纳米银焊膏烧结大功率LED模块的高温可靠性研究

陈 佳， 李 欣*， 孔亚飞， 梅云辉， 陆国权,2

(1. 天津大学 材料科学与工程学院， 天津 300072；2. 弗吉尼亚理工大学 材料科学与工程学院， 弗吉尼亚州 蒙哥马利 24060)



纳米银焊膏烧结大功率LED模块的高温可靠性研究

陈 佳1， 李 欣1*， 孔亚飞， 梅云辉1， 陆国权1,2

(1. 天津大学 材料科学与工程学院， 天津 300072；2. 弗吉尼亚理工大学 材料科学与工程学院， 弗吉尼亚州 蒙哥马利 24060)

介绍了一种加速老化试验模型对LED模块进行寿命预测。分别采用纳米银焊膏、锡银铜焊料、导电银胶作为芯片粘结材料。控制环境温度和正向电流，在特定的时间测量光输出。比较了不同粘接材料及环境温度对LED老化过程的影响，并针对老化过程进行分析推导，建立老化数学模型，对其进行寿命预测。试验结果表明，纳米银焊膏粘接的模块对温度的抗性最好，纳米银焊膏有潜力在未来固态照明、投影和其他高功率器件领域得到应用。

大功率LED模块; 粘结材料; 纳米银焊膏; 加速老化试验; 寿命

1 引 言

随着固态照明技术的不断进步，发光二极管(LED)应用市场逐渐成熟，LED产业将成为未来新的经济增长点[1-2]。人们对大功率LED的需求越来越多。为了增强LED的竞争能力，必须提高光通量[3]。随着单颗大功率LED 的功率密度的不断提高，以及多芯片集成阵列块方法的使用[4]，LED的光输出能力逐年增强，同时LED的输出功率和正向电流也逐渐增大。然而，大多数大功率LED输入的电能只有15%转换成光能，剩下的损耗成热能。如果不及时将芯片发出的热量导出并消散，大量的热量积聚在LED 内部，将造成芯片的温升效应，LED 的发光效率急剧下降，而且寿命和可靠性也将大打折扣；另外高温高热将使LED 封装结构内部产生机械应力，还可能引发质量问题[5]。

为了满足大功率LED的导电与散热需求，需要采用适合的芯片粘接材料以保证其可靠性。如今常用的芯片粘结材料是锡基合金和导电银胶。锡基合金具有适用于大多数贵金属的熔点范围(通常183～221 ℃)、匹配的机械性能和良好的可焊性[6]，但高温易分解。大多数导电银胶是可适用于粘结温度的热固性材料，然而，当工作温度超过玻璃转化温度(Tg)时, 由于Ag粒子间的乱序排列，Ag填充物没有足够的导热导电路径[7-8]。因此，作为芯片粘结材料，导电银胶无法满足电子器件在高温高功率场合的应用，寻找高温下可靠的芯片连接材料成为新的研究热点。近年来，纳米银焊膏得到了广泛关注。相比于锡银铜焊料和导电银胶，烧结的纳米银焊膏具有优越的导热导电性能和良好的机械性能[9]。而且，纳米银焊膏具有耐高温、无铅环保、可靠性高的优点，这对于LED器件的可靠性和寿命至关重要。

相比于传统的白炽灯和荧光灯，LED具有很长的寿命(50 000～100 000 h)[10]和良好的热性能，因此应用常规应力的方法对其进行寿命研究往往很难，需要一种快速可靠的方法来准确地预测LED的寿命。为此，加速老化试验替代室温寿命试验用于快速预测LED器件的寿命[11-14]。通常采用阿伦纽斯模型(寿命特征随着温度的上升而按照指数函数规律下降)用于电子元器件的寿命预测。阿伦纽斯模型适用于高温耐久试验的加速模型。大功率LED的使用寿命以光输出衰减到一定程度的时间，即失效时间来定义。对于照明用途，一般失效时间指光输出衰减到初始的70%(对于显示用途失效时间一般定义为光输出衰减到初始值的50%)的使用时间[15]。

本试验对纳米银焊膏、锡银铜焊料、导电银胶分别作为粘接材料的大功率蓝光LED进行了100～250 ℃高温作用下的老化，工作电流为1 000 mA。比较了不同粘接材料及环境温度对LED老化过程的影响，并针对老化过程进行分析推导，建立了老化数学模型对LED进行寿命预测。

2 实 验

2.1 样品制备

本试验采用纳米银焊膏、锡银铜焊料、导电银胶分别粘接3组LED模块，试样每3只为1组，共制备3组。用YD2800型点胶机将纳米银焊膏注射于Al2O3(3×3)-COB陶瓷基板(12 mm × 12 mm ×t0.5 mm) 上。控制压力为7.0 kg/cm ,时间为0.5 s，来控制基板中央9个矩形的点胶量。选用欧朗公司GaN基1 W 蓝光LED 芯片(1 mm× 1 mm ×t0.19 mm)，用贴片机实现9片LED芯片与9个矩形区域的连接，保证贴片时焊膏少量均匀溢出，平铺在芯片下方，使芯片与基板完好接触，如图1所示。然后，经过纳米银焊膏的烧结、锡基焊料的回流焊、导电银胶的固化处理等相应的工艺处理，用WT-2330超声波金丝球焊机将芯片连接，并将LED芯片与焊盘连接形成电路。

图1 LED模块

为了避免由于荧光粉和硅胶的老化对于光衰的影响，所有用于试验的LED模块都采用裸芯片结构的模块。因此，该寿命预测值仅为本试验中裸芯片结构的模块寿命。

2.2 方法

研究LED的可靠性通常采用电流加速方法和温度加速方法。在LED芯片中持续注入高电流密度会导致热化和强电场现象。持续的高温和强电场会增强原子的扩散和造成电极的意外融合，与此同时也有可能增加断层密度和点缺陷[16]。本试验采用图2所示的光衰测试系统，将3组试样放置在老化夹具内，夹具底部放置加热板以提供所需的环境温度，并通过热电偶反馈控制温度。试验一共设定了4组环境温度，分别为100，180，200，250 ℃。当测试系统启动时，LED芯片在1 000 mA电流下持续点亮，光强值会通过光接收器接收并传送至电脑，记录并处理。为了研究大功率LED的老化过程，比较不同粘接材料及环境温度对LED老化过程的影响，本试验选用新型纳米银焊膏及予以对比的锡银铜焊料、导电银胶作为粘接层，一并在大电流1 000 mA、高温环境100，180，200，250 ℃条件下进行长时间的老化。并针对老化过程进行分析推导，进而建立针对该原理的LED老化数学模型，计算其寿命。

图2 光衰测试系统

3 结果与讨论

3.1 LED的光衰

研究大功率LED模块的老化过程的主要意义是测试并推算其寿命。由于LED的理论寿命一般为10万小时左右，而实际寿命也可达到2万小时，因此应用常规应力的方法对其进行寿命研究往往很难。常用的办法是采用大应力方式加速LED老化，进而得到最终寿命[17]。针对LED的电学及材料学特点，影响其老化过程的应力包括两种：一种是温度，另一种是电流强度[17]。我们通过同时加大这两种应力的方法得到大应力的老化过程，进而通过数学模型推导LED的寿命。图3是各种模块在1 000 mA电流，100，180，200，250 ℃下的相对光输出随老化时间的变化关系。3种模块老化前的光输出均定为100%。

1989年，Amano等利用低能电子辐照实现了Mg掺杂低阻P型GaN。P型GaN欧姆接触层的高浓度Mg掺杂有利于获得高空穴载流子浓度，可有效降低器件正向工作电压，但掺杂物质所造成的晶格损伤和缺陷能级会降低器件的电光转换效率，即外界注入的部分载流子未弛豫到有源区发光复合能。从图3可以看出，除了250 ℃温度过高导致光输出从老化刚开始就出现明显的衰减，在其他温度下，3种模块的光输出会随老化时间的延长先增大后减小。该现象的原因为MOCVD生长的GaN的部分受主Mg与H形成Mg—H复合体钝化，导致Mg的激活率很低，空穴浓度也因此较低。当老化电流比较大时，部分Mg—H键被打断，使得受主Mg被激活，空穴浓度从而增加，与载流子浓度更加匹配，发光效率增高；另一方面，结温在老化过程中升高，同时GaN材料中非辐射复合中心(位错、缺陷等)密度升高，从而导致发光效率降低，光输出也随之降低。这两种机制相互制约影响，使得在老化初期，Mg受主激活机制占主导，3种模块的光输出会先增加；随着老化过程的继续，非辐射复合中心增生机制占主导，因此老化一段时间后，LED模块的光输出便开始下降[18-22]。该理论也可解释250 ℃光输出从老化刚开始就出现明显衰减的情况，因为250 ℃环境温度本身就比较高，加上电流的热效应，LED模块结温急剧升高，发光效率迅速降低，导致光输出从老化刚开始就出现明显的衰减。

图3 同材料器件在不同温度下的光衰曲线。(a) 纳米银焊膏；(b) 锡银铜焊料；(c) 导电银胶。

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的使用寿命通常指输出光通量衰减至初始的70%时所需要的时间。图3中，环境温度越高，LED失效的时间(TTF，the time to failure)越短，所以可以认为LED的光输出的衰减是由热效应激发的。

图4为各温度下3种模块的光衰曲线。在100 ℃条件下，老化进行1 000 h时，纳米银焊膏粘接的试样的光输出降至初始值的91.5%，锡银铜焊料和导电胶粘接的试样的光输出分别降至初始值的87.5%和87%。这说明环境温度为100 ℃时，LED模块衰减缓慢，而且纳米银焊膏粘接试样的衰减率比锡银铜焊料和导电银胶粘接试样的衰减率明显要低。随着环境温度的升高，各模块光输出衰减加剧。当环境温度为250 ℃时，锡银铜焊料和导电胶粘接的试样不到10 h便已失效，纳米银焊膏粘接的试样也在20 h之内失效。

图4 3种模块在不同环境温度下的光衰曲线。(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模块的寿命分析

研究大功率LED模块的老化过程的主要意义是测试并推算其寿命。在寿命预测时，一般先测出加速老化试验中LED的寿命，然后乘以加速因子即为预测的LED正常工作条件下的室温寿命。过程包括：(1)老化测试过程中不间断记录试样的光输出值；(2)通过直接观测(试验结束时试样的光输出已降至初始值的50%或70%)或拟合外推(试验结束时试样的光输出衰减率不足初始值的50%或70%)的方式估测老化试验中LED的寿命，如图5所示；(3)计算加速因子(AF)；(4)测试条件下的寿命乘以加速因子即为LED正常工作条件下的常温寿命。因此，只有环境温度足够高时，老化1 000 h以内的LED模块的光输出衰减才足以直接观测光通量衰减为初始的70%的使用时间，进而进行寿命预测；否则，部分或全部试样的光输出尚未衰减到初始值的70%，需要外推拟合才可计算光输出衰减至初始值70%所使用的时间，较为不便。故下面采用200 ℃条件下测得的3种试样的光输出值来预测各模块的寿命，从而比较粘接层对模块寿命的影响。

图5 基于加速老化试验的寿命预测[15]

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

目前国内外研究老化过程主要采用阿伦纽斯模型。阿伦纽斯模型是普遍适用于各种器件老化的模型。在LED老化过程中，如增加温度应力，其加速因子可用如下数学公式计算：

(1)

LED的寿命即可表示为[23]：

t=t′·KAF，

(2)

其中，Ea为器件的激活能，单位为eV；k=8.617×10-5eV/K，为波尔兹曼常数；T为LED正常工作的绝对温度，T′为老化测试时对LED施加应力的绝对温度，单位为K；e是自然常数。只要测得LED在某一温度下光输出衰减到开始值的70%时所经历的时间t′，根据激活能Ea值，就可以推导其寿命。下面介绍Ea的计算过程。

Ea值是通过作出LED在各温度条件下老化的K70%(光输出衰减到70%所必需的时间)和对应的q/kT的阿伦纽斯关系曲线估计的[22]。

首先，随着温度应力的增加，光输出呈指数规律衰减[24]：

(3)

其中q=1.6×10-19C，为元电荷常数。因此，K70%还可表示为：

(4)

其中N为常数，继续对等式两边求对数，得：

即等式为一次函数形式，其中常数N′=lnN，因此对K70%取对数作为纵坐标，q/kT作为横坐标，其斜率即为Ea值。如图6所示，求得Ea=1.12 eV。

如采用200 ℃(T′=473 K)的温度条件进行测试，取Ea=1.12 eV，纳米银焊膏粘接的试样的光输出达到开始值70%所经历的时间t′=51 h，代入公式(1)和(2)，计算得其室温寿命(T=25 ℃，即298 K)约为5.19×108h。锡银铜焊料和导电银胶粘接的试样t′分别为40 h和32 h，计算得其室温寿命约为4.07×108h和3.26×108h。但是该寿命预测值仅为本试验中裸芯片结构的模块寿命，因此以后的试验还需进一步对包括荧光粉、环氧树脂及灌封树脂等在内的完整结构的LED模块进行寿命预测[25]。

图6 K70%对q/kT的阿伦纽斯关系曲线

4 结 论

寿命问题一直是限制LED应用的核心问题。为了研究大功率LED的老化过程，比较不同粘接材料及环境温度对LED老化过程的影响，本试验选用新型纳米银焊膏及予以对比的锡银铜焊料、导电银胶作为粘接层，一并在大电流1 000 mA，高温环境100，180，200，250 ℃条件下进行长时间的老化。发现在同样的高温条件下，纳米银焊膏粘接的试样衰减得最少，锡银铜焊料粘接的试样次之，导电银胶粘接的试样衰减程度最大。针对老化过程进行分析推导，进而建立了针对该原理的LED老化数学模型，计算其激活能为1.12 eV，并计算出了各模块裸芯片结构的寿命。以后的试验还需进一步对完整封装的LED进行寿命预测。

[1] 王加文,苏宙平,袁志军,等. LED阵列模组化中的照度均匀性问题 [J]. 光子学报, 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,张刘刘,陈苗根,等. 板上芯片集成封装发光二极管的光色检测系统 [J]. 光学 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] 宁磊,史永盛,史耀华,等. LED封装结构对出光率的影响 [J]. 液晶与显示, 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] 白一鸣,罗毅,韩彦军,等. 集成封装发光二极管光提取效率的计算及优化 [J]. 光学 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] 董丽,刘华,王尧,等. 紧凑型LED配光设计中光源模型可靠性研究 [J]. 光子学报, 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, AÏT-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] 肖友鹏,莫春兰,邱冲,等. Si衬底GaN基蓝光LED老化性能 [J]. 发光学报, 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] 陈志忠,秦志新,胡晓东,等. 大功率白光LED的制备和表征 [J]. 液晶与显示, 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发光二极管的老化数学模型及寿命测试方法 [J]. 中国激光, 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,柏泽龙,鲁路,等. 白光LED远程荧光粉技术研究进展与展望 [J]. 中国光学, 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)

陈佳(1991-)，女，河北唐山人，硕士研究生，2014年于沈阳工业大学获得学士学位，主要从事大功率LED模块可靠性的研究。

E-mail: chenjia1991gd@163.com

李欣(1984-)，女，天津人，博士，2012年于天津大学获得博士学位，主要从事高功率电子封装技术以及可靠性的研究。

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

天津市自然科学基金青年基金(13JCQNJC02400)资助项目

TN312.8

A 文献标识码: A

10.3788/fgxb20163709.1159