來源：電子器件封裝及熱管理?？?nbsp; 作者：劉佳欣、牟運、彭洋、陳明祥摘要：為了解決大功率發(fā)光二極管(LED)散熱效率低、可靠性差等問題，提出將無壓燒結(jié)納米銀膏作為芯片固晶材料，應(yīng)用于大功率發(fā)光二極管封裝．對納米銀膏的熱學(xué)行為及燒結(jié)后的晶體結(jié)構(gòu)進行了表征，分析了燒結(jié)溫度對電阻率和孔隙率的影響．利用納米銀膏封裝大功率發(fā)光二極管，分析了不同固晶溫度下發(fā)光二極管器件熱阻及其結(jié)溫變化，并與傳統(tǒng)錫膏材料進行了對比．結(jié)果表明：隨著固晶溫度升高，納米銀膏的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性逐漸提高．納米銀膏在 200℃ 燒結(jié)后的電阻率為 6.49 μΩ·cm，界面孔隙率為11.5%，封裝后的大功率發(fā)光二極管樣品固晶層熱阻為7.45 K/W，比采用 SAC305和Sn42Bi58 焊膏封裝的發(fā)光二極管樣品固晶層熱阻分別降低 15.4%和 28.9%，芯片結(jié)溫則分別降低 2.9%和 21.2%．此外，實驗還測試了三種發(fā)光二極管封裝樣品的出光功率和工作溫度，結(jié)果表明納米銀膏作為芯片固晶材料可為大功率發(fā)光二極管提供良好的散熱通道，降低芯片結(jié)溫并提高器件可靠性．
關(guān)鍵詞：大功率發(fā)光二極管(LED); 納米銀膏; 固晶; 熱阻; 散熱
發(fā)光二極管(LED)因其具有發(fā)光效率高、壽命長、結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，在室內(nèi)照明、戶外照明、汽車大燈和背光顯示等領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，并被認為是一種新型的固態(tài)光源．為了滿足大功率照明的需求，通常采用高電流密度發(fā)光二極管芯片來制作大功率發(fā)光二極管．然而，大功率發(fā)光二極管芯片在運行過程中不可避免地產(chǎn)生大量熱量，使發(fā)光效率降低，發(fā)射波長偏移，從而導(dǎo)致可靠性降低．例如在高電流密度下，發(fā)光二極管芯片結(jié)溫可達 300℃，嚴重降低發(fā)光二極管性能．因此，熱穩(wěn)定性和散熱性不佳是提升大功率發(fā)光二極管性能的最大障礙．由于發(fā)光二極管芯片大部分熱量是通過芯片與基板間的固晶層傳遞的，因此貼片固晶材料往往是決定發(fā)光二極管熱性能的關(guān)鍵因素．除了散熱功能外，固晶材料還起著機械支撐保護和電互連作用．常用發(fā)光二極管固晶材料主要是導(dǎo)電膠，即將一定數(shù)量導(dǎo)電顆粒分散在聚合物粘接劑中形成焊膏，以實現(xiàn)芯片的機械互連和電互連．然而，導(dǎo)電膠中大量聚合物使其導(dǎo)熱性急劇降低，不適用于大功率發(fā)光二極管封裝．一些研究者在導(dǎo)電膠中加入石墨烯和氮化鋁來改善其導(dǎo)熱性能，但聚合物粘接劑的老化和碳化問題依舊是無法解決的難題．為了解決上述問題，一些研究者提出采用共晶釬料應(yīng)用于發(fā)光二極管芯片固晶，如Au-Sn釬料、Cu-Sn釬料和Sn-Bi釬料等，但都存在自身不可避免的缺點．例如Au-Sn釬料成本高，且焊接溫度較高，易損傷發(fā)光二極管芯片；Cu-Sn釬料有電遷移問題，同時不耐高溫；Sn-Bi釬料脆性較大，且導(dǎo)電性很低，無法滿足大功率發(fā)光二極管器件應(yīng)用需求．此外，也有很多關(guān)于Sn-Ag-Cu焊料的研究，指出雖然其具有較好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性、優(yōu)良的機械性能和適宜的焊接溫度，但由于耐高溫性較差，限制了在大功率發(fā)光二極管封裝中的應(yīng)用．近年來，金屬納米顆粒因具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和散熱性能、低鍵合溫度和高重熔溫度及高機械強度等優(yōu)勢，受到了電子封裝界廣泛關(guān)注．雖然納米銅焊料導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好、成本低，但是納米銅極易氧化，這無疑增大了制備和儲存的成本；同時，氧化后的納米銅往往需要更高的燒結(jié)溫度，不利于保護芯片．若在焊料中加入還原性物質(zhì)(例如甲酸)，或在鍵合過程中通入還原性氣體(如甲酸蒸汽等)，則可能損傷芯片和設(shè)備，降低器件可靠性．因此，研制出一種應(yīng)用于大功率發(fā)光二極管封裝的價格低廉、導(dǎo)熱性能優(yōu)良的固晶材料仍是迫切需要解決的問題．本研究提出采用無壓燒結(jié)納米銀膏，以提升大功率發(fā)光二極管散熱性能．金屬銀本身具有優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，同時該納米銀膏可實現(xiàn)無壓低溫?zé)Y(jié)，既保護芯片又可獲得耐高溫互連接頭．將納米銀膏作為大功率發(fā)光二極管貼片材料，可顯著提高發(fā)光二極管產(chǎn)生熱量的耗散速率．本研究分析了納米銀膏燒結(jié)溫度對電學(xué)、界面孔隙率和發(fā)光二極管結(jié)溫及熱阻的影響，此外對比分析了該納米銀膏與幾種傳統(tǒng)固晶材料對發(fā)光二極管散熱性能及光學(xué)性能的影響．01 實驗
1.1 納米銀膏應(yīng)用于大功率發(fā)光二極管封裝流程
圖1為納米銀膏封裝大功率發(fā)光二極管的工藝流程．本研究使用的納米銀膏來自深圳某公司的無壓燒結(jié)型銀膏(ADGE-02系列)，所用芯片為大功率藍光發(fā)光二極管芯片(465 nm，1 W，1 mm×1 mm)，所用封裝基板為氧化鋁直接電鍍陶瓷(direct plated ceramic，DPC)基板．圖1 納米銀膏封裝大功率發(fā)光二極管工藝流程首先，納米銀膏在使用前回溫至室溫，并通過點膠工藝將芯片貼裝在直接電鍍陶瓷基板上．然后，利用鼓風(fēng)烘箱完成發(fā)光二極管芯片的固晶工藝，在120℃保溫 10 min后，分別在180，200，220，240℃的固晶溫度下燒結(jié) 60 min．接著，采用鋼網(wǎng)印刷工藝將錫鉍(Sn42Bi58)焊膏均勻涂覆在熱電分離六角銅基板上，將含有發(fā)光二極管芯片的電鍍陶瓷基板背面與 Sn42Bi58焊膏對準(zhǔn)后貼放在其表面．回流過程在傳統(tǒng)的回流爐內(nèi)完成．最后，在銅基板表面的正負極分別焊接導(dǎo)線，以方便后續(xù)對發(fā)光二極管熱學(xué)及光學(xué)性能測試．為了與傳統(tǒng)貼片焊膏進行對比，選用錫銀銅(SAC305)焊膏及Sn42Bi58焊膏作為芯片的固晶材料，在回流爐內(nèi)完成固晶過程，并以同樣工藝完成大功率發(fā)光二極管封裝．1.2 性能表征
采用熱重分析儀(TGA8000)分析納米銀膏的熱學(xué)行為，測試條件為在空氣中溫度(t)從室溫升到500 ℃，升溫速率為10 ℃/min．利用X射線衍射儀(XRD，X''Pert3 PRO MRD)分析燒結(jié)后納米銀膏的晶體結(jié)構(gòu)．利用四探針測試儀(Probes Tech RST-8)測試燒結(jié)銀膜的方塊電阻(R)，用臺階儀(ET4000 Series)測試燒結(jié)銀膜的厚度(h)，并計算燒結(jié)銀的電阻率(ρ)．采用掃描電子顯微鏡(SEM，F(xiàn)EI Nova Nano SEM450)觀察不同燒結(jié)溫度下納米銀膏的微觀形貌及發(fā)光二極管樣品的橫截面結(jié)構(gòu)．采用熱阻測試儀(T3Ster-Master，Mentor Graphics)測量發(fā)光二極管樣品的熱阻和結(jié)溫變化，測試電流設(shè)置為1 mA，加熱電流設(shè)置為350 mA．采用積分球(HAAS-2000，Everfine)測量發(fā)光二極管樣品在變電流下的光功率．采用紅外熱像儀(FLIR，E63，美國)測試大功率發(fā)光二極管表面的工作溫度．02 結(jié)果與討論
2.1 納米銀膏及其性能表征
圖2為納米銀膏熱學(xué)分析結(jié)果，其中：藍色為熱重(TG)曲線(CTG)，紅色為微商熱重(DTG)曲線(CDTG)，t為溫度．隨著溫度的升高，納米銀膏的質(zhì)量不斷下降，表明有機物成分的不斷分解或揮發(fā)．失重過程主要發(fā)生在100~250℃的區(qū)間內(nèi)，有兩個溫度范圍失重最為明顯，根據(jù)DTG曲線可判斷該失重速率的峰值分別為133°C和226℃，代表松油醇等有機物的揮發(fā)分解．當(dāng)溫度高于250°C時，納米銀膏的質(zhì)量基本不發(fā)生變化，維持在89.8%，說明焊膏中金屬質(zhì)量占比約為89.8%．熱重分析結(jié)果表明：該納米銀膏中的有機成分可以在250℃燒結(jié)溫度內(nèi)被全部去除，有助于降低焊膏的電阻率并提升導(dǎo)熱效率．將納米銀膏刷涂到石英玻片上，并在不同溫度下進行燒結(jié)，圖3(a)為納米銀膏在180 ℃燒結(jié)后的X射線衍射圖(I為強度，2θ為衍射角)，圖3(b)為不同燒結(jié)溫度(tb)下銀膜的電阻率(ρ)．從X射線衍射圖譜中可以看到4個特征衍射峰，衍射角(2θ)分別對應(yīng)為38.1°，44.3°，64.4°和77.5°，代表銀晶體的(111)，(200)，(220)和(311)四個晶面．峰形平穩(wěn)且無雜質(zhì)峰，表明燒結(jié)后的銀膏可以得到純凈銀單質(zhì)，這有助于提升固晶層的電熱性能．通過四探針測試儀和臺階儀得到燒結(jié)銀膜的方塊電阻R和厚度h，則電阻率ρ可通過下式計算圖3 納米銀膏在180°C下燒結(jié)后X射線衍射圖和不同溫度燒結(jié)后電阻率隨著燒結(jié)溫度提高，納米銀膏的電阻率逐漸下降．當(dāng)燒結(jié)溫度從180℃升高到240℃時，電阻率分別為8.97，6.49，4.51和3.93 μΩ?cm，逐漸接近純銀塊體的電阻率，表明燒結(jié)質(zhì)量不斷提高．為了分析影響電阻率變化趨勢的內(nèi)在原因，使用納米銀膏進行不同溫度下的Cu-Cu鍵合實驗，圖4給出了不同溫度燒結(jié)后接頭斷面納米銀膏的微觀形貌，并通過Image J軟件計算了界面孔隙率．圖4 納米銀膏在不同溫度下燒結(jié)后的界面形貌及孔隙率經(jīng)過低溫?zé)Y(jié)，界面納米顆粒表現(xiàn)出明顯的晶粒增長趨勢和燒結(jié)特征．當(dāng)燒結(jié)溫度為180℃時，銀納米顆粒在溫度的驅(qū)動下不斷增長變大，形成燒結(jié)頸并呈現(xiàn)出燒結(jié)脈絡(luò)，此時孔隙率為16.1%．當(dāng)燒結(jié)溫度為200℃時，晶粒繼續(xù)長大并填充空隙，界面致密度提高，燒結(jié)脈絡(luò)尺寸達到微米級，孔隙率下降到11.5%．當(dāng)燒結(jié)溫度為220℃時，高溫帶來更大的驅(qū)動力，燒結(jié)脈絡(luò)明顯粗化，顆粒間燒結(jié)頸相連，致密度的提升使孔隙率降低到10.8%．當(dāng)燒結(jié)溫度為240℃時，界面空隙繼續(xù)變少，致密度顯著改善，孔隙率降低為9.4%，這與上文中電阻率的變化相一致．由此可見：提高燒結(jié)溫度有助于粗化顆粒、提高界面致密度和燒結(jié)質(zhì)量，從而使銀層表現(xiàn)出低電阻率和低孔隙率的優(yōu)異特性．2.2 納米銀膏封裝大功率發(fā)光二極管散熱性能優(yōu)化
圖5為不同焊膏封裝大功率發(fā)光二極管樣品的橫截面示意圖，其中：圖5(a)為納米銀膏在200 °C燒結(jié)后的發(fā)光二極管封裝樣品；圖5(b)和(c)為納米銀膏固晶層放大圖像及界面元素Mapping圖，可以看出不同元素間界面清晰，分別代表了發(fā)光二極管的不同結(jié)構(gòu)，其中Al和Ga元素對應(yīng)芯片結(jié)構(gòu)，Ag元素對應(yīng)納米銀層，Cu元素對應(yīng)陶瓷表面金屬層，Al和O元素對應(yīng)氧化鋁陶瓷基板．圖5(d)和(e)的固晶材料分別是SAC305和Sn42Bi58．通過掃描式電子顯微鏡(SEM)圖可以清晰看出：發(fā)光二極管截面結(jié)構(gòu)從上至下分別是芯片、固晶層、DPC陶瓷基板、Sn42Bi58焊接層及熱電分離銅基板．從放大圖中可觀察到幾種固晶材料結(jié)構(gòu)致密，與芯片和基板連接緊密，形成了良好的冶金結(jié)合，同時固晶層無孔洞和裂紋等缺陷，說明幾種發(fā)光二極管樣品均具有良好的鍵合質(zhì)量．圖6為納米銀膏封裝大功率發(fā)光二極管樣品在不同固晶溫度下燒結(jié)后的熱阻值(Rth)及結(jié)溫變化(tj)結(jié)果．在圖6(a)差分熱阻結(jié)構(gòu)函數(shù)圖中，縱坐標(biāo) K描述了熱阻參數(shù)沿著熱流路徑的分布，每兩個波峰之間代表該層結(jié)構(gòu)的熱阻值，從圖中可以看出發(fā)光二極管總熱阻及納米銀膏固晶層的熱阻均隨著燒結(jié)溫度升高而降低．當(dāng)燒結(jié)溫度分別為 180，200，220和 240℃時，發(fā)光二極管的總熱阻分別為 16.34，15.55，14.71和 13.02 K/W，固晶層的熱阻分別為 9.72，5.81，7.45和 7.23 K/W，說明提高燒結(jié)溫度有利于納米銀膏燒結(jié)層熱導(dǎo)率的提高，從而降低器件的熱阻．從圖6(b)可以看出：在達到穩(wěn)態(tài)的相同響應(yīng)時間T內(nèi)，結(jié)溫變化隨固晶溫度的升高而逐漸減小，當(dāng)固晶溫度從 180℃升高到 240℃時，結(jié)溫變化從 7.44℃下降到 5.89℃，這符合熱阻的變化趨勢．較低的結(jié)溫變化代表著較低的結(jié)溫值，說明納米銀膏在更高固晶溫度下具有更高的熱導(dǎo)率，給發(fā)光二極管帶來更好的散熱效果．圖6 不同燒結(jié)溫度下納米銀膏封裝大功率發(fā)光二極管的差分熱阻和結(jié)溫變化
2.3 納米銀膏與傳統(tǒng)焊膏散熱性能對比
為了分析納米銀膏對大功率發(fā)光二極管散熱性能的影響，選取固晶溫度為200℃的發(fā)光二極管樣品，并與固晶層材料為SAC305和Sn42Bi58的發(fā)光二極管進行對比．圖7(a)和(b)分別是不同焊膏封裝后發(fā)光二極管樣品的差分和積分熱阻結(jié)構(gòu)函數(shù)．積分熱阻結(jié)構(gòu)函數(shù)是由差分熱阻結(jié)構(gòu)函數(shù)經(jīng)過積分運算得到的，其中Cth為熱容．每個平臺部分代表著發(fā)光二極管該層結(jié)構(gòu)的熱阻值，與差分函數(shù)相對應(yīng)．從圖中可以看出：納米銀膏封裝的發(fā)光二極管樣品的總熱阻為15.55 K/W，而SAC305焊膏和Sn42Bi58焊膏封裝的發(fā)光二極管樣品的總熱阻分別為16.09 K/W和18.37 K/W，對比組熱阻均大于實驗組．同時，納米銀膏固晶層的熱阻為7.45 K/W，比SAC305固晶層熱阻的 8.81 K/W低15.4%，比Sn42Bi58固晶層熱阻的 10.48 K/W低28.9%．由此可知納米銀膏的熱導(dǎo)率大于傳統(tǒng)錫膏，芯片產(chǎn)生的熱量可以快速從固晶材料耗散，從而降低發(fā)光二極管整體熱阻，提高器件的散熱性能．圖7 不同焊膏封裝大功率發(fā)光二極管光熱性能對比圖7(c)為不同焊膏封裝的大功率發(fā)光二極管結(jié)溫變化曲線，從圖中可以看出：SAC305焊膏和Sn42Bi58 焊膏封裝的發(fā)光二極管樣品的結(jié)溫變化分別為 7.12°C和 8.39℃，分別比納米銀膏封裝的發(fā)光二極管樣品的 6.92℃結(jié)溫變化高 2.9%和21.2%，該結(jié)論符合以上熱阻的變化趨勢．為了探究散熱性能對發(fā)光二極管光學(xué)穩(wěn)定性及可靠性影響，測試了三組樣品在變電流I0下的光功率和電功率，將光功率與電功率的比值作為出光功率P，并進行了對比，結(jié)果如圖7(d)所示．隨著驅(qū)動電流從100 mA上升至1200 mA，發(fā)光二極管產(chǎn)生的熱量逐漸變大，電功率更多地轉(zhuǎn)變?yōu)闊峁β?，?dǎo)致出光功率逐漸降低．但在此過程中，納米銀膏封裝的發(fā)光二極管樣品出光功率始終大于SAC305焊膏和Sn42Bi58焊膏封裝的發(fā)光二極管樣品，再次說明納米銀膏的熱導(dǎo)率要好于傳統(tǒng)錫膏．上述實驗結(jié)果表明：將納米銀膏作為固晶材料封裝大功率發(fā)光二極管，可以降低器件熱阻和結(jié)溫，提高發(fā)光二極管的散熱性能及出光效率．圖8展示了不同焊膏封裝大功率發(fā)光二極管的表面工作溫度，其驅(qū)動電流為700 mA，且維持發(fā)光二極管點亮5 min后再進行測試以減小實驗誤差．由圖8可知：納米銀膏在180，200，220，240℃的固晶溫度下封裝的發(fā)光二極管樣品工作溫度分別為49.0，43.0，40.7和37.7℃，呈下降趨勢．而SAC305焊膏和Sn42Bi58焊膏封裝的發(fā)光二極管樣品穩(wěn)定工作溫度為 48.7°C和61.5℃，均比納米銀膏 200℃封裝的發(fā)光二極管樣品的工作溫度高．表面溫度高表明發(fā)光二極管散熱性能差，這說明與傳統(tǒng)錫膏相比，納米銀膏僅在 200℃燒結(jié)后的固晶層就可以為大功率發(fā)光二極管提供良好的散熱通道，提升其穩(wěn)定性及高溫可靠性．圖8 不同焊膏封裝的大功率發(fā)光二極管表面工作溫度03 結(jié)論
本研究提出將無壓燒結(jié)納米銀膏作為芯片固晶材料，應(yīng)用于大功率發(fā)光二極管封裝．納米銀膏中金屬質(zhì)量約占 89.8%，可在 180℃燒結(jié)后得到純銀結(jié)構(gòu)．提高納米銀膏燒結(jié)溫度可降低其電阻率和界面孔隙率，240℃燒結(jié)后的納米銀膏電阻率為 3.93 μΩ·cm．利用納米銀膏封裝大功率發(fā)光二極管，固晶界面結(jié)構(gòu)致密、無空洞和裂紋，器件熱阻及結(jié)溫變化隨著固晶溫度增高而降低．納米銀膏在200℃燒結(jié)后封裝的大功率發(fā)光二極管樣品固晶層熱阻和結(jié)溫變化分別為7.45 K/W和6.92℃，比采用SAC305焊膏封裝的發(fā)光二極管樣品固晶層熱阻和結(jié)溫變化分別降低15.4%和2.9%，比采用Sn42Bi58焊膏封裝的樣品分別降低 28.9%和21.2%．此外，與傳統(tǒng)錫膏相比，納米銀膏封裝的大功率發(fā)光二極管出光功率更高，表面工作溫度更低．結(jié)果表明：納米銀膏可以改善大功率發(fā)光二極管的散熱效果，提高光學(xué)性能及器件可靠性．
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