納米銀焊膏燒結大功率LED模塊的高溫可靠性研究

陳 佳， 李 欣*， 孔亞飛， 梅云輝， 陸國權,2

(1. 天津大學 材料科學與工程學院， 天津 300072；2. 弗吉尼亞理工大學 材料科學與工程學院， 弗吉尼亞州 蒙哥馬利 24060)

?

納米銀焊膏燒結大功率LED模塊的高溫可靠性研究

陳 佳1， 李 欣1*， 孔亞飛， 梅云輝1， 陸國權1,2

(1. 天津大學 材料科學與工程學院， 天津 300072；2. 弗吉尼亞理工大學 材料科學與工程學院， 弗吉尼亞州 蒙哥馬利 24060)

介紹了一種加速老化試驗模型對LED模塊進行壽命預測。分別采用納米銀焊膏、錫銀銅焊料、導電銀膠作為芯片粘結材料?？刂骗h(huán)境溫度和正向電流，在特定的時間測量光輸出。比較了不同粘接材料及環(huán)境溫度對LED老化過程的影響，并針對老化過程進行分析推導，建立老化數(shù)學模型，對其進行壽命預測。試驗結果表明，納米銀焊膏粘接的模塊對溫度的抗性最好，納米銀焊膏有潛力在未來固態(tài)照明、投影和其他高功率器件領域得到應用。

大功率LED模塊; 粘結材料; 納米銀焊膏; 加速老化試驗; 壽命

1 引 言

隨著固態(tài)照明技術的不斷進步，發(fā)光二極管(LED)應用市場逐漸成熟，LED產(chǎn)業(yè)將成為未來新的經(jīng)濟增長點[1-2]。人們對大功率LED的需求越來越多。為了增強LED的競爭能力，必須提高光通量[3]。隨著單顆大功率LED 的功率密度的不斷提高，以及多芯片集成陣列塊方法的使用[4]，LED的光輸出能力逐年增強，同時LED的輸出功率和正向電流也逐漸增大。然而，大多數(shù)大功率LED輸入的電能只有15%轉換成光能，剩下的損耗成熱能。如果不及時將芯片發(fā)出的熱量導出并消散，大量的熱量積聚在LED 內部，將造成芯片的溫升效應，LED 的發(fā)光效率急劇下降，而且壽命和可靠性也將大打折扣；另外高溫高熱將使LED 封裝結構內部產(chǎn)生機械應力，還可能引發(fā)質量問題[5]。

為了滿足大功率LED的導電與散熱需求，需要采用適合的芯片粘接材料以保證其可靠性。如今常用的芯片粘結材料是錫基合金和導電銀膠。錫基合金具有適用于大多數(shù)貴金屬的熔點范圍(通常183～221 ℃)、匹配的機械性能和良好的可焊性[6]，但高溫易分解。大多數(shù)導電銀膠是可適用于粘結溫度的熱固性材料，然而，當工作溫度超過玻璃轉化溫度(Tg)時, 由于Ag粒子間的亂序排列，Ag填充物沒有足夠的導熱導電路徑[7-8]。因此，作為芯片粘結材料，導電銀膠無法滿足電子器件在高溫高功率場合的應用，尋找高溫下可靠的芯片連接材料成為新的研究熱點。近年來，納米銀焊膏得到了廣泛關注。相比于錫銀銅焊料和導電銀膠，燒結的納米銀焊膏具有優(yōu)越的導熱導電性能和良好的機械性能[9]。而且，納米銀焊膏具有耐高溫、無鉛環(huán)保、可靠性高的優(yōu)點，這對于LED器件的可靠性和壽命至關重要。

相比于傳統(tǒng)的白熾燈和熒光燈，LED具有很長的壽命(50 000～100 000 h)[10]和良好的熱性能，因此應用常規(guī)應力的方法對其進行壽命研究往往很難，需要一種快速可靠的方法來準確地預測LED的壽命。為此，加速老化試驗替代室溫壽命試驗用于快速預測LED器件的壽命[11-14]。通常采用阿倫紐斯模型(壽命特征隨著溫度的上升而按照指數(shù)函數(shù)規(guī)律下降)用于電子元器件的壽命預測。阿倫紐斯模型適用于高溫耐久試驗的加速模型。大功率LED的使用壽命以光輸出衰減到一定程度的時間，即失效時間來定義。對于照明用途，一般失效時間指光輸出衰減到初始的70%(對于顯示用途失效時間一般定義為光輸出衰減到初始值的50%)的使用時間[15]。

本試驗對納米銀焊膏、錫銀銅焊料、導電銀膠分別作為粘接材料的大功率藍光LED進行了100～250 ℃高溫作用下的老化，工作電流為1 000 mA。比較了不同粘接材料及環(huán)境溫度對LED老化過程的影響，并針對老化過程進行分析推導，建立了老化數(shù)學模型對LED進行壽命預測。

2 實 驗

2.1 樣品制備

本試驗采用納米銀焊膏、錫銀銅焊料、導電銀膠分別粘接3組LED模塊，試樣每3只為1組，共制備3組。用YD2800型點膠機將納米銀焊膏注射于Al2O3(3×3)-COB陶瓷基板(12 mm × 12 mm ×t0.5 mm) 上?？刂茐毫?.0 kg/cm ,時間為0.5 s，來控制基板中央9個矩形的點膠量。選用歐朗公司GaN基1 W 藍光LED 芯片(1 mm× 1 mm ×t0.19 mm)，用貼片機實現(xiàn)9片LED芯片與9個矩形區(qū)域的連接，保證貼片時焊膏少量均勻溢出，平鋪在芯片下方，使芯片與基板完好接觸，如圖1所示。然后，經(jīng)過納米銀焊膏的燒結、錫基焊料的回流焊、導電銀膠的固化處理等相應的工藝處理，用WT-2330超聲波金絲球焊機將芯片連接，并將LED芯片與焊盤連接形成電路。

圖1 LED模塊

為了避免由于熒光粉和硅膠的老化對于光衰的影響，所有用于試驗的LED模塊都采用裸芯片結構的模塊。因此，該壽命預測值僅為本試驗中裸芯片結構的模塊壽命。

2.2 方法

研究LED的可靠性通常采用電流加速方法和溫度加速方法。在LED芯片中持續(xù)注入高電流密度會導致熱化和強電場現(xiàn)象。持續(xù)的高溫和強電場會增強原子的擴散和造成電極的意外融合，與此同時也有可能增加斷層密度和點缺陷[16]。本試驗采用圖2所示的光衰測試系統(tǒng)，將3組試樣放置在老化夾具內，夾具底部放置加熱板以提供所需的環(huán)境溫度，并通過熱電偶反饋控制溫度。試驗一共設定了4組環(huán)境溫度，分別為100，180，200，250 ℃。當測試系統(tǒng)啟動時，LED芯片在1 000 mA電流下持續(xù)點亮，光強值會通過光接收器接收并傳送至電腦，記錄并處理。為了研究大功率LED的老化過程，比較不同粘接材料及環(huán)境溫度對LED老化過程的影響，本試驗選用新型納米銀焊膏及予以對比的錫銀銅焊料、導電銀膠作為粘接層，一并在大電流1 000 mA、高溫環(huán)境100，180，200，250 ℃條件下進行長時間的老化。并針對老化過程進行分析推導，進而建立針對該原理的LED老化數(shù)學模型，計算其壽命。

圖2 光衰測試系統(tǒng)

3 結果與討論

3.1 LED的光衰

研究大功率LED模塊的老化過程的主要意義是測試并推算其壽命。由于LED的理論壽命一般為10萬小時左右，而實際壽命也可達到2萬小時，因此應用常規(guī)應力的方法對其進行壽命研究往往很難。常用的辦法是采用大應力方式加速LED老化，進而得到最終壽命[17]。針對LED的電學及材料學特點，影響其老化過程的應力包括兩種：一種是溫度，另一種是電流強度[17]。我們通過同時加大這兩種應力的方法得到大應力的老化過程，進而通過數(shù)學模型推導LED的壽命。圖3是各種模塊在1 000 mA電流，100，180，200，250 ℃下的相對光輸出隨老化時間的變化關系。3種模塊老化前的光輸出均定為100%。

1989年，Amano等利用低能電子輻照實現(xiàn)了Mg摻雜低阻P型GaN。P型GaN歐姆接觸層的高濃度Mg摻雜有利于獲得高空穴載流子濃度，可有效降低器件正向工作電壓，但摻雜物質所造成的晶格損傷和缺陷能級會降低器件的電光轉換效率，即外界注入的部分載流子未弛豫到有源區(qū)發(fā)光復合能。從圖3可以看出，除了250 ℃溫度過高導致光輸出從老化剛開始就出現(xiàn)明顯的衰減，在其他溫度下，3種模塊的光輸出會隨老化時間的延長先增大后減小。該現(xiàn)象的原因為MOCVD生長的GaN的部分受主Mg與H形成Mg—H復合體鈍化，導致Mg的激活率很低，空穴濃度也因此較低。當老化電流比較大時，部分Mg—H鍵被打斷，使得受主Mg被激活，空穴濃度從而增加，與載流子濃度更加匹配，發(fā)光效率增高；另一方面，結溫在老化過程中升高，同時GaN材料中非輻射復合中心(位錯、缺陷等)密度升高，從而導致發(fā)光效率降低，光輸出也隨之降低。這兩種機制相互制約影響，使得在老化初期，Mg受主激活機制占主導，3種模塊的光輸出會先增加；隨著老化過程的繼續(xù)，非輻射復合中心增生機制占主導，因此老化一段時間后，LED模塊的光輸出便開始下降[18-22]。該理論也可解釋250 ℃光輸出從老化剛開始就出現(xiàn)明顯衰減的情況，因為250 ℃環(huán)境溫度本身就比較高，加上電流的熱效應，LED模塊結溫急劇升高，發(fā)光效率迅速降低，導致光輸出從老化剛開始就出現(xiàn)明顯的衰減。

圖3 同材料器件在不同溫度下的光衰曲線。(a) 納米銀焊膏；(b) 錫銀銅焊料；(c) 導電銀膠。

Fig.3 Normalized light output of the same die attach materials LED module over aging time under different ambient temperature stress levels. (a) Nano-silver paste. (b) Sn3Ag0.5Cu solder. (c) Silver epoxy.

另外，用于照明的大功率LED的使用壽命通常指輸出光通量衰減至初始的70%時所需要的時間。圖3中，環(huán)境溫度越高，LED失效的時間(TTF，the time to failure)越短，所以可以認為LED的光輸出的衰減是由熱效應激發(fā)的。

圖4為各溫度下3種模塊的光衰曲線。在100 ℃條件下，老化進行1 000 h時，納米銀焊膏粘接的試樣的光輸出降至初始值的91.5%，錫銀銅焊料和導電膠粘接的試樣的光輸出分別降至初始值的87.5%和87%。這說明環(huán)境溫度為100 ℃時，LED模塊衰減緩慢，而且納米銀焊膏粘接試樣的衰減率比錫銀銅焊料和導電銀膠粘接試樣的衰減率明顯要低。隨著環(huán)境溫度的升高，各模塊光輸出衰減加劇。當環(huán)境溫度為250 ℃時，錫銀銅焊料和導電膠粘接的試樣不到10 h便已失效，納米銀焊膏粘接的試樣也在20 h之內失效。

圖4 3種模塊在不同環(huán)境溫度下的光衰曲線。(a) 100 ℃；(b) 180 ℃；(c) 200 ℃；(d) 250 ℃。

Fig.4 Normalized light output of the same ambient temperature stress level over aging time for different die attach materials. (a) 100 ℃. (b) 180 ℃. (c) 200 ℃. (d) 250 ℃.

3.2 LED模塊的壽命分析

研究大功率LED模塊的老化過程的主要意義是測試并推算其壽命。在壽命預測時，一般先測出加速老化試驗中LED的壽命，然后乘以加速因子即為預測的LED正常工作條件下的室溫壽命。過程包括：(1)老化測試過程中不間斷記錄試樣的光輸出值；(2)通過直接觀測(試驗結束時試樣的光輸出已降至初始值的50%或70%)或擬合外推(試驗結束時試樣的光輸出衰減率不足初始值的50%或70%)的方式估測老化試驗中LED的壽命，如圖5所示；(3)計算加速因子(AF)；(4)測試條件下的壽命乘以加速因子即為LED正常工作條件下的常溫壽命。因此，只有環(huán)境溫度足夠高時，老化1 000 h以內的LED模塊的光輸出衰減才足以直接觀測光通量衰減為初始的70%的使用時間，進而進行壽命預測；否則，部分或全部試樣的光輸出尚未衰減到初始值的70%，需要外推擬合才可計算光輸出衰減至初始值70%所使用的時間，較為不便。故下面采用200 ℃條件下測得的3種試樣的光輸出值來預測各模塊的壽命，從而比較粘接層對模塊壽命的影響。

圖5 基于加速老化試驗的壽命預測[15]

Fig.5 Lifetime curve based on accelerated degradation testing[15]

目前國內外研究老化過程主要采用阿倫紐斯模型。阿倫紐斯模型是普遍適用于各種器件老化的模型。在LED老化過程中，如增加溫度應力，其加速因子可用如下數(shù)學公式計算：

(1)

LED的壽命即可表示為[23]：

t=t′·KAF，

(2)

其中，Ea為器件的激活能，單位為eV；k=8.617×10-5eV/K，為波爾茲曼常數(shù)；T為LED正常工作的絕對溫度，T′為老化測試時對LED施加應力的絕對溫度，單位為K；e是自然常數(shù)。只要測得LED在某一溫度下光輸出衰減到開始值的70%時所經(jīng)歷的時間t′，根據(jù)激活能Ea值，就可以推導其壽命。下面介紹Ea的計算過程。

Ea值是通過作出LED在各溫度條件下老化的K70%(光輸出衰減到70%所必需的時間)和對應的q/kT的阿倫紐斯關系曲線估計的[22]。

首先，隨著溫度應力的增加，光輸出呈指數(shù)規(guī)律衰減[24]：

(3)

其中q=1.6×10-19C，為元電荷常數(shù)。因此，K70%還可表示為：

(4)

其中N為常數(shù)，繼續(xù)對等式兩邊求對數(shù)，得：

即等式為一次函數(shù)形式，其中常數(shù)N′=lnN，因此對K70%取對數(shù)作為縱坐標，q/kT作為橫坐標，其斜率即為Ea值。如圖6所示，求得Ea=1.12 eV。

如采用200 ℃(T′=473 K)的溫度條件進行測試，取Ea=1.12 eV，納米銀焊膏粘接的試樣的光輸出達到開始值70%所經(jīng)歷的時間t′=51 h，代入公式(1)和(2)，計算得其室溫壽命(T=25 ℃，即298 K)約為5.19×108h。錫銀銅焊料和導電銀膠粘接的試樣t′分別為40 h和32 h，計算得其室溫壽命約為4.07×108h和3.26×108h。但是該壽命預測值僅為本試驗中裸芯片結構的模塊壽命，因此以后的試驗還需進一步對包括熒光粉、環(huán)氧樹脂及灌封樹脂等在內的完整結構的LED模塊進行壽命預測[25]。

圖6 K70%對q/kT的阿倫紐斯關系曲線

4 結 論

壽命問題一直是限制LED應用的核心問題。為了研究大功率LED的老化過程，比較不同粘接材料及環(huán)境溫度對LED老化過程的影響，本試驗選用新型納米銀焊膏及予以對比的錫銀銅焊料、導電銀膠作為粘接層，一并在大電流1 000 mA，高溫環(huán)境100，180，200，250 ℃條件下進行長時間的老化。發(fā)現(xiàn)在同樣的高溫條件下，納米銀焊膏粘接的試樣衰減得最少，錫銀銅焊料粘接的試樣次之，導電銀膠粘接的試樣衰減程度最大。針對老化過程進行分析推導，進而建立了針對該原理的LED老化數(shù)學模型，計算其激活能為1.12 eV，并計算出了各模塊裸芯片結構的壽命。以后的試驗還需進一步對完整封裝的LED進行壽命預測。

[1] 王加文,蘇宙平,袁志軍,等. LED陣列模組化中的照度均勻性問題 [J]. 光子學報, 2014, 43(8):0822004. WANG J W, SU Z P, YUAN Z J,etal.. Study on uniformity of LED array illumination distribution on target plane [J].ActaPhoton.Sinica, 2014, 43(8):0822004. (in Chinese)

[2] 裘燕青,張劉劉,陳苗根,等. 板上芯片集成封裝發(fā)光二極管的光色檢測系統(tǒng) [J]. 光學 精密工程, 2016, 24(1): 39-44. QIU Y Q, ZHANG L L, CHEN M G,etal.. Photoelectric parameter measurement system for chip-on-board wafer level packaging LEDs [J].Opt.PrecisionEng., 2016, 24(1)：39-44. (in Chinese)

[3] 寧磊,史永盛,史耀華,等. LED封裝結構對出光率的影響 [J]. 液晶與顯示, 2010, 25(6):822-825. NING L, SHI Y S, SHI Y H,etal.. Influence of package structure on LED light extraction [J].Chin.J.Liq.Cryst.Disp., 2010, 25(6):822-825. (in Chinese)

[4] 白一鳴,羅毅,韓彥軍,等. 集成封裝發(fā)光二極管光提取效率的計算及優(yōu)化 [J]. 光學 精密工程, 2014, 22(5): 1129-1137. BAI Y M, LUO Y, HAN Y J,etal.. Calculation and optimization of light extraction efficiency for integrated LED [J].Opt.PrecisionEng., 2014, 22(5):1129-1137. (in Chinese)

[5] 董麗,劉華,王堯,等. 緊湊型LED配光設計中光源模型可靠性研究 [J]. 光子學報, 2014, 43(2):0222003. DONG L, LIU H, WANG Y,etal.. Reliability of light source modeling for distribution design on compact LED [J].ActaPhoton.Sinica, 2014, 43(2):0222003. (in Chinese)

[6] PENG S P, WU W H, HO C E,etal.. Comparative study between Sn37Pb and Sn3Ag0.5Cu soldering with Au/Pd/Ni(P) tri-layer structure [J].J.AlloysCompd., 2010, 493(1-2):431-437.

[7] ZHANG Z Y. Processing and characterization of micro-scale and nanoscale silver paste for power semiconductor device attachment [J].Mater.Sci.Eng., 2005:A484-469.

[8] KING D B, THOME F V. Sessions X & XI transaction [C].InternationalHighTemperatureElectronicConference,Strasbourg,France, 1994:X-1-XI-28.

[9] BAI J G, ZHANGZ Z, CALATA J N,etal.. Low-temperature sintered nanoscale silver as a novel semiconductor device-metallized substrate interconnect material [J].IEEETrans.Comp.Pack.Technol., 2006, 29(3):589-593.

[10] NARENDRAN N, GU Y, FREYSSINIER J P,etal.. Solid-state lighting: failure analysis of white LEDs [J].J.Cryst.Growth, 2004, 268(3-4):449-456.

[11] MARSEGUERRA M, ZIO E, CIPOLLONE M.Designing optimal degradation tests via multi-objective genetic algorithms [J].Reliab.Eng.Syst.Saf., 2003, 79(1):87-94.

[12] ESCOBAR L A, MEEKER W Q. A review of accelerated test models [J].Stat.Sci., 2006, 21(4):552-577.

[13] YUAN X X, PANDEY M D. A nonlinear mixed-effects model for degradation data obtained from in-service inspections [J].Reliab.Eng.Syst.Saf., 2009, 94(2):509-519.

[14] MOHAMMADIAN S H, A?T-KADI D, ROUTHIER F. Quantitative accelerated degradation testing: practical approaches [J].Reliab.Eng.Syst.Saf., 2010, 95(2):149-159.

[15] CHANG M H, DAS D, VARDE P V,etal.. Light emitting diodes reliability review [J].Microelectron.Reliab., 2012, 52(5):762-782.

[16] 肖友鵬,莫春蘭,邱沖,等. Si襯底GaN基藍光LED老化性能 [J]. 發(fā)光學報, 2010, 31(3):364-368. XIAO Y P, MO C L, QIU C,etal.. The aging characteristics of GaN-based blue LED on Si substrate [J].Chin.J.Lumin., 2010, 31(3):364-368. (in Chinese)

[17] 陳志忠,秦志新,胡曉東,等. 大功率白光LED的制備和表征 [J]. 液晶與顯示, 2004, 19(2):83-86. CHEN Z Z, QIN Z X, HU X D,etal. Fabrication and characterization of high-power white LED [J].Chin.J.Liq.Cryst.Disp., 2004, 19(2):83-86. (in Chinese)

[18] 余菲, 金雷. GaN發(fā)光二極管的老化數(shù)學模型及壽命測試方法 [J]. 中國激光, 2011, 38(8):0806001-1-4. YU F, JIN L. Mathematical model of aging and the life test method for GaN LED [J].Chin.J.Lasers, 2011, 38(8):0806001-1-4. (in Chinese)

[19] ZHOU J M, YAN W. Experimental investigation on the performance characteristics of white LEDs used in illumination application [C].ProceedingsofThe2007IEEEPowerElectronicsSpecialistsConference,Orlando,USA, 2007:1436-1440.

[20] STREUBEL K, LINDER N, WIRTH R,etal.. High brightness AlGaInP light-emitting diodes [J].IEEEJ.Select.Top.Quant.Electron., 2002, 8(2):321-332.

[21] GRILLOT P N, KRAMES M R, ZHAO H M,etal.. Sixty thousand hour light output reliability of AlGaInP light emitting diodes [J].IEEETrans.Dev.Mater.Reliab., 2006, 6(4):564-574.

[22] MENEGHINI M, TREVISANELLO L, SANNA C,etal.. High temperature electro-optical degradation of InGaN/GaN HBLEDs [J].Microelectron.Reliab., 2007, 47(9-11):1625-1629.

[23] ISHIZAKI S, KIMURA H, SUGIMOTO M. Lifetime estimation of high power white LEDs [J].J.LightVis.Environ., 2007, 31(1):11-18.

[24] TREVISANELLO L, MENEGHINI M, MURA G,etal.. Accelerated life test of high brightness light emitting diodes [J].IEEETrans.Dev.Mater.Reliab., 2008, 8(2):304-311.

[25] 周青超,柏澤龍,魯路,等. 白光LED遠程熒光粉技術研究進展與展望 [J]. 中國光學, 2015, 8(3):313-328. ZHOU Q C, BAI Z L, LU L,etal.. Remote phosphor technology for white LED applications: advances and prospects [J].Chin.Opt., 2015, 8(3):313-328. (in Chinese)

陳佳(1991-)，女，河北唐山人，碩士研究生，2014年于沈陽工業(yè)大學獲得學士學位，主要從事大功率LED模塊可靠性的研究。

E-mail: chenjia1991gd@163.com

李欣(1984-)，女，天津人，博士，2012年于天津大學獲得博士學位，主要從事高功率電子封裝技術以及可靠性的研究。

E-mail： xinli@tju.edu.cn

High Temperature Reliability of High-power LED Module Using Die Attach Material of Nano-silver Paste

CHEN Jia1, LI Xin1 *, KONG Ya-fei1, MEI Yun-hui1, LU Guo-quan1,2

(1.SchoolofMaterialScienceandEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China;2.DepartmentofMaterialScienceandEngineering,VirginiaTech,Montgomery24060,America)*CorrespondingAuthor,E-mail:xinli@tju.edu.cn

A general procedure for accelerated degradation testing (ADT) was presented to predict the lifetime of three kinds of LED modules. The die attach materials of LED modules were nano-silver paste, Sn3Ag0.5Cu (Sn-based alloys), silver epoxy, respectively. The ambient temperature and forward current were controlled, and the light output at several time points was measured. The degradation mechanism of LEDs modules was analyzed. The lifetimes of LED modules under the condition of different die attach materials were predicted. The test results show that the nano-silver paste is a very promising die-attach material for the aging of multi-chip high power LED modules.

high power LED module; die attach materials; nano-silver paste; accelerated degradation testing; lifetime

1000-7032(2016)09-1159-07

2016-04-05；

2016-04-22

天津市自然科學基金青年基金(13JCQNJC02400)資助項目

TN312.8

A 文獻標識碼: A

10.3788/fgxb20163709.1159