LED 芯片鍵合材料研究述評

張保坦 孫 蓉 汪正平

1(中國科學院深圳先進技術研究院 深圳 518055)2(香港中文大學 香港 999077)

LED 芯片鍵合材料研究述評

張保坦1孫 蓉1汪正平2

1(中國科學院深圳先進技術研究院 深圳 518055)2(香港中文大學 香港 999077)

發(fā)光二極管(LED)是一類可直接將電能轉(zhuǎn)化為可見光和熱等輻射能的發(fā)光器件。隨著亮度和功率的不斷提高，芯片鍵合材料成為解決大功率 LED 散熱問題的關鍵技術之一。針對 LED 對芯片鍵合材料的性能要求，文章綜述了 LED 芯片鍵合材料的種類、特點及發(fā)展現(xiàn)狀，并重點介紹了環(huán)氧和有機硅材料的應用技術進展。

LED；鍵合材料；環(huán)氧；有機硅；共晶材料

1 引 言

發(fā)光二極管(LED)是一種將電能直接轉(zhuǎn)化為光能的半導體器件。LED 因其工作電壓低、光電轉(zhuǎn)化率高、響應速度快、使用壽命長、安全可靠等特點，已被廣泛應用于指示燈、信號燈、顯示屏、景觀照明等領域，并被譽為 21 世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ木G色照明光源[1,2]。目前就 LED 的光效水平而言，僅有約 25% 的電能轉(zhuǎn)換成光，其余 75% 的都轉(zhuǎn)換成熱能[3]。對于小功率 LED，其發(fā)熱量非常小，基本上不用采取散熱措施就能得到很好的應用。但對于應用于商業(yè)建筑、道路、隧道、工礦等照明領域的大功率 LED 器件而言，如果不能及時將 75% 的輸入功率轉(zhuǎn)變成的熱能散出去，熱累計之后會導致芯片溫度快速升高，從而加劇器件的老化、衰減并發(fā)生色偏移等[3,4]。同時，還會在 LED 封裝體內(nèi)產(chǎn)生熱應力，引發(fā)一系列的可靠性問題。隨著 LED 向高光強、高功率發(fā)展，封裝結(jié)構(gòu)越來越復雜、體積越來越小、功率密度愈來愈大，散熱問題變得更加突出，這些都成為 LED 封裝必須解決的關鍵問題[5]。

芯片鍵合材料作為芯片和支架之間的粘接材料，屬于熱能傳遞的第一個環(huán)節(jié)，其機械強度、粘接強度、耐熱及導熱性能的好壞直接決定著 LED 器件的失效率、衰減率及可靠性，在整個 LED 熱拓撲結(jié)構(gòu)中占有重要地位[7,8]。因此，開發(fā)具有高可靠性的芯片鍵合材料對于促進 LED產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展、推廣和普及 LED 商用照明具有重要意義。LED 封裝結(jié)構(gòu)及散熱示意圖如圖 1 所示[6]。本文主要針對當前 LED 封裝中使用的芯片鍵合材料進行分類介紹，重點闡述商用材料的結(jié)構(gòu)與性能之間的關系及特點。

2 國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

芯片鍵合材料是 LED 封裝工序中關鍵的封裝材料，具有固定粘接芯片、導電或傳熱的作用，對 LED 器件的散熱性、光反射性、VF 特性等具有重要的影響。目前 LED 芯片鍵合形式可分為兩種：一是非金屬基聚合物粘結(jié)材料，二是共晶結(jié)合使用金屬基低熔點合金材料。

2.1 聚合物基粘結(jié)材料

聚合物基粘結(jié)材料又稱固晶膠，通常是以液態(tài)的樹脂為基材，通過加熱固化形成三維交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)聚合物，并以化學鍵鍵合的方式實現(xiàn)與芯片和支架的粘結(jié)。由于該體系固化溫度低，對芯片特性無損傷，且操作簡便，適合大批量生產(chǎn)和自動化作業(yè)，生產(chǎn)效率高，受到 LED 封裝行業(yè)的青睞，成為當前的主流芯片鍵合材料。目前 LED 所用的芯片鍵合材料包括 DX-10C、DX-20C、T3700-20、CT200HK-S1、84-1LMISR4、BQ-6886Q、EPO-TEK H20E、CT-285 等，技術參數(shù)如表1 所示(數(shù)據(jù)來源于供貨商提供的商品技術數(shù)據(jù)資料)。

圖1 LED 器件封裝結(jié)構(gòu)及散熱示意圖Fig. 1. Schematic diagram of the LED packaging structure and heat dissipation

表1 幾種商業(yè)化芯片鍵合材料技術參數(shù)Table 1. The technical parameters of several commercial die bonding materials

從表1中可以看出，根據(jù)封裝芯片結(jié)構(gòu)和需求的不同，芯片鍵合材料可分為導電膠和絕緣膠。對材料的組分進行剖析，則發(fā)現(xiàn)絕大部分都是以環(huán)氧樹脂為基材，這是因為環(huán)氧具有優(yōu)良的粘結(jié)性能、機械強度以及尺寸穩(wěn)定性，而被廣泛用于 LED 和半導體封裝粘合劑。環(huán)氧聚合物是天然的絕緣體，具有非常低的電導率和熱導率，在不添加任何導電導熱填料的情況下能夠滿足LED 芯片鍵合基本性能需求，并得到較高的初始亮度。但是，由于其導熱系數(shù)低(介于 0.2～1 W/ (m·K)之間)，芯片產(chǎn)生的熱量無法及時散發(fā)，熱量累積會導致 LED 器件的光通量大幅下降(如圖2[9]所示)，進而限制其進一步的應用。

圖2 絕緣膠與導電銀膠的老化曲線Fig. 2. The conventional aging test of LED insulating glue and silver glue

為了改善其導熱性能，人們選用高導熱銀作為填充材料，并使其在環(huán)氧基體中形成網(wǎng)絡，從而實現(xiàn)該鍵合材料的導電和導熱。基于這一點，先后開發(fā)出約 2～6.7 W/(m·K)的固晶粘合劑，如 CT200HK-S1、84-1LMISR4、SUMITOMO T-3007-20 和 BQ-6886Q 等，大大改善了芯片的散熱能力，LED 器件老化光衰變小，使用壽命得到進一步提高。隨著 LED 功率的增加及發(fā)光強度的提高，這種熱導率已不能滿足當前大功率裝置的需求，因此 15～25 W/(m·K)高導熱銀粉導電膠便應運而生，如 EPO-TEK H20E、CT-285和 TK-123 等。Li 等[10,11]通過有機二元酸和有機醛除去填料表面的潤滑分散劑，有效地提升膠體的導電及導熱率。Chen 等[12]則通過納米銀粉和銀線復合的方式，利用納米銀線有效填補銀粉之間的空隙，并形成新的導電線路，從而有效地提高導電膠的導電及導熱性能。但是，從其在 LED中的應用過程中，發(fā)現(xiàn)含銀鍵合材料存在一些缺陷：首先是因為金屬銀粉對光的吸收比較大，在相同條件下，與不含銀的鍵合材料相比，其初始光通量要低 5%～10% 左右；其次是在固定 LED芯片時，含銀的體系對點膠量的控制要求非常嚴格，過多易造成漏電和短路，過少則會出現(xiàn)虛接造成開路而粘結(jié)失效；最后，由于銀與環(huán)氧樹脂的比重差別比較大，久置后會發(fā)生偏析、沉淀和團聚現(xiàn)象，需冷凍儲存，給使用過程帶來諸多不便和隱患。因此，開發(fā)高導熱絕緣膠以替代芯片鍵合用導電銀膠成為行業(yè)的發(fā)展趨勢。

環(huán)氧樹脂作為基材在高亮度和超高亮度的大功率方面應用時，其局限性也逐漸顯現(xiàn)。比如耐熱性和抗紫外線性差，在高溫和短波光照下易黃變，這將導致器件出光效率急速下降，光衰嚴重；環(huán)氧樹脂均存在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 Tg，當溫度在該點附件變化時，環(huán)氧樹脂會發(fā)生明顯的膨脹或收縮變形，內(nèi)應力比較大，這樣將使芯片及比較脆弱的引線和電極受到過度的應力而發(fā)生疲勞損壞或脫落。

為了進一步提高產(chǎn)品的可靠性，日本信越、三友和美國道康寧等幾家外資公司分別在 2010年前后提出選用兼具有機與無機物特性的有機硅作為芯片鍵合材料，并先后推出 LED 用有機硅系列固晶產(chǎn)品，如 KER-3000-M2、KER-3200-T5、OE-8001 和 DT-301 等，受到了業(yè)界的廣泛關注。其中以 KER-3200-T5 性能最為突出，其參數(shù)如表 2 所示(數(shù)據(jù)來源于供貨商提供商品的技術數(shù)據(jù)資料)。

其中以信越的產(chǎn)品性能最為突出，KER-3000-M2 粘結(jié)可靠性穩(wěn)定，可長時間耐熱、耐光，且不易變色，主要用于高亮度 LED 產(chǎn)品的固晶。同時，為了增加材料的導熱功能，還開發(fā)出熱阻低、散熱性能優(yōu)良的 KER-3200-T5/T7 等適用于大功率 LED 產(chǎn)品，并且市場占有率非常高。有機硅的主鏈由 Si-O-Si 鍵連而成，側(cè)基為功能性的有機基團，整個分子鏈呈螺旋狀。這種特殊的雜鏈分子結(jié)構(gòu)賦予其許多優(yōu)異性能，比如良好的透明性、耐高低溫性、耐候性、絕緣性及強疏水性等。在 200～250℃ 下長期使用而不分解，不變色；在紫外光的強烈照射下，亦不會耐泛黃，這是傳統(tǒng)環(huán)氧固晶材料所達不到的，使之成為功率型 LED 固晶材料的理想選擇。

表 2 商業(yè)化 LED 芯片鍵合用有機硅產(chǎn)品技術參數(shù)Table 2. The technical parameters of several commercial organic-silicone adhesive for die attach

然而，有機硅這種結(jié)構(gòu)也給其帶來自身的缺陷，即分子間作用力小、基體材料強度小、粘附性差的問題。對此，國外已有不少的專利文獻做了針對性的研究。JP2012140556[13]是采用亞苯基撐結(jié)構(gòu)的有機硅化合物作為原料，制備具有高流動性的有機硅樹脂，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的樹脂固化后具有很高的強度，同時在體系中引入適量的白色顏料(如二氧化鈦)之后，可以顯著提高光的反射率，進而提高 LED 器件亮度。EP0757080[14]采用加成和縮合反應相結(jié)合的方式制備導電性有機硅組合物，發(fā)現(xiàn)其既不會損害金屬絲接合性，又可將芯片牢牢地固定在底物上，并證明可獲得高可靠性的半導體器件。EP0802234[15]是在有機硅樹脂的基礎上引入丙烯酸酯基，通過光引發(fā)自由基聚合和硅氫加成兩種方式進行固化，實現(xiàn)高粘結(jié)性固晶膠的制備，US20130062655[16]也采用類似的方法制備高導熱性固晶材料。US201301312[17]則是將羧酸類衍生物引入到有機硅結(jié)構(gòu)中，制備一種高效的增粘助劑，來進一步改善材料的抗剝離強度。

國內(nèi)對于有機硅芯片鍵合材料的報道很少，僅檢索到幾篇專利，如 CN101775264A、CN101787255A、CN102191012A和CN103571428A 等。CN200910251588.7[18]是在道康寧的 OE-6630 與信越的 SCR-1012 的基礎上通過添加一些導熱填料和助劑進行復配改性；CN200910233704.2[19]和 CN201310546699.7[20]則是分別在苯基硅樹脂中加入各種導熱和導電填料，提高有機硅固晶材料的硬度和導熱性能。這三篇專利均選用苯基樹脂獲得高硬度基體，然而由于結(jié)構(gòu)中含有大量的苯基，存在與環(huán)氧相同的耐紫外和抗老化黃變性能差的問題，因此其在大功率 LED 的應用亦會導致同樣的問題。CN201110069207.0[21]采用加成型甲基硅橡膠的基膠，通過加入大量導電填料制備一種單組分無溶劑的固晶膠，其特點是無溶劑揮發(fā)，膠層不會產(chǎn)生氣孔，操作時間長。 CN201110172354.0[22]設計合成酸酐/環(huán)氧基封端的有機硅化合物，然后通過配合促進劑、導電填料及偶聯(lián)劑制備出耐紫外和耐高溫的固晶材料。CN201110327797.2[23]則是在分子結(jié)構(gòu)中引入雙馬來酰亞胺結(jié)構(gòu)，通過加成固化來提高材料的粘結(jié)強度和機械強度。然而，其光學性能和高溫穩(wěn)定性方面存在嚴重缺陷，無法滿足高亮度高可靠性 LED 的應用需求。目前，國內(nèi)市場上還尚未發(fā)現(xiàn)類似 KER-3200-T5、OE-8001 的國產(chǎn)化有機硅產(chǎn)品。隨著大功率 LED 發(fā)光效率逐步提高，其在照明領域的應用逐漸亦成為現(xiàn)實，因此，克服傳統(tǒng)環(huán)氧固晶膠所存在的問題，開發(fā)高導熱性能的有機硅芯片鍵合材料并國產(chǎn)化非常必要和迫切。

鑒于此，本課題組也于 2013 年開始關注有機硅芯片鍵合材料的開發(fā)，并以耐熱及抗黃變性能好的甲基硅材料作為研究對象，通過分子結(jié)構(gòu)設計，將倍半硅氧烷與硅樹脂結(jié)合。目前已可獲得硬度達到 65D 的芯片鍵合所需的高強度高韌性的有機硅材料。但是，在高溫推力即粘結(jié)可靠性方面與國外的產(chǎn)品相比仍有所欠缺，尚需進一步的突破。

2.2 金屬基合金材料

金屬基低熔點合金材料是兩種或多種不同的金屬按一定比例熔合而成的合金材料，屬于易熔合金。共晶焊接即是利用合金材料的低熔點通過再流焊、熱板加熱、活性自反應釬焊、感應局部加熱等方式使其熔融浸潤，從而實現(xiàn)芯片與基板的無縫粘結(jié)。由于襯底與基板間形成了良好的合金層是金屬連接，具有機械強度高、熱傳遞效率高、熔接穩(wěn)定性好、可靠性高等優(yōu)點，已在微電子和光電子器件封裝中廣泛應用。Park 等[24]即通過 Au/Sn 共晶的方法將LED 芯片直接鍵合到 Si 基板上，發(fā)現(xiàn)鍵合之后界面形成了連續(xù)的金屬間化合物層，但在界面及焊點中形成了許多孔洞，孔洞缺陷的存在阻礙了熱傳遞，增大了熱阻。為克服該缺陷，殷錄橋等[5]提出將 W、Ti、Cr 以及 Au-Sn 等相關金屬層鍍在 Al 基板上，在 430℃ 下通過回流焊使基板上的金屬成為均勻的 Au80Sn20 合金組織，然后再在 320℃ 條件下通過共晶焊將芯片鍵合到 Al 基板的 Au-Sn 合金層上，破壞試驗結(jié)果表明，該方法可在滿足散熱的基礎上滿足鍵合強度的要求。Kim 等[24]則比較了導熱導電銀膠、Sn-Ag-Cu 釬料和 Au-Sn 共晶釬料作為固晶用熱界面材料的散熱性能，發(fā)現(xiàn)對于 SiC 襯底片與 Si 基板的鍵合，Au-Sn 共晶釬料的封裝熱阻明顯低于銀膠和 Sn-Ag-Cu 釬。但是該法存在諸多問題，比如設備成本極高，工藝復雜難度大，成品率低，對晶片/支架鍍層厚度及平整性要求高，產(chǎn)品空洞率高等。因此，在大功率LED 固晶方面的應用尚處在研究開發(fā)階段，目前僅有科銳可以實現(xiàn)該技術。

3 展 望

隨著 LED 功率和集成度的日益提高，LED熱流密度越來越大，散熱問題日益嚴峻。如何將LED 芯片產(chǎn)生的熱量有效地導出封裝系統(tǒng)，成為大功率 LED 發(fā)展的一個瓶頸問題。而作為芯片和基板之間的粘結(jié)以及器件的熱界面材料，在LED 熱管理中已起著不可替代的重要的作用。因此，開發(fā)高性價比的導熱絕緣芯片鍵合材料、新型芯片倒裝焊接工藝及共晶焊材料將成為今后高可靠性大功率 LED 及多芯片功能集成模組光源技術研究與發(fā)展的重點和熱點。

[1] 陳輝. LED 封裝技術的發(fā)展趨勢 [J]. 中國照明, 2008(8)∶ 95-96.

[2] 李勝泰. LED 應用技術研究及市場前景分析 [J].半導體技術(第十二屆全國 LED 產(chǎn)業(yè)研討與學術會議論文集), 2010, 35(增刊)∶ 14-16.

[3] 夏鼎湖, 蔡瓊英, 金榮福. LED 與高分子導熱界面材料 [C] // 中國 LED 照明論壇論文集, 2012∶207-212.

[4] 劉一兵, 黃新民, 劉國華. 基于功率型 LED 散熱技術的研究 [J]. 照明工程學報, 2008, 19(1)∶ 69-73.

[5] 殷錄橋. 大功率 LED 先進封裝技術及可靠性研究 [D]. 上?！?上海大學, 2011.

[6] 新世紀 LED 網(wǎng). LED 散熱 [OL]. http∶//www.ledth. com/jishuziliao/n510226423_4.html.

[7] 王垚浩, 余彬海, 李舜勉. 功率 LED 芯片鍵合材料對器件熱特性影響的分析與仿真 [J]. 佛山科學技術學院學報(自然科學版), 2005, 23(4)∶ 14-17.

[8] 李學夔, 譚海曙, 黃楊程. 粘接材料對功率 LED熱特性影響測試研究 [J]. 佛山科學技術學院學報(自然科學版), 2010, 28(5)∶ 12-15.

[9] 吳海彬, 王昌鈴. 不同固晶材料對超高亮度 LED性能的影響 [J]. 照明工程學報, 2007, 18(4)∶ 6-9.

[10] Li Y, Moon KS, Wong CP. Electrical property improvement of electrically conductive adhesives through in-situ replacement by short-chain difunctional acids [J]. IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, 2006, 29(1)∶ 173-178.

[11] Li Y, Moon KS, Wong CP. Enhancement of electrical properties of electrically conductive adhexives (ECAs) by using novel aldehydes [J]. IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, 2006, 29(4)∶ 758-763.

[12] Chen DP, Qiao XL, Qiu XL, et al. Effect of silver nanostructures on the resistivity of electrically conductive adhesives composed of silver flakes [J]. Journal of Materials Science∶ Materials in Electronics, 2010, 21(5)∶ 486-490.

[13] Harada Y, Iwata M, Tezuka H. White thermostting silicone composition, and reflector for white lightemitting diode comprising cured product of the composition∶ Japan, JP2012140556 [P]. 2012-07-26.

[14] Mine K, Mitani O, Nakayoshi K, et al. Curable organosiloxane compositions and semiconductor devices∶ European Patent Office, EP0757080 [P]. 1997-02-05.

[15] Mine K, Mitani O, Nakayoshi K, et al. Silicone die attach adhesive and method for fabrication of semiconductor devices∶ European Patent Office, EP0802234 [P]. 1997-10-22.

[16] Ng KC, Chan BT, Tan KL. High thermal conductivity and low degradation die attach with dual adhesive∶ United States, US20130062655 [P]. 2013-03-14.

[17] Keizo I, Shigeaki K. Curable resin composition and cured article∶ United States, US0131265A1 [P]. 2013-5-23.

[18] 孟杰, 陳和生, 包書林. LED 固晶膠∶ 中國, CN101775264A [P]. 2010-07-14.

[19] 胡建紅. 一種 LED 絕緣固晶膠的制備方法∶ 中國, CN101787255A [P]. 2010-07-28.

[20] 陳遠, 周向志, 顧浩, 等. LED 用高性能銀填充苯基有機硅導電膠∶ 中國, CN103571428A [P]. 2014-02-12.

[21] 關寧. LED 用無溶劑單組分有機硅導電膠及其制備方法∶ 中國, CN102191012A [P]. 2011-09-21.

[22] 黃健翔. LED 用環(huán)氧功能化有機硅導電膠粘劑∶中國, CN102286259A [P]. 2011-12-21.

[23] 黃健翔. LED 用有機硅雙馬來酰亞胺導電膠粘劑∶ 中國, CN103074030A [P]. 2013-05-01.

[24] Park JW, Yoon YB, Shin SH, et al. Joint structure in high brightness light emitting diode (HB-LED) packages [J]. Materials Science and Engineering, 2006, 441(1)∶ 357-361.

[25] Kim JS, Choi WS, Kim D, et al. Fluxless siliconto-alumina bonding using electroplated Au-Sn-Au structure at eutectic composition [J]. Materials Science and Engineering∶ A, 2007, 458(1)∶ 101-107.

LED Die Bonding Materials

ZHANG Baotan1SUN Rong1WONG Chingping21

( Shenzhen Institutes of Advanced Technology, Chinese Academy of Sciences, Shenzhen 518055, China )2( The Chinese University of Hong Kong, Hong Kong 999077,China )

LED is the abbreviation of light emitting diode, which is a kind of semiconductor materials that can transform electrical energy into visible light. With the improvement of LED brightness and efficiency, the die bonding materials have become one of the key technologies which are used to deal with heat management for LED. In this paper, the types, characteristics and development of LED die bonding materials developed for the performance requirements of LED packaging, especially the epoxy and silicone materials, were summarized.

LED; die bonding material; epoxy; silicone; eutectic material

TN 312.8

A

2014-08-05

廣東省引進創(chuàng)新科研團隊計劃(2011D052)；深圳市孔雀計劃團隊(KYPT20121228160843692)；深圳市電子封裝材料工程實驗室 (深發(fā)改【2012】372 號)

張保坦，博士后，研究方向為功能性有機硅材料合成及應用性能研究；孫蓉(通訊作者)，研究員，研究方向為高密度倒裝芯片封裝關鍵材料，E-mail：rong.sun@siat.ac.cn；汪正平，美國工程院院士/中國工程院外籍院士，研究方向為聚合物納米復合材料與高密度電子封裝材料。