硅衬底结构LED芯片阵列封装热可靠性分析

海 洋

(桂林电子科技大学，广西 桂林 541004)

LED被公认是21世纪节能的、环保的绿色光源。许多国家包括中国在内都纷纷投入大量的人力物力来研究LED的灯具产品。近年来，高的科研投入得到了回报，LED灯具产品的种类越来越多，应用的场合也越来越广泛。因此，设计合适的LED灯就显得尤为重要。目前，LED封装正朝着高密度、集成化、高功率的方向发展。因为单颗LED的功率很小，而作为照明来使用，则要求在照明区域内需具有一定的均匀光通量和光照度，所以需要采用LED的阵列形式，以加大其发光亮度和发光面积，从而改善光照的均匀性。这样必然会产生高密度封装，而芯片的集中和总体功率的加大，势必会造成热量的集中和增大，那么在温度载荷的冲击下，封装结构的各层材料的热膨胀系数的差异将会导致显著的热失配现象。为了最大限度地降低温度过高时产生的热应力对芯片的破坏，LED芯片需要装在衬底上，而选择合适的衬底材料则是研究的重点。

1 LED芯片阵列封装

最先发展LED阵列集成技术的是美国Pacific Cybervision公司，由其所研发的LED阵列照明用灯具的光学输出量达到了普通单个LED的光输出量的百倍。同时，由于该LED阵列的高度集成，使其输出的光在室内可均匀照亮全部空间[1]。

根据赵刚[2]等人对COB封装技术的研究，可以了解到COB封装可以提高电子组件的组装密度，降低成本，缩小和减轻电子组件的体积和质量。而采用COB封装结构的LED芯片阵列形式，则可以大大提高LED的总功率以及光照集成度。

本文所研究的对象为一个4×4的LED芯片阵列封装结构。为了满足在照明区域内要达到一定的光通量和光照度的要求，根据胡海蕾[3]等的研究方案，在本文中对芯片布局进行了一定的优化。LED芯片的额定功率为1.2 W，16个芯片的大小均为1mm×1mm×0.2mm，芯片横向间距为1.5mm，纵向间距为1.8mm。硅衬底的厚度为0.2mm，LED的布线可以在硅衬底上进行，省去了传统LED引脚器件。铝基板厚1.5mm。见图1。

图1 4×4LED芯片阵列模型

2 有限元模拟

2.1 有限元模型

本文通过对某路灯实物的研究和分析，对实物原型进行改进之后，建立了对应的LED芯片阵列模型，并将其作为分析对象。该4×4LED芯片阵列结构主要由铝基板、硅衬底、硅衬底焊接材料、GaN芯片和硅胶透镜组成。为了能够使用于分析的模型更接近实物，建立了三维有限元模型。考虑到其对称性，取1/4进行建模，其有限元模型如图2、图3所示。

图2 LED阵列封装1/4模型

图3 LED阵列的有限元模型

2.2 材料参数[4]

模拟中采用的材料参数见表1。

表1 部件的材料参数

2.3 温度循环条件

温度循环测试的目的是用于判定元器件暴露于高温与低温环境下，其对于温度热膨胀与收缩所产生机械应力的抗应变能力[5]。温度循环主要模拟元件在使用状态下，芯片运转后元件温度上升，关闭后温度下降的过程，温度范围的选择主要依据JEDEC(JESD22-A104-C[6])标准。本文选定的温度范围是-55℃～＋125℃,高低温驻留时间各为10 min，上升和下降速度均为10℃/min，循环从室温25℃开始，经过5个周期后最后停留在最高温度125℃。整个循环过程根据升温，保温，降温共分为21个阶段。

图4 温度循环曲线

3 结果与分析

现行教育制度下，教师往往教授专业课程中的一门或几门课程，课程之间天然被割裂，无法帮助学生将知识进行有效串联，将专业中各门课程有效融合。

图5 LED芯片阵列Von Mises应力分布云图

图6 芯片与硅衬底界面等效Von Mises应力分布云图

图6显示芯片和硅衬底部分等效Von Mises应力分布云图，最大等效Von Mises应力分布在衬底上，应力值为110 MPa。造成硅衬底等效应力比较大的原因是硅衬底与铝基板的热失配是比较严重的，应力集中在硅衬底上，在一定程度上保护了芯片，降低了热失配对芯片的破坏作用。但是如果温度过高时，加之硅衬底又是布线层，电流流过时会发热，当集中在硅衬底上的应力过高时，硅衬底层有被破坏的危险，从而会造成LED失效。

图3给出了m取值为3～8时在不同误比特率下完成识别所需的数据量.可以看出，在相同数据量下，m越小，误码适应能力越好；在相同误比特率下，m越小，识别所需数据量越小.

刘佳把嘴巴捂着，一脸防备地看着我，我咧着嘴，风从缺口漏进嘴里，我向他保证，我不亲你，真的。我还把手竖起来发誓。

整个温度循环过程中，硅衬底作为过渡性材料，有效地降低了热失配对封装可靠性的影响。芯片所受应力情况在安全范围内。

4 硅衬底

用硅作GaN发光二极管（LED）衬底将使得LED的制造成本大大降低。因为硅生产技术相当成熟，硅衬底本身价格就便宜很多，而且硅衬底可以做成更大尺寸的衬底 (例如使用4英寸的硅片衬底)，从而可以以提高MOCVD的利用率，以提高管芯产率。硅和SiC衬底一样，也是导电衬底，电极可以从管芯的两侧引出，这样不但可以减少管芯面积还可以省去对GaN外延层的干法腐蚀步骤[8]。同时由于硅的硬度较常用的蓝宝石和碳化硅衬底的硬度低，因此使用液态硅浸渗法中使用通用的切割设备就可以切出LED芯片，节省了管芯生产成本。

鉴于硅的重要作用，和在器件封装中的表现，我们要开展硅衬底的研究。

图5显示LED芯片阵列Von Mises应力分布云图。LED芯片阵列封装在温度循环载荷下在芯片周围会发生应力集中。这是因为在芯片附近由于各部分材料的热膨胀系数的差异，导致在温度循环过程中，会出现各种材料以不同速度收缩和扩张，从而产生应力，芯片附近材料热膨胀系数差异最为明显，因此会出现应力集中。

F2断裂：北东向分布，岩层较破碎，见构造角砾，砾径5～50 mm；长大于2.5 km，产状317°～332°∠45°～60°。

碳化硅衬底，采用碳化硅衬底制作的器件导电和导热性能非常好，有利于做成面积较大的功率型器件。由于使用碳化硅衬底的芯片电极为L型，两个电极分布在器件的表面和底部,所产生的热量可以通过电极直接导出；同时这种衬底不需要电流扩散层,因此光不会被电流扩散层的材料吸收,这样又提高了出光效率。碳化硅除了具有高的热传导率外，它与硅还有非常好的热匹配。可惜的是，碳化硅在1 MHz的频率下介电常数为40或者更大，因为高速的电流流动而造成的电绝缘损失成了问题[7]。另外，相对于蓝宝石衬底而言,碳化硅制造成本较高,实现其商业化还需要降低相应的成本。目前，美国的CREE公司专门采用SiC材料作为衬底。

如前所述，大学生英语演讲能力的普遍提高单靠某一种培养途径效果有限，研究小组构建了“英语演讲选修课+英语演讲嵌入型课程+英语演讲第二课堂”的多途径培养模式。小组成员分头进行英语演讲选修课教学实践、英语演讲嵌入型课程教学实践和英语演讲第二课堂活动实践，培养学生的英语演讲能力。

硅衬底作为研究重点，硅是在高功率、高亮度LED方面的应用很广的半导体材料。近年来，硅作为InN发光二极管 (LED)衬底材料是很引起注意的，因为有可能将InN基LED器件与硅器件集成。可以想象，如果在硅的衬底上能生长出器件质量的InN外延膜，这样则将大大简化InN基LED器件的制作工艺，减小器件的大小。

由于硅材料易碎，因此不能用来作为封装体。此外，由于硅的强度不够，当与硅连接的有机材料有明显的热膨胀系数的差异的话，那么硅就会在热应力的作用下弯曲。

硅衬底，硅衬底芯片电极也可以做成L型的，电流纵向流动,因此增大了LED的发光面积,从而提高了LED的出光效率。硅是热的良导体,所以器件的导热性能可以明显改善,从而延长了器件的寿命。

本指安定刘氏江山。 汉·刘邦（高祖）病危时对吕后说：“周勃重厚少文，然安刘氏者必勃也。”见《史记·高祖本纪》、《留侯世家》。后因以安刘爲维护王朝的典故。 唐·白居易《长庆集》十五《题四皓庙诗》：“卧逃秦乱起安刘，舒卷如云得自由。”宋李心传 《建炎以来系年要录一四七绍兴十二年》：“及是秦桧除太师，彦诗以啓贺之，有曰：‘大风动地，不移存赵之心；白刃在前，独奋安刘之略。’桧喜，由是稍复录用。 ”〔2〕44

硅作为衬底还有很多优点。例如高热导率，光洁的表面非常有利于细线光刻、而且还可以在其内部实现电容耦合。

通过有限元模拟，可以发现硅衬底与芯片及基板的热失配比较小。温度加载的条件下，芯片区域并未表现出过高的应力集中现象。

虽然与蓝宝石和SiC相比，在硅衬底上生长GaN更为困难。因为这两者之间的热失配和晶格失配更大。不过在硅上GaNLED方面已经取得了不少令人兴奋的结果。硅用作LED芯片衬底，由于这种衬底的热膨胀系数 (CTE)与芯片非常匹配。而且在硅上容易制作微细间距的互连，所以硅被用作LED封装的衬底材料将是今后研究的重点。

5 结论

(1)LED阵列封装是今后LED发展的方向之一，而LED阵列结构与COB技术方式的相结合，则是发展的一种思维。两者相结合代表了高密度、高功率的发展目标。为以后电子组件朝着低成本、高密度、轻质量、小体积方向的发展提供了动力。

(2)在本文中通过对带有硅衬底的LED阵列封装结构进行有限元分析，发现芯片所在的单元正是应力集中区。所以如果将芯片直接焊接在基板上，由于热膨胀系数的不匹配，则基板容易发生翘曲等变形行为，会直接影响到芯片的安全可靠性，问题严重时会损坏芯片。而且当环境温度越高，结温越高，这个问题就越严重。分析结果还发现由于有了硅衬底的过渡作用，封装结构中的热失配问题有了显著改善，芯片得到了一定程度的保护 (芯片处的最大等效应力值仅为60 MPa，在安全范围内)。而且硅衬底上布线，又省去了引脚结构，节约了成本。

但是，应该注意的是，由于硅衬底与铝基板也存在着热失配的问题，以及硅衬底自身的电流发热问题，温度过高时可能会造成硅衬底破坏，从而造成LED失效。所以，如何进一步改进封装结构，将是我们下一步研究的重点。

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(3)通过对硅衬底的分析和总结，了解到由于具有了其他衬底材料所不具有的良好的性能，硅衬底作为今后研究的热点，是应该被引起注意的。

[1]Pacific Cybervision Electronic Co.,LTD[Z].

[2]赵刚，孙风桐.COB技术[J].南开大学学报，2002，35:77-78.

[3]胡海蕾，赖爱光，谢树森.基于道路照明的LED阵列光照度分布研究[J].照明工程学报，2009,20:77-79.

[4]戴炜锋，王琚，李越生.大功率LED封装的温度场和热应力分布的分析[J].半导体光电子，2008(3):324-328.

[5]Pradeep Lall,Michael G.Pecht,Edward B.Hakim.温度对微电子和系统可靠性的影响[M].北京：国防科技大学，2008.

[6]JEDEC Solid State Technology Association.JESD22-A104C[S],Temperature Cycling,May,2005.

[7]William D.Brown.Advanced Electronic Packaging with Emphasis on Multichip Modules[M].

[8]LED结构及衬底材料的选用.行业知识[Z].