，然安劉氏者必勃也。”見《史記·高祖本紀》、《留侯世家》。后因以安劉爲維護王朝的典故。 唐·白居易《長慶集》十五《題四皓廟詩》：“臥逃秦亂起安劉，舒卷如云得自由?！彼卫钚膫?《建炎以來系年要錄一四七紹興十二年》：“及是秦檜除太師，彥詩以啓賀之，有曰：‘大風動地，不移存趙之心；白刃在前，獨奮安劉之略?！瘷u喜，由是稍復錄用。 ”〔2〕44

硅作為襯底還有很多優(yōu)點。例如高熱導率，光潔的表面非常有利于細線光刻、而且還可以在其內部實現(xiàn)電容耦合。

通過有限元模擬，可以發(fā)現(xiàn)硅襯底與芯片及基板的熱失配比較小。溫度加載的條件下，芯片區(qū)域并未表現(xiàn)出過高的應力集中現(xiàn)象。

雖然與藍寶石和SiC相比，在硅襯底上生長GaN更為困難。因為這兩者之間的熱失配和晶格失配更大。不過在硅上GaNLED方面已經取得了不少令人興奮的結果。硅用作LED芯片襯底，由于這種襯底的熱膨脹系數(shù) (CTE)與芯片非常匹配。而且在硅上容易制作微細間距的互連，所以硅被用作LED封裝的襯底材料將是今后研究的重點。

5 結論

(1)LED陣列封裝是今后LED發(fā)展的方向之一，而LED陣列結構與COB技術方式的相結合，則是發(fā)展的一種思維。兩者相結合代表了高密度、高功率的發(fā)展目標。為以后電子組件朝著低成本、高密度、輕質量、小體積方向的發(fā)展提供了動力。

(2)在本文中通過對帶有硅襯底的LED陣列封裝結構進行有限元分析，發(fā)現(xiàn)芯片所在的單元正是應力集中區(qū)。所以如果將芯片直接焊接在基板上，由于熱膨脹系數(shù)的不匹配，則基板容易發(fā)生翹曲等變形行為，會直接影響到芯片的安全可靠性，問題嚴重時會損壞芯片。而且當環(huán)境溫度越高，結溫越高，這個問題就越嚴重。分析結果還發(fā)現(xiàn)由于有了硅襯底的過渡作用，封裝結構中的熱失配問題有了顯著改善，芯片得到了一定程度的保護 (芯片處的最大等效應力值僅為60 MPa，在安全范圍內)。而且硅襯底上布線，又省去了引腳結構，節(jié)約了成本。

但是，應該注意的是，由于硅襯底與鋁基板也存在著熱失配的問題，以及硅襯底自身的電流發(fā)熱問題，溫度過高時可能會造成硅襯底破壞，從而造成LED失效。所以，如何進一步改進封裝結構，將是我們下一步研究的重點。

于是康師傅根據(jù)這個情況因地制宜，幫助當?shù)亟⒘耸畮兹f畝的環(huán)境友好蔬菜基地。僅此一個項目，就帶動貧困人口6000人，使貧困農民人均年增收近萬元。康巴諾爾基地生產的蔬菜既新鮮又安全，深受消費者喜愛，滿足了當前消費者消費升級的需求。

(3)通過對硅襯底的分析和總結，了解到由于具有了其他襯底材料所不具有的良好的性能，硅襯底作為今后研究的熱點，是應該被引起注意的。

[1]Pacific Cybervision Electronic Co.,LTD[Z].

[2]趙剛，孫風桐.COB技術[J].南開大學學報，2002，35:77-78.

[3]胡海蕾，賴愛光，謝樹森.基于道路照明的LED陣列光照度分布研究[J].照明工程學報，2009,20:77-79.

[4]戴煒鋒，王琚，李越生.大功率LED封裝的溫度場和熱應力分布的分析[J].半導體光電子，2008(3):324-328.

[5]Pradeep Lall,Michael G.Pecht,Edward B.Hakim.溫度對微電子和系統(tǒng)可靠性的影響[M].北京：國防科技大學，2008.

[6]JEDEC Solid State Technology Association.JESD22-A104C[S],Temperature Cycling,May,2005.

[7]William D.Brown.Advanced Electronic Packaging with Emphasis on Multichip Modules[M].

[8]LED結構及襯底材料的選用.行業(yè)知識[Z].