回流焊對(duì)鐵支架SMD LED產(chǎn)品的可靠性影響

王 江，連軍紅，謝成洪

(天水華天科技股份有限公司，甘肅天水741000)

回流焊對(duì)鐵支架SMD LED產(chǎn)品的可靠性影響

王 江，連軍紅，謝成洪

(天水華天科技股份有限公司，甘肅天水741000)

在論述了熱沖擊理論與LED封裝關(guān)系的同時(shí)，分析了回流焊中產(chǎn)生的熱沖擊，并對(duì)回流焊中產(chǎn)生的熱沖擊對(duì)鐵支架表貼式封裝LED可靠性的影響進(jìn)行了研究分析，然后采用Flotherm軟件對(duì)回流焊中的熱沖擊進(jìn)行分析，分析其熱應(yīng)力的分布情況，同時(shí)探討了通過(guò)優(yōu)化焊線(xiàn)工藝和改進(jìn)烘烤工藝來(lái)消除回流焊對(duì)鐵支架表貼式封裝LED可靠性影響的方案。

LED封裝；回流焊；熱沖擊；可靠性；濕氣

半導(dǎo)體發(fā)光二極管（light-emitting diode）簡(jiǎn)稱(chēng)LED，在1962年由美國(guó)通用電氣公司的Halonyak博士用化合物半導(dǎo)體材料磷砷化鎵研制出第一批發(fā)光二極管后，市場(chǎng)化程度越來(lái)越高，LED封裝技術(shù)也處在不斷改進(jìn)和發(fā)展的過(guò)程中，由最早用玻璃管封裝發(fā)展至支架式環(huán)氧封裝、表面貼裝式封裝以及COB封裝等。由于LED器件是一種固態(tài)發(fā)光器件，具有壽命長(zhǎng)、節(jié)能、環(huán)保、響應(yīng)時(shí)間快等優(yōu)勢(shì)，因此獲得了廣泛的應(yīng)用。不僅應(yīng)用在傳統(tǒng)的顯示、指示、儀器儀表、交通信號(hào)上，近年來(lái)更是在工業(yè)照明、家居照明、顯示等領(lǐng)域大放異彩，LED領(lǐng)域得到了快速發(fā)展。近年來(lái)隨著芯片制造工藝與封裝工藝的進(jìn)步，LED器件的發(fā)光效率在2015年時(shí)已經(jīng)達(dá)到200 lm/W以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了其他光源，其可靠性也在不斷的提高。使用鐵支架，可以降低5%～10%的成本，所以表面貼裝式封裝低成本產(chǎn)品開(kāi)始大量使用鐵支架，但隨之而來(lái)由于回流焊對(duì)鐵支架表貼式封裝LED的可靠性影響仍有待解決。

1　熱沖擊與LED封裝的關(guān)系

LED器件的失效原因與器件所用的原材料、原材料之間、封裝結(jié)構(gòu)中存在的各種反應(yīng)有關(guān)。在LED器件應(yīng)用的外界環(huán)境下，器件還要承受各種應(yīng)力，原來(lái)的物理化學(xué)反應(yīng)更加強(qiáng)烈，而其中熱沖擊產(chǎn)生的熱應(yīng)力是最敏感的失效原因之一。實(shí)踐證明，當(dāng)溫度升高以后，導(dǎo)致器件失效或惡化的物理化學(xué)反應(yīng)更加劇烈，失效過(guò)程加速，Arrhenius模型總結(jié)了由熱應(yīng)力決定的反應(yīng)速度依賴(lài)關(guān)系的公式為：

式中：dM/dt是其反應(yīng)速率，A是一個(gè)常數(shù)量，Ea是引起失效或退化的激活能參數(shù)，k是玻爾茲曼常數(shù)，T是絕對(duì)溫度。

在t0時(shí)刻，當(dāng)LED器件處于正常狀態(tài)值M0，到t1時(shí)刻，LED器件處于失效狀態(tài)數(shù)M1。假設(shè)時(shí)間與溫度無(wú)關(guān)，則由積分式(1)可得：

令ΔM=M1-M0，t=t1-t0，并對(duì)兩邊取對(duì)數(shù)，從而轉(zhuǎn)換得到：

可表示為：

其中

公式(4)就是根據(jù)Arrhenius模型得到的加速度變量為熱應(yīng)力的加速方程，用此方程來(lái)解釋熱沖擊對(duì)LED器件的性能影響。在不同熱應(yīng)力下，加速系數(shù)與激活能的關(guān)系，如圖1所示。

由上面的公式和圖1可知，假設(shè)絕對(duì)溫度T為一個(gè)常量，即在絕對(duì)溫度T保持不變的情況下，公式（1）為一個(gè)指數(shù)函數(shù)，即dM與dt為指數(shù)分布關(guān)系，因此，隨著時(shí)間t的增大，ΔM也會(huì)不斷增加，即LED器件失效狀態(tài)值增加，也就增加了LED器件失效的可能性；在相同的時(shí)間內(nèi)，當(dāng)絕對(duì)溫度T升高時(shí)，式(1)中的e(-Ea/kT)因子數(shù)量增加，其中的A為一個(gè)常數(shù)量，即dM/dt反應(yīng)速率加快，則加速了LED器件的失效[1]。

圖1　加速失效系數(shù)與激活能的關(guān)系

目前的表貼式LED封裝結(jié)構(gòu)，一般是用粘片膠將芯片裝在PPA碗杯中，用銀合金線(xiàn)完成LED器件的內(nèi)外連接后，用有機(jī)硅膠封裝而成，熱阻高達(dá)80℃/W，其96%的熱量是由管腳傳遞到PCB板上，再傳遞到空氣中，而焊接工藝中溫度變化相當(dāng)大，從而引起LED器件的dM/dt應(yīng)速率增大，由于散熱不良，將會(huì)使LED器件芯片結(jié)溫迅速升高和有機(jī)硅膠內(nèi)部應(yīng)力變化，造成LED器件的加速光衰，甚至由于溫度變化引起的熱應(yīng)力造成銀合金線(xiàn)的金球位置或二焊點(diǎn)位置開(kāi)路而失效。因此，回流焊過(guò)程中必須考慮熱沖擊的影響[2]。

在熱沖擊條件下，不同原材料具有不同的導(dǎo)熱系數(shù)，從而引起不同的熱效應(yīng)，常見(jiàn)LED器件原材料的導(dǎo)熱系數(shù)見(jiàn)表1。

在相同條件的熱沖擊作用下，不同材料的導(dǎo)熱性能不同，由表1可見(jiàn)，純鐵的導(dǎo)熱系數(shù)約為硅膠的405倍，即熱量在鐵質(zhì)中傳導(dǎo)速率是在硅膠中傳導(dǎo)速率的405倍，那么在回流焊過(guò)程中，由于硅膠材料導(dǎo)熱系數(shù)低，熱量不能很快散發(fā)出去，就較多的聚集在硅膠材料中；同時(shí)由于小功率LED器件使用非導(dǎo)電粘片膠，非導(dǎo)電粘片膠導(dǎo)熱系數(shù)也比較小，因此在邊界處，也會(huì)產(chǎn)生熱量積累，產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，給芯片與粘片膠或銀合金線(xiàn)的連接造成破壞，從而導(dǎo)致失效。

表1　LED器件常見(jiàn)原材料的導(dǎo)熱系數(shù)

材料的力學(xué)性能和熱學(xué)性能的綜合表現(xiàn)就是其熱應(yīng)力。當(dāng)LED器件從常溫狀態(tài)突然進(jìn)入高溫狀態(tài)的熱沖擊或從高溫狀態(tài)突然進(jìn)入常溫狀態(tài)時(shí)，由于材料的熱膨脹系數(shù)不同，不同原材料之間的溫度梯度，使得不同材料收縮程度不一致而導(dǎo)致在材料內(nèi)生成熱應(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力導(dǎo)致的材料折彎程度達(dá)到材料的折彎極限強(qiáng)度時(shí)，則材料本身或者材料連接邊界將被破壞。在回流焊工藝中，熱沖擊主要作用于鐵支架管腳，并通過(guò)管腳向器件內(nèi)部傳遞，熱流密度高達(dá)100 W/cm2以上，采用普通的表貼式LED封裝形式，各種原材料的屬性參數(shù)見(jiàn)表2。

表2　表貼式LED相關(guān)材料屬性參數(shù)

由表2中材料屬性參數(shù)可知，LED所用的硅膠熱膨脹系數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鐵支架（LEAD FRAME），由此所產(chǎn)生的材料內(nèi)部熱應(yīng)力，將會(huì)造成LED器件封裝硅膠膠破裂或不同材料直接接觸面斷裂，造成LED器件失效或者光衰嚴(yán)重[3]。

2　回流焊產(chǎn)生的熱沖擊對(duì)LED可靠性的影響

LED的生產(chǎn)工藝過(guò)程和應(yīng)用系統(tǒng)中，LED器件會(huì)和各種熱傳遞或者熱輻射產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，在熱沖擊的相對(duì)作用下，本文主要針對(duì)回流焊工藝中產(chǎn)生的熱沖擊對(duì)LED器件的可靠性影響進(jìn)行分析?；亓骱腹に囍?，是在LED器件管腳位置由于熱導(dǎo)率較高，從而積累更多的熱量，熱量通過(guò)管腳迅速向內(nèi)部的硅膠和芯片傳遞，由于不同原材料不同的熱導(dǎo)率，當(dāng)某種材料的熱應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí)，將導(dǎo)致LED器件的軟失效或硬失效。

2.1回流焊中熱沖擊導(dǎo)致LED死燈

LED的應(yīng)用系統(tǒng)中，LED勢(shì)必會(huì)經(jīng)過(guò)回流焊與電路板固定。在回流焊過(guò)程中，在溫度足夠高的情況下，由于材料具有不同的線(xiàn)性膨脹系數(shù)，而內(nèi)部應(yīng)力無(wú)法釋放，容易引起第一焊點(diǎn)脫球，或第二焊點(diǎn)斷裂，從而引起器件的失效[4]。

2.2回流焊熱沖擊導(dǎo)致光衰

LED的應(yīng)用系統(tǒng)中，在回流焊過(guò)程中，在熱效應(yīng)的相對(duì)作用下，焊接工藝產(chǎn)生的熱效應(yīng)對(duì)LED的參數(shù)會(huì)產(chǎn)生影響，如光衰，電壓升高等?；亓骱腹に囍?，在管腳位置熱量迅速通過(guò)管腳向上面的硅膠和芯片傳遞，由于材料溫度迅速變化作用下，尤其是高溫狀態(tài)時(shí)，性質(zhì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致參數(shù)變化，如圖2，是在不同回流焊溫度下，LED產(chǎn)品的光衰比較。由圖中可以看出，溫度越高，平均光衰越嚴(yán)重。

圖2　不同波峰溫度過(guò)焊后光衰數(shù)據(jù)

2.3使用FLOTHERM軟件對(duì)回流焊熱沖擊中LED的翹曲度及應(yīng)變分析

本文對(duì)回流焊工藝中產(chǎn)生的熱沖擊對(duì)LED器件可靠性的影響進(jìn)行了分析。運(yùn)用flotherm仿真分析軟件，針對(duì)比較常見(jiàn)的一款表貼式封裝LED器件，外形尺寸為5050，在回流焊工藝中產(chǎn)生的熱沖擊造成LED器件封裝結(jié)構(gòu)中的熱效應(yīng)進(jìn)行翹曲度及應(yīng)變進(jìn)行分析，觀(guān)察其結(jié)構(gòu)中的翹曲分布和應(yīng)變分布，并對(duì)封裝中的工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)方案。

本文之所以采用5050表貼式封裝LED，由于5050表貼式封裝LED是目前市場(chǎng)上低成本產(chǎn)品的代表，由于采用折彎型支架，器件散熱只能通過(guò)引腳進(jìn)行散熱，散熱能力較差，而碗杯尺寸相對(duì)較大，膠體面積大，內(nèi)部溫度高時(shí)，容易引起LED器件失效[5]。在分析中，設(shè)定環(huán)境溫度為25℃，分別設(shè)定回流焊峰值溫度為 200℃、210℃、220℃、230℃、240℃和260℃，支架選用表貼式5050鐵支架，封裝膠為硅膠，6個(gè)溫度下，LED封裝翹曲分布如圖3所示，LED等效應(yīng)變分布如圖4所示，具體分析數(shù)據(jù)結(jié)果可見(jiàn)表3。

圖3　LED封裝翹曲分布

圖4　LED等效應(yīng)變分布

表3　flotherm分析數(shù)據(jù)

從以上分析結(jié)果可以得出，由于PPA、芯片、DA膠以及純鐵支架的CTE不匹配導(dǎo)致封裝體產(chǎn)生翹曲。LED封裝體升溫過(guò)程中，由于PPA熱膨脹占據(jù)優(yōu)勢(shì)，因而產(chǎn)生翹曲。隨著溫度載荷的升高，LED封裝體的翹曲情況在增大。從230℃時(shí)產(chǎn)品翹曲逐漸加劇，故在回流焊時(shí)盡量保證波峰溫度在230℃以下。

3　工藝優(yōu)化改善回流焊對(duì)LED的可靠性影響

3.1優(yōu)化焊線(xiàn)工藝

所有由于熱沖擊引起的開(kāi)路，都與焊線(xiàn)關(guān)系密切，所以首先要對(duì)焊線(xiàn)工藝進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)結(jié)論，焊線(xiàn)使用平方弧，線(xiàn)弧高度設(shè)定為120～170 μm，在該范圍內(nèi)線(xiàn)弧越高拉力越大，不過(guò)要注意調(diào)節(jié)線(xiàn)弧后必須保證線(xiàn)弧高度在范圍內(nèi)，即不超出碗杯高度導(dǎo)致線(xiàn)材外露。高線(xiàn)弧能保證線(xiàn)弧的延展性，防止由于熱沖擊造成的脫焊等現(xiàn)象。另外相鄰芯片間焊線(xiàn)采用雙側(cè)絲焊方式，芯片與內(nèi)引腳間采用低環(huán)形絲焊技術(shù)，線(xiàn)弧高度就可以在盡量高的情況下不超過(guò)碗杯。另外對(duì)傳統(tǒng)的打線(xiàn)模式進(jìn)行優(yōu)化，普通使用的是Normal方式打線(xiàn)，這種打線(xiàn)方式只是在鍍銀層上打上魚(yú)尾，拉力值較小。所以驗(yàn)證了使用BSOB打線(xiàn)方式，如圖5所示。

圖5　BSOB(Bond Stick On Ball）

經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，使用dage4000拉力測(cè)試儀，對(duì)Normal方式打線(xiàn)的半成品和BSOB方式打線(xiàn)的半成品，在焊線(xiàn)完后相同條件下進(jìn)行拉力測(cè)試，數(shù)據(jù)如表4。抽取30個(gè)樣品數(shù)據(jù)，BSOB方式的拉力值比 Normal方式的大 2.05gf，拉力值增加約30%。

表4　對(duì)比分析數(shù)據(jù)

3.2烘烤工藝優(yōu)化

烘烤工藝在LED封裝過(guò)程中至關(guān)重要。初期階段，在生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)降低生產(chǎn)車(chē)間濕度，來(lái)控制整個(gè)過(guò)程濕度對(duì)產(chǎn)品的影響。由于LED芯片易受靜電的影響，所以濕度控制不能過(guò)低，應(yīng)控制在40%RH左右。但加工后的產(chǎn)品仍然會(huì)有1%左右回流焊后會(huì)出現(xiàn)如圖6的情況。即發(fā)生裂膠現(xiàn)象。在50倍顯微鏡下觀(guān)察，可發(fā)現(xiàn)，膠體與PPA交界處，有開(kāi)裂現(xiàn)象，燈珠無(wú)法點(diǎn)亮。

因此需要對(duì)濕度重新優(yōu)化方案進(jìn)行控制。首先在固晶前加入對(duì)支架材料PPA的去濕，并控制在4 h內(nèi)完成固晶工位。這個(gè)過(guò)程主要是防止在固晶過(guò)程中固晶位置的水汽保留在鍍銀層與固晶膠結(jié)合處。再在焊線(xiàn)工位后點(diǎn)膠工位之前對(duì)PPA再次進(jìn)行去濕，也是控制在4 h內(nèi)完成點(diǎn)膠。此過(guò)程主要是防止PPA上附著的水汽保留在封裝膠與PPA材料、鍍銀層的結(jié)合處。點(diǎn)膠后封裝膠固化工藝根據(jù)實(shí)際情況對(duì)應(yīng)進(jìn)行改善驗(yàn)證。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，烘烤工藝進(jìn)行改善后的SMD LED燈珠則未發(fā)現(xiàn)有裂膠現(xiàn)象。

3.3封裝膠的匹配驗(yàn)證改善

SMD LED受熱沖擊失效的主要表現(xiàn)為膠體熱脹冷縮嚴(yán)重，再加上線(xiàn)材的延展程度不足，從而導(dǎo)致脫焊、斷線(xiàn)等異常。對(duì)燈珠用樹(shù)脂溶解劑溶解后發(fā)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)裂膠位置的第二焊點(diǎn)發(fā)生斷線(xiàn)，圖7為裂膠產(chǎn)品溶解后的現(xiàn)象。

由于需要放硫化，第一組試驗(yàn)使用的是硬度為shore D 65，折射率為1.55的封裝膠，其余條件不變。由于該封裝膠硬度高，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，在防硫化方面有預(yù)期良好的表現(xiàn)。但是回流焊試驗(yàn)后進(jìn)行冷熱沖擊試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)死燈比例高達(dá)30%。第二組試驗(yàn)決定降低硬度，其余條件不變，使用硬度為shore D 55，折射率為1.545的封裝膠。該封裝膠硬度較低，防硫化效果不如第一組試驗(yàn)。但是在回流焊試驗(yàn)后進(jìn)行冷熱沖擊試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)無(wú)死燈。第三組試驗(yàn)其余條件不變，使用硬度為shore D 60，折射率為1.54的封裝膠。該封裝膠硬度相對(duì)較低，防硫化效果優(yōu)于第二組試驗(yàn)。在回流焊試驗(yàn)后進(jìn)行冷熱沖擊試驗(yàn)，亦發(fā)現(xiàn)無(wú)死燈。因此進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，對(duì)封裝膠在該產(chǎn)品中的匹配性進(jìn)行驗(yàn)證。從而提高產(chǎn)品的可靠性。

4　結(jié)　論

對(duì)鐵支架表貼式封裝LED而言，應(yīng)盡量在峰值溫度為240℃的回流焊條件下使用，在此條件下使用，可避免由于高溫帶來(lái)的光衰嚴(yán)重和死燈失效等可靠性問(wèn)題。通過(guò)改進(jìn)LED器件生產(chǎn)工藝條件或器件結(jié)構(gòu)，或者改進(jìn)回流焊工藝條件，來(lái)避免回流焊過(guò)程對(duì)LED器件有可能造成的破壞，是每位工藝人員和設(shè)計(jì)者不斷奮斗的目標(biāo)，都具有舉足輕重的意義，因此本文對(duì)回流焊工藝對(duì)表貼式封裝LED器件的可靠性的影響做了進(jìn)一步分析，但相關(guān)的工藝對(duì)比等實(shí)驗(yàn)仍有待于進(jìn)行，進(jìn)行深度地分析研究，以便提高整個(gè)表貼式封裝LED器件的可靠性，降低因各種熱輻射或熱傳導(dǎo)產(chǎn)生的熱沖擊造成的LED器件失效。

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The Research on the Reliability of Lron Frame SMD LED

WANG Jiang，LIAN Junhong，XIE Chenhong
(Huatian Technology Co.，Ltd，Tianshui 741000，China)

In this paper，it discusses the relationship between the theory of thermal shock and LED package，at the same time，analyzes the thermal shock generated by the reflow soldering and the impact to iron frame SMD LED by the reflow soldering.Then analyzes the thermal shock of reflow soldering by Flotherm，at the same time it discusses how to improve reliability，such as improving bake process and increase wire pull.

LED package；Reflow soldering；Thermal shock；Reliability；Moisture

TN305

B

1004-4507(2016)11-0029-06

2016-10-14

王江(1990－)，男，甘肅會(huì)寧人，助理工程師，在讀研究生，現(xiàn)于天水華天科技股份有限公司從事半導(dǎo)體封裝研究。