焊接層空洞率對(duì)LED背光源組件熱阻的影響

劉志慧，柴廣躍，閆星濤，劉 琪，羅劍生

(1.深圳大學(xué) 光電工程學(xué)院，廣東 深圳 518060；2. 深圳市瑞豐光電子股份有限公司，廣東 深圳 518132)

焊接層空洞率對(duì)LED背光源組件熱阻的影響

劉志慧1，柴廣躍1，閆星濤2，劉 琪2，羅劍生1

(1.深圳大學(xué) 光電工程學(xué)院，廣東 深圳 518060；2. 深圳市瑞豐光電子股份有限公司，廣東 深圳 518132)

焊接層空洞是引起電子器件和光電子器件失效的一種重要因素，同時(shí)也是應(yīng)用系統(tǒng)可靠性研究的重要內(nèi)容之一。它增大了焊接層的熱阻使得功率半導(dǎo)體芯片由于散熱不良而失效，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了空洞率對(duì)LED背光源組件熱阻的影響，結(jié)果顯示隨著焊接層空洞率的增大，樣品結(jié)溫與組件熱阻都明顯增加，且基本呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，當(dāng)空洞率約為17%時(shí)，熱阻增長(zhǎng)6.03%，結(jié)溫提高1.74%；當(dāng)空洞率約為73%時(shí)，熱阻增長(zhǎng)24.7%，結(jié)溫提高9%。

LED背光源；焊接層；空洞率；熱阻

引言

隨著微電子和光電子應(yīng)用系統(tǒng)的微型化、高速化、大密度、大功率的發(fā)展，器件內(nèi)部的熱流密度也在快速增加，器件的散熱就顯得尤為重要。器件的散熱不僅與系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)和布局有關(guān)，還與器件和各層之間的粘結(jié)質(zhì)量有關(guān)。焊接層空洞是引起電子器件失效的一種重要因素，同時(shí)也是可靠性研究的重要內(nèi)容之一，它的存在正是造成功率半導(dǎo)體芯片由于散熱不良而失效的主要原因。

焊接層有兩種，以LED為例：一種是芯片級(jí)的焊接，另一種是器件的焊接。芯片級(jí)焊接是將LED芯片焊接到銅或陶瓷管殼熱沉上；器件焊接是將一個(gè)或多個(gè)LED器件焊接到PCB電路板或鋁基PCB板，如有必要可再將電路板安裝在散熱器上。兩種焊接層的空洞形成機(jī)理相似，減少空洞的優(yōu)化工藝也類似[1]。本文以一種大尺寸液晶電視LED背光源模組為樣板，主要研究LED器件焊接層空洞率(焊接層空洞面積與焊接層總面積的比值)對(duì)LED光源結(jié)溫和背光源組件熱阻的影響。

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于焊接表面玷污、氧化等原因，會(huì)在焊接層產(chǎn)生空洞，這些空洞會(huì)減小LED散熱的有效面積，導(dǎo)致器件散熱不良，因此探討焊接層空洞率與LED組件熱阻的關(guān)系具有實(shí)際意義。目前已有很多關(guān)于空洞與芯片散熱的研究[2-3]，如陳穎、孫博等人利用有限元分析法研究了空洞位置對(duì)芯片最高溫度的影響[4]；?？×岬炔捎?-D有限元模擬的方法討論了空洞大小和位置對(duì)芯片熱阻的影響[5-6]；殷錄橋結(jié)合理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)的方法分析了空洞率對(duì)擴(kuò)展熱阻的影響[7]等，他們都采用了有限元模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，更多關(guān)注的是固晶層中空洞對(duì)芯片表面最高溫度的影響等，本文從企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)產(chǎn)品(LED背光源)入手，分析LED光源與基板間焊接層空洞率對(duì)LED結(jié)溫與組件熱阻的影響。

1 熱阻分析

1.1 LED背光源

隨著平板顯示技術(shù)的不斷升級(jí)，一種新型的LED背光源液晶電視逐步走進(jìn)人們的視線。由于液晶顯示屏本身不發(fā)光，所以為它提供光源的背光源就扮演著十分重要的角色。LED背光源在液晶電視領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì)很明顯：①LED背光源不含汞等有毒物質(zhì)，內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電壓低、功耗小，更節(jié)能，符合現(xiàn)代人綠色環(huán)保的消費(fèi)要求；②實(shí)現(xiàn)了比傳統(tǒng)光源更為寬廣的色域范圍，為液晶電視的色彩提升提供保障；③LED背光源衰變周期長(zhǎng)，使用壽命長(zhǎng)，而且響應(yīng)時(shí)間只有納秒級(jí)，可以明顯改善運(yùn)動(dòng)圖像拖尾問(wèn)題，提升動(dòng)態(tài)清晰度。LED背光源的這些技術(shù)優(yōu)勢(shì)解決了平板電視顯示技術(shù)發(fā)展中的瓶頸問(wèn)題，將成為未來(lái)平板電視產(chǎn)品發(fā)展的主流趨勢(shì)[8]。

但是LED背光源并非沒(méi)有缺點(diǎn)，其中一個(gè)有待解決的重要問(wèn)題就是散熱，這也是LED封裝技術(shù)中一個(gè)比較重要的問(wèn)題?，F(xiàn)在LED燈的功率比較高，有一定能量以熱的形式釋放出去，而背光源對(duì)熱信賴性要求比較嚴(yán)格，過(guò)熱會(huì)影響電路元器件性能、降低LED燈的發(fā)光效率、局部溫度過(guò)熱等。對(duì)于大尺寸LED側(cè)發(fā)光式背光源要求的燈條數(shù)量減少，燈的功率加大，對(duì)LED的散熱要求更高[8]。

LED背光源的簡(jiǎn)單生產(chǎn)工藝流程為：①焊接，選擇合適的光源(已封裝)焊接到PCB板上；②切膜，用沖床模切背光源所需的各種擴(kuò)散膜、反光膜等；③裝配，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求，將背光源的各種材料安裝在正確的位置；④測(cè)試，檢查背光源光電參數(shù)及出光均勻性等是否良好；⑤包裝，將成品按要求包裝入庫(kù)[9]。

1.2 熱阻分析

散熱是LED背光源的一個(gè)重要問(wèn)題，那么在生產(chǎn)過(guò)程中就要盡量提高發(fā)光效率或保證組件具有較好的散熱能力。而在LED背光源的工藝過(guò)程中很容易在焊接層產(chǎn)生空洞，而這些空洞的存在會(huì)直接影響組件的散熱。

由JEDEC Standard EIA/JESD51-1[10],可得LED熱阻公式為

(1)

其中，Rth是LED芯片結(jié)點(diǎn)到環(huán)境的熱阻，Tj是LED芯片結(jié)點(diǎn)溫度，Ta為指定的參考環(huán)境溫度，PH為L(zhǎng)ED的耗散功率，即熱功率。因此公式(1)可改寫為

(2)

式中，PE為總功率，PL為光功率。

圖1為L(zhǎng)ED背光源為典型的小熱源大散熱器的模型，因此這里需考慮擴(kuò)散熱阻的影響。擴(kuò)散熱阻表示的是熱流從小截面流向大截面時(shí)所引起的熱阻。擴(kuò)散熱阻模型如圖2所示；圖2為本實(shí)驗(yàn)原始模型，運(yùn)用等效尺寸計(jì)算公式(3)、(4)可將其轉(zhuǎn)化為圓形模型，轉(zhuǎn)化結(jié)果如圖3所示。

(3)

(4)

其中As為熱源面積，Ap為基板底部散熱面積。實(shí)驗(yàn)測(cè)得熱源面積為(2.47×2.47)mm2，散熱面積為(20×58)mm2，根據(jù)公式(3)、(4)計(jì)算得等效熱源半徑為1.39mm，散熱板等效半徑為19mm。

圖1 擴(kuò)散熱阻模型Fig.1 Diffusion thermal resistance model

圖2 原始方形模型Fig.2 The original square model

圖3 等效圓形模型Fig.3 Equivalent circular model

本實(shí)驗(yàn)中所用樣品由LED光源、錫膏層和六角鋁基板(大于熱擴(kuò)散半徑19mm)組成。由于錫膏層中空洞的存在，導(dǎo)致實(shí)際的接觸面積減少，影響散熱。樣品結(jié)構(gòu)與熱阻圖如圖4所示；樣品的總熱阻可表示為

(3)

其中，RLED為L(zhǎng)ED整體熱阻，包括芯片熱阻與固晶層熱阻等，RLED-錫為L(zhǎng)ED光源與錫膏層接觸熱阻，R錫為錫膏層體熱阻，R錫-Al為錫膏層與鋁基板接觸熱阻，RAl為鋁基板體熱阻，R擴(kuò)為擴(kuò)散熱阻。界面熱阻由兩個(gè)接觸熱阻和錫膏層體熱阻組成，即

(4)

實(shí)驗(yàn)中所用到的LED光源和鋁基板可近似認(rèn)為相同，因此在相同實(shí)驗(yàn)條件下，可認(rèn)為RLED和RAl是不變的；而在R界中，材料體熱阻與材料厚度成正比，厚度越小，熱阻越小，但體熱阻本身很小[11]，與由面積變化引起的那部分熱阻相比，我們可以認(rèn)為總熱阻的變化是由接觸面積變化引起的。

圖4 樣品結(jié)構(gòu)與熱阻圖Fig.4 The sample structure and thermal resistance

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

在第2部分熱阻分析中已經(jīng)明確了空洞對(duì)熱阻的影響，為了進(jìn)一步得到焊料層空洞率與樣品熱阻的關(guān)系，我們?cè)O(shè)計(jì)了以下實(shí)驗(yàn)過(guò)程，如圖5所示。根據(jù)上面的計(jì)算，我們關(guān)注的LED背光源不存在熱耦合的現(xiàn)象，因此本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)具有合理性。

圖5 實(shí)驗(yàn)過(guò)程Fig.5 The experimental process

首先，實(shí)驗(yàn)中先用遠(yuǎn)方積分球?qū)悠愤M(jìn)行光參數(shù)檢測(cè)，剔除問(wèn)題樣品，保證以下實(shí)驗(yàn)有效可信；其次將樣品進(jìn)行空洞率檢測(cè)，得到垂直錫膏層表面方向的空洞分布圖和空洞率；然后進(jìn)行熱阻測(cè)試得到樣品結(jié)溫和各部分熱阻曲線，分析曲線就能得到LED結(jié)溫和組件熱阻；紅外熱成像可以直觀的顯示光源表面最高溫度和溫度分布，而研磨拋光可以對(duì)樣品進(jìn)行剖面分析，得到樣品錫膏層截面空洞分布和錫膏層厚度。下面將逐步詳細(xì)地說(shuō)明各個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

3.1 樣品制備

實(shí)驗(yàn)中采用的是5730燈珠，所用錫膏為上海及時(shí)雨生產(chǎn)的SnAg3.0Cu0.5,所用基板為六角鋁基板，其尺寸大于熱擴(kuò)散半徑，基板背面寫上編號(hào)，回流焊最高溫度為260℃。樣品如圖6所示。

圖6 樣品Fig.6 The samples

3.2 樣品檢測(cè)

3.2.1 空洞率檢測(cè)

本次實(shí)驗(yàn)采用DAGE XD7500VR X射線檢測(cè)儀對(duì)樣品進(jìn)行掃描，根據(jù)樣品不同部位對(duì)X射線吸收率和透射率的不同，材料內(nèi)部和空洞由于透過(guò)的射線強(qiáng)度不同形成灰黑度不同的X射線影像圖，如圖7所示。通過(guò)改變儀器功率大小可將空洞全部選中，得到樣品空洞率。實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中，需依靠人眼觀察是否將所有空洞選中，存在人眼識(shí)別誤差，為保證結(jié)果可信，選擇樣品的空洞率相差大于10%。檢測(cè)結(jié)果表明：24只樣品空洞率范圍為0.3%～75%。

圖7 空洞率Fig.7 Voiding percentages

3.2.2 熱阻測(cè)試

LED器件熱阻測(cè)試基于電學(xué)法，主要分為3步：首先，在LED器件上加載一個(gè)測(cè)試電流，通過(guò)改變環(huán)境溫度(恒溫槽)，測(cè)試K系數(shù)；其次，記錄對(duì)應(yīng)的電壓參數(shù)，并對(duì)LED器件加載加熱電流；最后當(dāng)器件達(dá)到熱平衡后，將加熱電流切換為測(cè)試電流，記錄對(duì)應(yīng)電壓。

實(shí)驗(yàn)中采用T3ster熱阻測(cè)試儀測(cè)量樣品的結(jié)溫和結(jié)-環(huán)境熱阻，測(cè)試時(shí)用導(dǎo)熱膠片將樣品固定在恒溫槽中，槽溫設(shè)為25℃；實(shí)驗(yàn)最后取的數(shù)據(jù)是結(jié)-環(huán)境的熱阻，因此放置樣品時(shí)應(yīng)盡量保證用力均勻，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中已證實(shí)，用力不均會(huì)對(duì)熱阻數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的誤差。首先我們給器件加載1 mA的測(cè)試電流，環(huán)境溫度每隔10℃從25℃變化到85℃，得到K系數(shù)曲線(溫度-電壓曲線)；然后給器件加載加熱電流120 mA直到器件達(dá)到熱平衡，轉(zhuǎn)換為測(cè)試電流。圖8(a)(b)分別是結(jié)溫與環(huán)境熱阻的測(cè)試曲線。

通過(guò)曲線可分析得到樣品的結(jié)溫與各部分熱阻，如表1所示，這里所得數(shù)據(jù)都是在扣除光功率的基礎(chǔ)上得到的。

圖8 測(cè)試曲線Fig.8 Testing curve

編號(hào)空洞率/%結(jié)?環(huán)境熱阻/(K/W)結(jié)溫/(℃)結(jié)溫增長(zhǎng)率/%熱阻增長(zhǎng)率/%焊接層厚度/μm2276255395300000084035172663240231746037047123336728411726375611707144947169417756414619873187307800431190024708110

由表1可得到焊接層空洞率與LED封裝熱阻和結(jié)溫的關(guān)系曲線，如圖9所示。

圖9 焊接層空洞率與LED結(jié)溫和組件熱阻的關(guān)系曲線Fig.9 The relation between the voiding percentages and LED junction temperature and thermal resistance

由表1及圖9可知，隨著焊接層空洞率的增大，樣品結(jié)溫與環(huán)境熱阻都明顯增加，基本呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，當(dāng)空洞率約為17%時(shí)，熱阻增長(zhǎng)6.03%，結(jié)溫增長(zhǎng)1.74%；當(dāng)空洞率約為73%時(shí)，熱阻增長(zhǎng)24.7%，結(jié)溫增長(zhǎng)9%。

對(duì)樣品進(jìn)行紅外成像采集，發(fā)現(xiàn)不同錫膏層空洞率下，燈珠表面溫度并沒(méi)有明顯差別，相差在1℃左右，分析原因可能是本次挑選的燈珠固晶層空洞率較小，散熱較好；此外實(shí)驗(yàn)中所用錫膏的導(dǎo)熱系數(shù)較大，最高溫度隨錫膏層厚度的變化幅度較小，如厚度從0.05mm增大到0.25mm時(shí)，芯片最高溫度增加近1.5℃[12]。拍攝圖像時(shí)燈珠點(diǎn)亮?xí)r間不夠長(zhǎng)，燈珠還未穩(wěn)定，也對(duì)結(jié)果有所影響。

3.2.3 剖面分析

空洞的分布具有隨機(jī)性，大致可將空洞分為幾類[13]：互相挨近的小空洞連結(jié)在一起形成的大空洞和分散分布的小空洞；分布在焊錫層中心的空洞和邊緣的空洞；貫穿焊錫層的空洞和不同深度位置的淺空洞。為了更清楚地了解空洞在錫膏層中的分布，需要對(duì)樣品進(jìn)行研磨拋光，在高倍顯微鏡下觀察樣品的截面圖，如圖10所示；可以看到空洞的位置是隨機(jī)的，每個(gè)空洞大小也是隨機(jī)的，隨著空洞率的增加，空洞也由分散變成連續(xù)分布。在許多仿真實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)知道，空洞在錫膏層中的位置、大小以及連續(xù)性都對(duì)熱阻表現(xiàn)出不同的影響。但由于在企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)操作過(guò)程中無(wú)法準(zhǔn)確把握這些因素，也沒(méi)有必要細(xì)化這些影響因素，因此在本文中我們只關(guān)注錫膏層空洞率對(duì)整體熱阻的影響。

圖10 樣品截面圖Fig.10 The section of the sample

4 總結(jié)

本文首先根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹谱魈暨x樣品，再進(jìn)行熱阻測(cè)試等得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)得到以下結(jié)論：①焊接層空洞率的增大，樣品結(jié)溫與環(huán)境熱阻都明顯增加，基本呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)當(dāng)空洞率約為17%時(shí)，熱阻增長(zhǎng)6.03%，結(jié)溫增長(zhǎng)1.74%；當(dāng)空洞率約為73%時(shí)，熱阻增長(zhǎng)24.7%，結(jié)溫增長(zhǎng)9%?？梢?jiàn)隨著樣品錫膏層空洞率的增加，對(duì)樣品整體熱阻的影響較大。②由于錫膏導(dǎo)熱系數(shù)較大，錫膏厚度對(duì)燈珠表面最高溫度的影響較小。

空洞是LED互連層中的一個(gè)普遍現(xiàn)象，產(chǎn)生的具體原因也很多，空洞的存在將會(huì)影響到LED器件的光熱性能及可靠性性能。在回流焊過(guò)程中焊劑和材料化學(xué)反應(yīng)留下的氣泡可能在焊接層中留下空洞，這就要求實(shí)際的工藝溫度曲線和貼片速度等需與焊料的性能吻合，保證焊層的空洞較小；此外焊盤與錫膏層界面以及錫膏層與基板界面存在缺陷或者異物污染等導(dǎo)致焊料潤(rùn)濕不良也會(huì)產(chǎn)生空洞；焊盤或基板表面被氧化而使焊料浸潤(rùn)不良形成空洞，合理保存和使用焊料保護(hù)其不被氧化等都能在一定程度上減少空洞。本實(shí)驗(yàn)中樣品空洞就是由于焊盤中存在異物導(dǎo)致焊料浸潤(rùn)不良產(chǎn)生的。企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)該注意焊接中浸潤(rùn)不良和助焊劑高溫氣化形成的空洞，盡可能減少錫膏層的空洞率，優(yōu)化組件的散熱，以提高LED作為背光源的競(jìng)爭(zhēng)力。

值得注意的是在許多研究中都指出了，空洞的大小、位置等因素對(duì)器件的熱阻都有不同的影響，根據(jù)企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)的需求，本文只考慮焊錫層空洞率整體的變化對(duì)熱阻的影響，并未細(xì)化具體的因素，因此實(shí)驗(yàn)所得的曲線并非嚴(yán)格的線性增長(zhǎng)曲線。

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Effects of Voiding Percentages in Devices Solder Layer on LED Back Light Unit Thermal Resistance

LIU Zhihui1, CHAI Guangyue1, YAN Xingtao2, LIU Qi2, LUO Jiansheng1

(1.Shenzhen University, Shenzhen 518060, China;2.ShenzhenREFONDOptoelectronicsCo.LTD,Shenzhen518132,China)

Void in solder layer is the main factor in the failure of electrical device and optoelectronic devices and the main question of the reliability of the application system. The increasing thermal resistance in solder layer is the main reason for the heat diffusion failure of power semiconductor chip. This paper focused on the effects of voiding percentages on LED back light unit thermal resistance. The results showed that with the increasing of voiding percentages, the junction temperature and the thermal resistance are increased significantly and almost appeared linear growth. When the voiding is about 17%, the thermal resistance and the junction temperature increase 6.03% and 1.74%. When the voiding is about 73%, the thermal resistance and the junction temperature increase 24.7% and 9%.

LED back light unit； solder layer；voiding percentages；thermal resistance

廣東省前沿與關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新專項(xiàng)資金(重大科技專項(xiàng)，2014B010120004)項(xiàng)目，廣東省產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目(2011B090400400)，深圳市重大產(chǎn)業(yè)攻關(guān)項(xiàng)目(JSGG20140519105124218)

柴廣躍，E-mail：gychai@szu.edu.cn

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2016.06.020