大功率LED芯片粘結(jié)材料和封裝基板材料的研究

熊 旺，蟻澤純，王 鋼，吳 昊

（中山大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院半導(dǎo)體照明系統(tǒng)研究中心，廣東 廣州 510006）

大功率LED芯片粘結(jié)材料和封裝基板材料的研究

熊 旺，蟻澤純，王 鋼，吳 昊

（中山大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院半導(dǎo)體照明系統(tǒng)研究中心，廣東 廣州 510006）

采用美國Analysis Tech公司生產(chǎn)的Phase11型熱阻測(cè)試儀，以表征熱問題的關(guān)鍵參數(shù)熱阻為基礎(chǔ)，分別對(duì)采用不同粘結(jié)材料和封裝基板的LED進(jìn)行了測(cè)試，并通過結(jié)構(gòu)函數(shù)對(duì)LED傳熱路徑上的熱結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了分析.結(jié)果表明，GaN陶瓷封裝基板、MCPCB板以及塑料PCB板的LED總體熱阻分別為8.95、10.66和22.48℃／W；采用Sn20Au80和銀膠芯片粘接的LED，芯片到Cu熱沉的熱阻分別為3.75和4.80℃／W.因此對(duì)于大功率LED封裝，可在結(jié)構(gòu)函數(shù)的指導(dǎo)下選擇材料，實(shí)現(xiàn)降低熱阻，提高LED壽命和穩(wěn)定性的目標(biāo).

大功率LED；熱阻；結(jié)構(gòu)函數(shù)

LED作為第四代的照明光源，其未來的發(fā)展方向是普通照明領(lǐng)域，用固體光源LED取代白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)照明光源已成為未來10年內(nèi)的發(fā)展目標(biāo)［1］.大功率LED的散熱問題是目前阻礙其迅速發(fā)展的難題之一.由于芯片散熱不良會(huì)造成熱量的積累，從而使得LED芯片結(jié)溫升高，嚴(yán)重影響LED的光效、壽命和可靠性［2－3］，因此如何利用新型材料降低LED的熱阻成為重要的研究課題.

熱阻是評(píng)判LED散熱能力的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行測(cè)量具有重要的意義.現(xiàn)今的熱阻測(cè)量方式包括紅外熱像儀［4］，W／B定標(biāo)法［5］，波峰偏移法［6］等，上述方法都有穩(wěn)定性和可重復(fù)性差，并且無法獲得封裝內(nèi)部各部分熱結(jié)構(gòu)的缺陷.本文利用正向電壓法的瞬態(tài)熱學(xué)測(cè)量，可從降溫曲線中解析出包含熱阻、熱容的結(jié)構(gòu)函數(shù)，得到封裝各部分的熱阻值［7］.對(duì)大功率LED傳熱路徑上的熱結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行分析，闡明封裝中各部分結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣.另外測(cè)量了不同粘結(jié)材料和封裝基板的LED熱阻，得到不同粘結(jié)材料和封裝基板對(duì)LED封裝熱阻及結(jié)溫影響的規(guī)律.

1 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

采用美國Analysis Tech公司生產(chǎn)的Phase11型熱阻測(cè)試儀，以表征熱問題的關(guān)鍵參數(shù)熱阻為基礎(chǔ)，分別對(duì)采用不同粘結(jié)材料和封裝基板的LED進(jìn)行了測(cè)試.

粘連材料的實(shí)驗(yàn)所用芯片均為臺(tái)灣晶圓公司生產(chǎn)的藍(lán)寶石襯底大功率LED.而基板材料的實(shí)驗(yàn)，則用的是中昊光電公司生產(chǎn)的同一個(gè)大功率LED，通過導(dǎo)熱膠將其封裝在不同的基板上.

1.1 溫度敏感系數(shù)K的測(cè)量

在相同小電流條件下，忽略其自加熱效應(yīng)，PN結(jié)結(jié)電壓和結(jié)區(qū)溫度有良好的線性關(guān)系［8－9］，這一特性被用于測(cè)量和分析半導(dǎo)體器件工作時(shí)的溫升，LED的溫度系數(shù)就是這個(gè)線性關(guān)系的斜率.定標(biāo)后的LED結(jié)區(qū)可當(dāng)做一個(gè)溫度探測(cè)器，用于測(cè)量熱阻.

實(shí)驗(yàn)時(shí)將LED放在校準(zhǔn)鍋內(nèi)，油浴加熱和散熱，LED通以1 m A的測(cè)量電流.加熱浴鍋，使油溫達(dá)到較高的溫度（一般不超過LED芯片允許的最高溫度120℃），通過熱電偶測(cè)量油浴溫度，作為LED的結(jié)溫.然后使溫度緩慢下降，每隔5℃讀取一次LED兩端的電壓值，即可得到芯片的K曲線.

圖1 K系數(shù)測(cè)量曲線

由圖1可以看出，K曲線的線性良好，這是由于實(shí)驗(yàn)中的測(cè)試電流為1 m A，不足以使有源區(qū)產(chǎn)生顯著的自加熱效應(yīng)，因此，電壓與結(jié)溫之間的線性關(guān)系明顯.另外由于K值與材料的摻雜濃度、電子和空穴的擴(kuò)散系數(shù)，少數(shù)載流子壽命，導(dǎo)帶和價(jià)帶的有效態(tài)密度等因素相關(guān)，因此對(duì)于同一批次生產(chǎn)的芯片無論是采取共晶還是銀膠封裝，K曲線基本一致，而對(duì)于不同廠家、批次的芯片，K曲線的斜率和截距則出現(xiàn)差異，但線性關(guān)系仍良好.

1.2 熱阻的測(cè)量

正向電壓法測(cè)量原理由 V.Székely［7］首先提出，它是利用正向電壓法得到瞬態(tài)熱響應(yīng)曲線，并從中解析出瞬態(tài)熱學(xué)函數(shù)，對(duì)大功率LED傳熱路徑上的熱結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行分析.因此測(cè)量首先是要得到瞬態(tài)溫度變化曲線，本實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的瞬態(tài)溫度變化曲線是從大電流（加熱電流）變化為小電流（測(cè)試電流）時(shí)的溫度冷卻曲線.

芯片結(jié)溫的溫度冷卻曲線可以寫為：

令z＝ln t并對(duì)a（t）求導(dǎo)得到：

式（2）中，R（z）為時(shí)間常數(shù)譜，W（z）＝exp［zexp（z）］，＊代表卷積運(yùn)算.

通過對(duì)時(shí)間常數(shù)譜的離散化，可抽取阻容（RC）的Foster型熱學(xué)網(wǎng)絡(luò)［10］，如圖2（a）所示.但由于物質(zhì)的熱容僅與其物體本身的溫度相關(guān)，而不是由Foster型熱學(xué)網(wǎng)絡(luò)中的兩節(jié)點(diǎn)溫度差決定，因此Foster型熱學(xué)網(wǎng)絡(luò)中的熱容無實(shí)際物理意義，于是通過數(shù)學(xué)關(guān)系轉(zhuǎn)換可得到Causer型熱學(xué)網(wǎng)絡(luò)與實(shí)際對(duì)應(yīng)（圖2（b））.

圖2 熱學(xué)網(wǎng)絡(luò)（a）Foster型；（b）Causer型

將Causer模型中的各個(gè)熱阻熱容進(jìn)行疊加，得到積分結(jié)構(gòu)函數(shù)：

對(duì)積分結(jié)構(gòu)函數(shù)求導(dǎo)可得微分結(jié)構(gòu)函數(shù)：

由此可見，積分結(jié)構(gòu)函數(shù)的陡峭區(qū)域和微分結(jié)構(gòu)函數(shù)的波峰對(duì)應(yīng)于器件中熱容大、熱阻小的結(jié)構(gòu)，而積分結(jié)構(gòu)函數(shù)的平坦區(qū)域和微分結(jié)構(gòu)函數(shù)的波谷就對(duì)應(yīng)于器件中熱容小、熱阻大的組成結(jié)構(gòu).

在實(shí)驗(yàn)中，由于所選取的發(fā)光二極管都是1 W的大功率LED，因此加熱電流選擇350 m A，熱量從芯片有源層產(chǎn)生，通過有源區(qū)、襯底、芯片粘連材料、內(nèi)部熱沉金屬Cu塊、導(dǎo)熱膠、基板，最后到達(dá)周圍空氣中.當(dāng)加熱達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，再通過開關(guān)快速切換到測(cè)量電流1 m A.在冷卻過程中，芯片層的熱響應(yīng)時(shí)間很短，通常為μs數(shù)量級(jí)，因此對(duì)于采集電壓數(shù)據(jù)的記錄儀要求很高，本實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)采集最小值為3μs.

另外，由于所測(cè)量的是芯片到基板底部的熱阻，因此在基板底部放置一個(gè)熱電偶，上方通過氣壓槍將LED與熱電偶?jí)壕o，熱電偶的讀數(shù)即為LED基板的溫度.基板底部通過固定功率和風(fēng)向的風(fēng)扇進(jìn)行對(duì)流散熱.

對(duì)于不同基板材料的實(shí)驗(yàn)，利用同一個(gè)中昊光電生產(chǎn)的大功率LED，通過導(dǎo)熱膠封裝在不同的基板上，包括GaN陶瓷基板，MCPCB板以及塑料PCB板，得到如圖3所示的微分結(jié)構(gòu)函數(shù).

圖3 不同基板下的微分結(jié)構(gòu)函數(shù)（a）Ga N陶瓷；（b）MCPCB；（c）PCB

從圖3可看出，微分結(jié)構(gòu)函數(shù)最后部分均趨于無窮大，這是由于基板底部相當(dāng)于連接到整個(gè)周圍環(huán)境，其熱容為無窮，因此結(jié)構(gòu)函數(shù)直線上升.另外，由于均用同一個(gè)LED測(cè)量，因此微分結(jié)構(gòu)函數(shù)前面部分（即從芯片到內(nèi)部Cu熱沉）的微分函數(shù)基本一致，僅在峰值之后出現(xiàn)差別，即差別僅出現(xiàn)在封裝基板的部分，由此通過后面的差異部分即可判斷基板材料的散熱性能的好壞.由圖3可知，Ga N陶瓷基板，MCPCB板以及塑料PCB板的總體熱阻分別為8.95℃／W，10.66 ℃／W 和22.48℃／W，由此可見，GaN陶瓷基板的熱阻最小，其散熱情況最好，并且由于Ga N陶瓷的熱膨脹系數(shù)與芯片最接近［11］，因此相對(duì)于MCPCB以及塑料PCB板，陶瓷基板是較好的封裝材料.

由于芯片粘連層對(duì)于LED的散熱和穩(wěn)定性有著極其重要的影響，因此，對(duì)相同芯片的不同粘連材料進(jìn)行了熱阻的測(cè)量.芯片均選取臺(tái)灣晶圓公司生產(chǎn)的同批次藍(lán)寶石襯底大功率LED，分別用Sn20Au80共晶和銀膠芯片粘接固化在相同的支架上，再通過導(dǎo)熱膠封裝在MCPCB板上.測(cè)試結(jié)果如圖4所示.

由于芯片都來自晶圓公司的同一批產(chǎn)品，因此芯片部分的熱阻一致，為1.0℃／W.由于粘接層與內(nèi)部Cu熱沉的分界點(diǎn)不夠明顯，因此選用Cu熱沉的峰值點(diǎn)作為參照點(diǎn)，得到共晶及銀膠的芯片到Cu熱沉的熱阻分別為3.75℃／W和4.80℃／W，由此可見，共晶的熱阻小于銀膠，更有利于LED芯片的散熱.

圖4 不同粘接材料下的微分結(jié)構(gòu)函數(shù)（a）共晶；（b）銀膠

2 結(jié) 論

采用Phase11型熱阻測(cè)試儀，利用正向電壓法，分別對(duì)不同粘結(jié)材料和封裝基板的LED進(jìn)行了測(cè)試.分析了正向電壓法的測(cè)量原理，并對(duì)由降溫曲線導(dǎo)出的微分結(jié)構(gòu)函數(shù)進(jìn)行分析，得到了芯片內(nèi)部各部分所對(duì)應(yīng)的熱阻值，為后續(xù)的測(cè)量打下了基礎(chǔ).最后對(duì)Ga N陶瓷基板，MCPCB板以及塑料PCB板的熱阻進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)以GaN陶瓷為基板的封裝方式熱阻最??；另外對(duì)共晶和銀膠封裝的芯片進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)共晶更有利于LED的散熱.因此在進(jìn)行LED封裝時(shí)，通過結(jié)構(gòu)函數(shù)可以分析封裝的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，預(yù)測(cè)分析封裝形式的優(yōu)劣，對(duì)于選擇合適的材料以降低熱阻具有一定的指導(dǎo)意義.

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Study on die attach and heat sink materials for high power LED

XIONG Wang，YI Ze－chun，WANG Gang，WU Hao
（Sun－Yat Sen University，School of physics and engineering，Center for solid－state light system，Guangzhou 510006，China）

In this paper，based on the key parameter thermal resistance，we use Analysis Tech company's Phase11 thermal analyzer to study different dies attach and heat sink materials for high power LED.By using the evaluation of structure function，we analyze the thermal structure characteristic.The thermal resistance from chip to board for Ga N ceramic，MCPCB and PCB heat sink is 8.95，10.66，and 22.48℃／W，respectively.And the thermal resistance from chip to Cu heat slug for eutectic and Ag grease is 3.75 and 4.80℃／W，respectively.The results show that under the instruction of structure function，it is possible to fabricate high power LED with small thermal resistance，long durability and stability by applying appropriate new materials.

high power LED；thermal resistance；structure function

O475

A

1673－9981（2010）04－0338－05

2010－10－11

熊旺（1986—），女，重慶人，碩士研究生.