金锡共晶互连对HP-LED光热性能的改善

殷录桥，翁 菲，付美娟，宋 鹏，张建华*

(1.上海大学新型显示技术及应用集成教育部重点实验室，上海 200072;2.上海大学机电工程与自动化学院，上海 200072)

1 引 言

散热的好坏直接影响到HP-LED器件的可靠性。芯片互连层介于芯片与基板中间，是将芯片热量传递至封装基板的第一个通道，芯片互连层的不良会直接引起LED芯片结温和热阻的上升［1］，因此在整个散热通道中互连层起着至关重要的作用。导电银胶是传统LED封装结构中互连材料的首选，但是由于HP-LED对散热要求的越来越高，对于热传导系数难以超过30 W/(m·K)的普通导电银胶来说，已经难以满足众多HP-LED的散热要求。为了改善HP-LED的散热性能，很多研究者在互连材料方面进行了研究。Li等［2］的研究表明，低温固化的纳米导电银胶在温度循环、湿热环境老化条件下的剪切力会出现下降的趋势。Wang等［3］对基于纳米导电银胶、普通银胶和无铅锡膏封装的HP-LED进行了相关研究，结果表明，纳米导电银胶互连封装的器件具有最好的出光性能。Liou等［4］对掺杂有少量碳纳米管的锡膏与普通导电银胶、锡膏(Sn3%Ag0.5%Cu)3种互连材料封装的LED进行了研究，结果表明，掺杂有少量碳纳米管的锡膏互连封装的LED器件具有较好的热学性能。金锡共晶互连在LED器件的应用方面也有相关研究，对银胶、锡膏和金锡共晶3种互连材料而言，金锡共晶互连的LED器件具有最低的热阻［5-6］。LED器件的散热虽然跟封装材料的导热率具有一定的关系，如封装材料尤其是互连材料的热导率越高，散热会越好，但是当热导率达到一定程度后，提高热传导率对散热的改善效果就不再显著［7］。以上研究结果表明，互连材料对LED器件的散热及可靠性有直接的影响。金锡共晶互连多年前在较大尺寸的晶圆或者基板封装方面就有相关研究［8-9］，目前在HPLED封装中没有大规模推广主要是金锡共晶互连工艺比较复杂，加热方法会直接影响到互连界面的质量。正因为如此，本文将基于不同互连材料封装的HP-LED器件为研究对象，分别就共晶加热方法对共晶互连界面的影响、不同共晶互连材料封装的LED器件在光学、热学及剪切力等方面分别进行了实验研究。

2 实 验

实验中选取的3种互连材料是金锡(Au80Sn20)、锡膏(Sn96.5Ag3Cu0.5)及高导热的银胶(30 W·m－1·K－1)。LED芯片为CREE公司的EZ900系列。基板是陶瓷覆铜镀金基板。基于该封装基板封装好的LED器件如图1所示。

图1 封装好的HP-LED器件Fig.1 Packaged HP-LED

图2为实验中采用的共晶工艺示意图。首先，对底部加热与底部、顶部共同加热共晶工艺对互连层热阻、互连层缺陷方面的影响进行了对比实验研究。然后，针对封装好的HP-LED器件分别进行了热阻测试(T3Ster)、光学测试(HAAS-2000)、互连界面厚度测试(光学显微镜)及剪切力测试(Dage 4000)。

图2 共晶结构示意图Fig.2 Eutectic process diagram

3 结果与讨论

3.1 不同封装材料、不同共晶加热方法对HP-LED互连层热阻的影响

图3是3种不同互连材料互连封装的HPLED器件在T3Ster热阻测试设备上的测试结果。金锡(底部、顶部共同加热)、锡膏、银胶互连封装的 LED 器件的互连层热阻依次为 3.7，4.6，5.8 W·m－1·K－1，金锡共晶封装(底部、顶部共同加热)的LED器件的互连层热阻相对于锡膏、银胶分别降低了20%和36%，在互连层热阻层次上的改善效果非常显著。而基于底部加热方式的共晶工艺互连封装的HP-LED器件的互连层热阻高达8.7 W·m－1·K－1，可见底部、顶部共同加热的金锡共晶互连封装方式是一种有效的改善共晶互连界面热阻的方法。

图3 不同互连材料、不同共晶条件下的互连层热阻对比。Fig.3 Differential structure functions of HP-LED interconnected by different materials and different eutectic process

由此可见，在共晶互连工艺中，共晶互连层的热阻明显受加热方式的影响。为了解释造成这两种共晶工艺互连层热阻较大差距的原因，我们将两种互连工艺互连封装的LED器件分别进行X射线扫描测试，测试结果如图4所示。固晶层中的空洞对芯片级封装的器件热阻影响比较明显，研究表明:无规律的、小尺寸的空洞分布增长率与热阻增长率具有线性关系，而连续性的、大尺寸的空洞与热阻增长之间则是指数关系［10］。从图4(a)可以发现，在底部加热的共晶互连层中，存在着大量连续性的空洞;而从图4(b)可以发现，底部、顶部共同加热方式基本不存在空洞，尤其是没有连续性的空洞。该测试结果表明，底部、顶部共同加热的共晶方法可以有效地改善共晶互连层中的空洞缺陷。

图4 X射线测试结果。(a)底部加热共晶互连LED;(b)底部顶部共同加热互连LED。Fig.4 X-ray tested results.(a)Bottom heating only.(b)Bottom and top heating together.

3.2 不同封装材料对HP-LED峰值波长偏移的影响

图5 不同互连材料互连封装的HP-LED器件在50 mA和1 000 mA下的峰值波长。(a)金锡共晶(底部、顶部共同加热);(b)锡膏;(c)高导热银胶。Fig.5 Peak wavelengh of different materials interconnected HP-LED drived by 50 mA and 1 000 mA.(a)AuSn(bottom and top heating).(b)Solder paste.(c)Silver paste.

图5是3种不同互连材料互连封装的HPLED器件分别在50 mA和1 000 mA下的峰值波长。通过图5可以发现，金锡共晶(底部顶部共同加热)、锡膏共晶与高导热银胶互连封装的HPLED器件，在50 mA和1 000 mA电流驱动下的波长偏移分别为 1，3.9，1.5 nm。峰值波长的偏移不利于白光LED色调的稳定性，因此从该方面来说，金锡共晶互连的HP-LED在出光方面比较稳定。

3.3 不同封装材料对HP-LED固晶层厚度及剪切力的影响

将3种互连材料互连封装的LED器件沿着与LED芯片发光面垂直的方向进行切割并抛光，然后通过光学显微镜进行厚度观察测量，测量结果如图6所示。可以发现，金锡共晶、锡膏共晶、银胶互连的3种LED器件互连层的厚度分别为4.8，9.5，11.3 μm。热阻的计算公式如下:其中R为材料体的热阻，h为固晶层的厚度，A为固晶层的截面面积，k为材料体的导热系数。可以看出，热阻跟互连层的厚度成正比。所以从厚度上来讲，金锡共晶在这3种互连方式中最有利于降低热阻。该结果也与图3的热阻测试结果相一致。

最后，对3种不同互连材料封装的大功率LED器件进行剪切力测试，测试结果如图7所示。

图7 3种材料互连的LED器件的剪切力测试Fig.7 Shear force of HP-LED interconnected by three kinds of interconnect material

通过该剪切力测试结果可以发现，金锡共晶、锡膏共晶、银胶互连的3种LED器件互连层的剪切力分别为 9.2，4.2，1.5 kg。图8 为剪切力测试后的互连界面，可以发现锡膏、银胶互连层的断裂面大部分发生在互连界面中，而金锡共晶互连层的断裂面有相当一部分发生在芯片底部的硅衬底层上。该现象表明共晶互连界面的强度已经超过芯片硅衬底的强度。

图8 3种材料互连封装的HP-LED经过剪切力测试后的断裂面。(a)Au80Sn20;(b)锡膏;(c)银胶。Fig.8 Interconnect surface of shear test.(a)Au80Sn20.(b)Solder paste.(c)Silver paste.

4 结 论

以金锡、锡膏、银胶3种互连材料互连封装的LED器件作为研究对象，分别就共晶加热方式对共晶互连层界面质量的影响、3种互连材料对HP-LED器件热学、光学、剪切力等性能的影响开展了研究。底部、顶部加热方式可以有效避免底部加热共晶工艺中界面互连层中空洞的缺陷。在热学方面，共晶互连层的热阻相对于锡膏、银胶互连层的热阻分别降低了20%和36%。在光学方面，共晶互连的HP-LED相对于另外两种材料互连的器件在50 mA、1 000 mA两种电流驱动下的峰值波长偏移最小。剪切力测试表明，共晶互连层的剪切力强度是3种材料中最好的，而且断裂面发生的位置也验证了金锡共晶互连方法是一种互连强度可靠的方法。以上实验结果表明，共晶互连工艺不仅可以有效降低LED器件的热阻、提高出光效率，而且还可以提高互连层的互连强度，是改善HP-LED散热及互连强度的有效方法。

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