焊接層空洞率對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 光電工程學院，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 光電工程學院，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，同時也是應用系統可靠性研究的重要內容之一。它增大了焊接層的熱阻使得功率半導體芯片由于散熱不良而失效，本文通過實驗研究了空洞率對LED背光源組件熱阻的影響，結果顯示隨著焊接層空洞率的增大，樣品結溫與組件熱阻都明顯增加，且基本呈線性增長趨勢，當空洞率約為17%時，熱阻增長6.03%，結溫提高1.74%；當空洞率約為73%時，熱阻增長24.7%，結溫提高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用系統的微型化、高速化、大密度、大功率的發展，器件內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熱設計和布局有關，還與器件和各層之間的粘結質量有關。焊接層空洞是引起電子器件失效的一種重要因素，同時也是可靠性研究的重要內容之一，它的存在正是造成功率半導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：一種是芯片級的焊接，另一種是器件的焊接。芯片級焊接是將LED芯片焊接到銅或陶瓷管殼熱沉上；器件焊接是將一個或多個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理相似，減少空洞的優化工藝也類似[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LED光源結溫和背光源組件熱阻的影響。

在實際應用過程中，由于焊接表面玷污、氧化等原因，會在焊接層產生空洞，這些空洞會減小LED散熱的有效面積，導致器件散熱不良，因此探討焊接層空洞率與LED組件熱阻的關系具有實際意義。目前已有很多關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芯片最高溫度的影響[4]；常俊玲等采用3-D有限元模擬的方法討論了空洞大小和位置對芯片熱阻的影響[5-6]；殷錄橋結合理論計算與實驗的方法分析了空洞率對擴展熱阻的影響[7]等，他們都采用了有限元模擬實驗進行分析，更多關注的是固晶層中空洞對芯片表面最高溫度的影響等，本文從企業的實際生產產品(LED背光源)入手，分析LED光源與基板間焊接層空洞率對LED結溫與組件熱阻的影響。

1 熱阻分析

1.1 LED背光源

隨著平板顯示技術的不斷升級，一種新型的LED背光源液晶電視逐步走進人們的視線。由于液晶顯示屏本身不發光，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域的技術優勢很明顯：①LED背光源不含汞等有毒物質，內部驅動電壓低、功耗小，更節能，符合現代人綠色環保的消費要求；②實現了比傳統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，使用壽命長，而且響應時間只有納秒級，可以明顯改善運動圖像拖尾問題，提升動態清晰度。LED背光源的這些技術優勢解決了平板電視顯示技術發展中的瓶頸問題，將成為未來平板電視產品發展的主流趨勢[8]。

但是LED背光源并非沒有缺點，其中一個有待解決的重要問題就是散熱，這也是LED封裝技術中一個比較重要的問題。現在LED燈的功率比較高，有一定能量以熱的形式釋放出去，而背光源對熱信賴性要求比較嚴格，過熱會影響電路元器件性能、降低LED燈的發光效率、局部溫度過熱等。對于大尺寸LED側發光式背光源要求的燈條數量減少，燈的功率加大，對LED的散熱要求更高[8]。

LED背光源的簡單生產工藝流程為：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散膜、反光膜等；③裝配，根據設計圖紙要求，將背光源的各種材料安裝在正確的位置；④測試，檢查背光源光電參數及出光均勻性等是否良好；⑤包裝，將成品按要求包裝入庫[9]。

1.2 熱阻分析

散熱是LED背光源的一個重要問題，那么在生產過程中就要盡量提高發光效率或保證組件具有較好的散熱能力。而在LED背光源的工藝過程中很容易在焊接層產生空洞，而這些空洞的存在會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芯片結點到環境的熱阻，Tj是LED芯片結點溫度，Ta為指定的參考環境溫度，PH為LED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LED背光源為典型的小熱源大散熱器的模型，因此這里需考慮擴散熱阻的影響。擴散熱阻表示的是熱流從小截面流向大截面時所引起的熱阻。擴散熱阻模型如圖2所示；圖2為本實驗原始模型，運用等效尺寸計算公式(3)、(4)可將其轉化為圓形模型，轉化結果如圖3所示。

(3)

(4)

其中As為熱源面積，Ap為基板底部散熱面積。實驗測得熱源面積為(2.47×2.47)mm2，散熱面積為(20×58)mm2，根據公式(3)、(4)計算得等效熱源半徑為1.39mm，散熱板等效半徑為19mm。

圖1 擴散熱阻模型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

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

(3)

其中，RLED為LED整體熱阻，包括芯片熱阻與固晶層熱阻等，RLED-錫為LED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擴為擴散熱阻。界面熱阻由兩個接觸熱阻和錫膏層體熱阻組成，即

(4)

實驗中所用到的LED光源和鋁基板可近似認為相同，因此在相同實驗條件下，可認為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，我們可以認為總熱阻的變化是由接觸面積變化引起的。

圖4 樣品結構與熱阻圖Fig.4 The sample structure and thermal resistance

3 實驗過程

在第2部分熱阻分析中已經明確了空洞對熱阻的影響，為了進一步得到焊料層空洞率與樣品熱阻的關系，我們設計了以下實驗過程，如圖5所示。根據上面的計算，我們關注的LED背光源不存在熱耦合的現象，因此本實驗設計具有合理性。

圖5 實驗過程Fig.5 The experimental process

首先，實驗中先用遠方積分球對樣品進行光參數檢測，剔除問題樣品，保證以下實驗有效可信；其次將樣品進行空洞率檢測，得到垂直錫膏層表面方向的空洞分布圖和空洞率；然后進行熱阻測試得到樣品結溫和各部分熱阻曲線，分析曲線就能得到LED結溫和組件熱阻；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，而研磨拋光可以對樣品進行剖面分析，得到樣品錫膏層截面空洞分布和錫膏層厚度。下面將逐步詳細地說明各個實驗過程。

3.1 樣品制備

實驗中采用的是5730燈珠，所用錫膏為上海及時雨生產的SnAg3.0Cu0.5,所用基板為六角鋁基板，其尺寸大于熱擴散半徑，基板背面寫上編號，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

3.2.1 空洞率檢測

本次實驗采用DAGE XD7500VR X射線檢測儀對樣品進行掃描，根據樣品不同部位對X射線吸收率和透射率的不同，材料內部和空洞由于透過的射線強度不同形成灰黑度不同的X射線影像圖，如圖7所示。通過改變儀器功率大小可將空洞全部選中，得到樣品空洞率。實驗操作過程中，需依靠人眼觀察是否將所有空洞選中，存在人眼識別誤差，為保證結果可信，選擇樣品的空洞率相差大于10%。檢測結果表明：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 熱阻測試

LED器件熱阻測試基于電學法，主要分為3步：首先，在LED器件上加載一個測試電流，通過改變環境溫度(恒溫槽)，測試K系數；其次，記錄對應的電壓參數，并對LED器件加載加熱電流；最后當器件達到熱平衡后，將加熱電流切換為測試電流，記錄對應電壓。

實驗中采用T3ster熱阻測試儀測量樣品的結溫和結-環境熱阻，測試時用導熱膠片將樣品固定在恒溫槽中，槽溫設為25℃；實驗最后取的數據是結-環境的熱阻，因此放置樣品時應盡量保證用力均勻，實驗過程中已證實，用力不均會對熱阻數據產生一定的誤差。首先我們給器件加載1 mA的測試電流，環境溫度每隔10℃從25℃變化到85℃，得到K系數曲線(溫度-電壓曲線)；然后給器件加載加熱電流120 mA直到器件達到熱平衡，轉換為測試電流。圖8(a)(b)分別是結溫與環境熱阻的測試曲線。

通過曲線可分析得到樣品的結溫與各部分熱阻，如表1所示，這里所得數據都是在扣除光功率的基礎上得到的。

圖8 測試曲線Fig.8 Testing curve

編號空洞率/%結?環境熱阻/(K/W)結溫/(℃)結溫增長率/%熱阻增長率/%焊接層厚度/μm2276255395300000084035172663240231746037047123336728411726375611707144947169417756414619873187307800431190024708110

由表1可得到焊接層空洞率與LED封裝熱阻和結溫的關系曲線，如圖9所示。

圖9 焊接層空洞率與LED結溫和組件熱阻的關系曲線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，樣品結溫與環境熱阻都明顯增加，基本呈線性增長趨勢，當空洞率約為17%時，熱阻增長6.03%，結溫增長1.74%；當空洞率約為73%時，熱阻增長24.7%，結溫增長9%。

對樣品進行紅外成像采集，發現不同錫膏層空洞率下，燈珠表面溫度并沒有明顯差別，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；此外實驗中所用錫膏的導熱系數較大，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，芯片最高溫度增加近1.5℃[12]。拍攝圖像時燈珠點亮時間不夠長，燈珠還未穩定，也對結果有所影響。

3.2.3 剖面分析

空洞的分布具有隨機性，大致可將空洞分為幾類[13]：互相挨近的小空洞連結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，需要對樣品進行研磨拋光，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的，每個空洞大小也是隨機的，隨著空洞率的增加，空洞也由分散變成連續分布。在許多仿真實驗中已經知道，空洞在錫膏層中的位置、大小以及連續性都對熱阻表現出不同的影響。但由于在企業的實際生產操作過程中無法準確把握這些因素，也沒有必要細化這些影響因素，因此在本文中我們只關注錫膏層空洞率對整體熱阻的影響。

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

4 總結

本文首先根據實驗目的制作挑選樣品，再進行熱阻測試等得到實驗數據，分析數據得到以下結論：①焊接層空洞率的增大，樣品結溫與環境熱阻都明顯增加，基本呈線性增長趨勢當空洞率約為17%時，熱阻增長6.03%，結溫增長1.74%；當空洞率約為73%時，熱阻增長24.7%，結溫增長9%。可見隨著樣品錫膏層空洞率的增加，對樣品整體熱阻的影響較大。②由于錫膏導熱系數較大，錫膏厚度對燈珠表面最高溫度的影響較小。

空洞是LED互連層中的一個普遍現象，產生的具體原因也很多，空洞的存在將會影響到LED器件的光熱性能及可靠性性能。在回流焊過程中焊劑和材料化學反應留下的氣泡可能在焊接層中留下空洞，這就要求實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致焊料潤濕不良也會產生空洞；焊盤或基板表面被氧化而使焊料浸潤不良形成空洞，合理保存和使用焊料保護其不被氧化等都能在一定程度上減少空洞。本實驗中樣品空洞就是由于焊盤中存在異物導致焊料浸潤不良產生的。企業在生產過程中應該注意焊接中浸潤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，優化組件的散熱，以提高LED作為背光源的競爭力。

值得注意的是在許多研究中都指出了，空洞的大小、位置等因素對器件的熱阻都有不同的影響，根據企業實際生產的需求，本文只考慮焊錫層空洞率整體的變化對熱阻的影響，并未細化具體的因素，因此實驗所得的曲線并非嚴格的線性增長曲線。

[1] 張貴平.功率器件SnAgCu無鉛焊接層可靠性研究[D].武漢：華中科技大學，2008.

[2] FLEISCHER Amy S, CHANG Li-hsin,JOHNSON Barry C.The effect of die attach voiding on the thermal resistance of chip level packages[J].Microelectronics Reliability,2006(46):794-804.

[3] LIU Yang,LEUNG Stanley Y.Y, ZHAO Jia.Thermal and mechanical effects of voids within flip chip soldering in LED packages[J]. Microelectronics Reliability,2014(54):2028-2033.

[4] 陳穎，孫博，謝勁松，等.芯片粘接空洞對功率器件散熱特性的影響[J].半導體技術,2007,32(10):859-862.

[5] 常俊玲.功率器件無鉛焊料焊接層可靠性研究[D].北京：中國科學院研究生院，2005.

[6] OTIABA Kenny C.，BHATTI R.S,EKERE N.N. Numerical study on thermal impacts of different void patterns on performance of chip-scale packaged power device[J]. Microelectronics Reliability,2012(52):1409-1419.

[7] 殷錄橋.大功率LED先進封裝技術及可靠性研究[D].上海：上海大學，2011.

[8] 楊東升.LED背光源現況與展望[J].現代顯示，2011，124：27-31.

[9] 魯武林，方友勇.LED背光板制作工藝研究[J].黑龍江科技信息，2012，31：47.

[10] Integrated Circuits Thermal Measurement Method-Electrical Test Method (Single Semiconductor Device):EIA/JEST51-1[S].ELECTRONIC INDUSTRIES ASSOCIATION,1995.

[11] 殷錄橋，張金龍，宋朋，等.熱界面材料對高功率LED熱阻的影響[J].光電子·激光,2013，24(10)：1862-1867.

[12] 謝鑫鵬，畢向東，胡俊，等.空洞對功率芯片粘結焊層熱可靠性影響的分析[J].半導體技術，2009，34(10)：960-964.

[13] ZHU N.Thermal impact of solder voids in the electronic packaging of power devices[C]//Fifteenth Annual IEEE Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium.1999:22-29.

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

廣東省前沿與關鍵技術創新專項資金(重大科技專項，2014B010120004)項目，廣東省產學研項目(2011B090400400)，深圳市重大產業攻關項目(JSGG20140519105124218)

柴廣躍，E-mail：gychai@szu.edu.cn

TM923

A

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