回流焊工藝參數對FC-LED芯片焊接強度的影響

楊明德，李炳乾，夏正浩，羅明浩，梁勝華

(1.五邑大學，廣東 江門 529020； 2. 中山市光圣半導體科技有限公司，廣東 中山 528421)

0 前言

從20世紀90年代開始，半導體照明產業的迅速崛起，發光二極管(Light emitting diode, LED)封裝是實現LED照明的關鍵環節[1]，各種封裝方式層出不窮。LED封裝結構的發展，經歷了直插式封裝、大光通量的食人魚型封裝、各種大功率LED芯片的單顆封裝及2010年后的板上芯片(Chip on board, COB)集成封裝。COB 封裝是在高導熱率的金屬或陶瓷基板上固定LED芯片，通過基板直接散熱來減少熱阻，這種封裝結構不僅具有很好的散熱效果[2-3]，而且能夠提高單位面積上的光通量和出光密度，因為發光面較小而適用于商業照明燈具的光學設計，已經成為市場上主流的封裝結構。

隨著LED的發展，人們對LED的可靠性和性價比要求不斷提高，相比于板上正裝芯片封裝來說板上倒裝芯片(Flip chip on board, FCOB)封裝凸顯了其優勢，FCOB封裝憑借其封裝工藝簡單、無需焊線、散熱能力強、電流擴展能力更強及單顆芯片工作電流更高等優勢，獲得了快速的發展。經典的FCOB封裝工藝，是在芯片表面的電極焊盤上設置焊料凸點來引出芯片電極，然后將芯片倒扣至引線框架或基板焊盤上，完成倒裝芯片與引線框架之間進行電氣相連，然后灌封熒光膠，實現對芯片的保護及藍光向白光的轉換[4]，在芯片焊區上制作凸點，增加了芯片的制作工藝流程及成本。在不增加芯片凸點工藝下，倒裝LED芯片焊接一般采用共晶焊接。共晶焊接時，首先用合金焊料將芯片粘結在基板上，然后通過回流焊工藝使焊料層熔化，凝固后在芯片電極和基板之間形成牢固的機械連接和優異的電氣連接[5-6]。常用的焊料有金錫焊料、銀鉍銅焊料、銀錫銅焊料等[7]。文中采用銀錫銅合金的錫膏焊接，具有材料成本低、焊接工藝容易控制等優點。

近年來，隨著設備尺寸的縮小新型封裝材料將對電子封裝有著越來越突出的影響[8]，焊料需要不斷提高良好的粘接可靠性、導電性能和力學性能才能滿足日益細微的焊接尺度及未來的電子封裝趨勢[9-11]。電子相比于普通電子元器件的焊接，芯片尺度的倒裝焊接焊盤尺寸更小(僅為亞毫米)，焊接質量對器件的影響更加突出[12]。焊接質量將直接影響產品散熱的性能及壽命，甚至導致電氣連接不良造成產品失效，這種失效將造成封裝器件致命、不可逆的影響[13-14]。對于倒裝焊接的質量，最科學的方法應該是用X射線顯微成像技術來觀察空洞的大小和數量[15]，但是這種方法不僅成本昂貴，而且測量時間長，很難在批量生產時應用。實際上，焊接面的抗剪強度能夠間接反映出空洞的大小和數量，抗剪強度大時空洞率低、空洞面積小及出現虛焊、移位等缺陷少。文中以倒裝LED芯片焊接面處抗剪強度為性能評判標準，研究了不同回流焊接的溫度曲線的焊接面抗剪強度。

1 樣品結構及試驗方法

文中采用FCOB結構如圖1所示，主要由金屬基板、錫膏、LED芯片、圍壩膠及熒光膠等幾部分構成。

圖1 FCOB封裝結構示意圖

試驗時使用的基板為邊長19 mm正方形鋁基金屬板，金屬板銅箔表面沉金，沉金基板具有平整度高、散熱性能好及抗氧化能力強的優點，是現在各FCOB封裝企業的首選基板，基板上以36串2并的方式布置有72顆芯片的固晶位置，固晶焊盤正/負極尺寸均為300 μm×280 μm。錫膏采用ES-1200銀錫銅倒裝LED專用焊料Sn96.5Ag3Cu0.5，熔點為217～220 ℃，文中主要通過試驗的抗剪強度和工藝參數來判斷焊接強度的好壞，若要進一步的理論研究焊料溫度屬性對焊接強度的影響，需要添加差熱分析焊膏的釬料熔化及膏體固化屬性DSC圖。芯片選用藍寶石襯底的GaN基藍光倒裝LED芯片，芯片尺寸如圖2所示，芯片長760 μm、寬250 μm；P電極長(284±10) μm、寬(208±10) μm；N電極長(289±10)μm、寬(218±10)μm。圍壩膠厚度高于LED芯片表面，作為涂覆熒光膠的限制區域。

圖2 倒裝LED芯片尺寸結構示意圖(μm)

試驗通過錫膏將倒裝LED芯片粘結在基板上，利用回流爐將錫膏熔融，液態的錫膏和焊盤充分浸潤，錫膏再次凝固后將芯片與基板連接為一個整體。接下來用防垂流膠在芯片周圍形成圍壩，最后在芯片表面涂覆熒光膠，實現芯片的保護及藍光向白光的轉換。

芯片和基板的粘結強度通過芯片推拉力測量儀測量。測量時，推拉力測量儀頂針將緊貼芯片邊緣，勻速轉動推力轉軸，逐漸增加頂針的推力，當芯片斷裂或芯片與焊盤分離時，測量儀顯示的數值就是芯片焊接所能承受的最大推力值。

試驗得到的最大推力值可以通過公式(1)換算成抗剪強度。

(1)

式中：τ為抗剪強度，單位是N/m2；F為測量得到的最大推力值，單位是N；A為焊接面面積，單位是m2。這里焊接面積取芯片正負極面積之和，具體數值為0.122 mm2。為提高試驗準確性及可靠性，采用同種工藝結構流程及材料制作樣品，每組隨機選取100個LED芯片樣品測得最大推力值，計算焊接面的抗剪強度，將抗剪強度劃分為幾個不同區間，通過統計不同區間內樣品的數量占比來表征焊接面質量的好壞。

2 試驗結果分析

試驗采用的8溫區回流焊爐總長4 m，當基板以0.75 m/min的速度傳送時，通過回流爐的時間大致320 s，平均在每個溫區停留40 s?；亓骱傅墓ぷ鬟^程可分為4個階段：預熱階段、保溫階段、回流階段及冷卻階段。第一、第二溫區是預熱階段，作用是將PCB的溫度從周圍的環境溫度提升至所需的活性溫度。第三、第四、第五溫區是保溫階段，作用是通過助焊劑的活性化增加芯片與基板的浸潤性，同時將錫膏中殘余溶劑完全揮發。第六、第七溫區是回流階段，是整個回流爐的最高溫度，在這個階段錫膏熔融變成液態布滿整個焊盤，使得芯片與基板緊密接觸。第八溫區是冷卻階段，在這個階段隨著溫度的降低，熔融錫膏凝固將芯片與基板的焊接在一起。各溫區都有一個最合適的溫度及時間，當滿足合適搭配時可以得到一個良好的焊接效果。

2.1 不同溫區溫度的變化對焊接強度的影響

為了研究回流爐的不同溫區溫度對焊接強度帶來的影響，試驗通過在各溫區設置不同的溫度組合了4組參數，各溫區溫度見表1。

圖3給出了不同抗剪強度區間內樣品數量占總數百分比的情況，從圖中可以看出，4組樣品在各個抗剪強度區間的占比變化較大，性能最好的樣品3中大于45 MPa抗剪強度的個數占89%，40～45 MPa占5%，35～40 MPa占6%，不存在小于35 MPa；相比之下，性能最差的樣品4中大于45 MPa抗剪強度的數量僅占46%，40～45 MPa占15%，35～40 MPa占11%，小于35 MPa的個數達到28%。

表1 不同回流爐溫度曲線 ℃

圖3 不同回流爐溫度樣品數量在各抗剪強度區間占比

在圖3中，樣品1中小于35 MPa抗剪強度的數量占19%，樣品2占11%，通過表1可以看出，樣品2在回流爐第三溫區比樣品1的升高了20 ℃，因此認為，第三溫區溫度的提高使得助焊劑更好的活性化，增加了芯片與基板的浸潤性，同時更好的將錫膏中殘余溶劑完全揮發，促進后續焊接。從圖3樣品2與樣品3的試驗結果反映出，二者存在明顯差異，樣品2只有77%的樣品數量在40 MPa以上，而樣品3中卻有94%的值超過40 MPa，由表1中可以看出，樣品2與樣品3在5個溫區都有變化，可以造成試驗結果的原因有如下幾點，原因①：樣品3在回流階段將溫度提升至255 ℃(樣品2該溫度為250 ℃)，這個溫度將促進錫膏熔融變成液態布滿整個焊盤，使得芯片與基板緊密接觸；倘若繼續升高溫度，將會促使錫膏產生新的氧化導致焊接強度下降。原因②：在冷卻階段樣品3將溫度降至215 ℃(樣品2該溫度為240 ℃)，一方面加快了固化時間，減少了芯片輕微抖動造成焊接不良，另一方面避免了長期高溫錫膏產生新的氧化及長期高溫芯片輕微抖動造成焊接不良。在其他試驗里，文中作者也發現冷卻區溫度太低的時候，會使得降溫速度過快，造成芯片與基板存在過高的應力，影響芯片與基板粘接強度。

2.2 回流焊工藝時間的變化對焊接強度的影響

在各溫區溫度優化的基礎上，選擇了1組焊接效果最好的溫度分布參數，通過改變回流爐速度，研究回流焊工藝時間對焊接強度的影響。試驗采用的回流爐速度分別是0.55 m/min, 0.60 m/min, 0.65 m/min, 0.70 m/min, 0.75 m/min，各速度對應的回流焊工藝時間分別是436 s, 400 s, 369 s, 342 s, 320 s。

從圖4可以看出，隨著回流爐速度的增大，樣品數量大于45 MPa區間內占比呈現出先增加后減少的趨勢，占比最大值出現在速度為0.65 m/min，有92%的樣品抗剪強度在45 MPa以上，遠高于速度為0.55 m/min時的76%和速度為0.75 m/min時的83%，與此同時，在抗剪強度小于30 MPa的區間內，僅速度為0.70 m/min出現1%的樣品數量；在抗剪強度30～35 MPa內，占比最小值出現在速度為0.65 m/min及0.75 m/min，僅有1%的樣品抗剪強度在30～35 MPa，低于速度為0.55 m/min, 0.60 m/min, 0.70 m/min時的4%, 4%, 2%；在35～40 MPa, 40～45 MPa區間內，樣品數量占比呈現先減少后增加的趨勢，占比最小值為速度0.65 m/min，有1%, 6%的樣品數量在35～40 MPa, 40～45 MPa區間內，相比之下速度為0.50 m/min的樣品數量在35～40 MPa, 40～45 MPa區間內分別占8%, 12%%，速度為0.55 m/min在35～40 MPa, 40～45 MPa區間內占3%, 7%，速度為0.70 m/min在35～40 MPa, 40～45 MPa區間內占2%, 10%，速度為0.75 m/min在35～40 MPa, 40～45 MPa區間內占5%, 11%。造成上述試驗結果的原因是，當速度過低時，基板在各溫區所處時間太長，錫膏中助焊劑在預熱階段過早耗盡并形成新的氧化物導致焊接強度下降；當速度過高時，基板在各溫區所處時間太短，一方面助焊劑在保溫區活性得不到充分的發揮，焊料在回流區熔融不充分無法布滿整個焊盤，另一方面在冷卻區降溫過快使得芯片與基板存在過高的應力。

圖4 不同速度下樣品數量在各抗剪強度區間所占比

3 結論

(1)通過優化回流焊各區的溫度和回流工藝實踐，倒裝LED芯片與基板的焊接強度有了顯著提高，92%的樣品數量抗剪強度超過45 MPa，沒有抗剪強度在30 MPa以下的樣品。

(2)通過優化回流焊工藝參數，可以提高焊接面的抗剪強度。文中得到的回流焊接工藝參數僅適用與文中樣品類似的芯片尺寸、焊盤結構和焊料類型，對于其他類型的基板和元器件焊接，回流焊工藝參數往往需要根據具體情況通過單項工藝試驗來優化，得到回流焊各區工藝溫度、時間的一個最佳搭配值，減少焊接區各種缺陷，提升焊接質量。