無鉛錫膏焊接空洞對倒裝LED的影響
無鉛錫膏焊接空洞對倒裝LED的影響
空洞是無鉛錫膏焊接時普遍發生的問題。無鉛錫膏顆粒之間的空隙會造成空洞。此外由于金屬元素擴散速度不一致，在金屬間化合物層中通常會留下空位，空位在不斷聚集后會形成空洞。空洞的出現使得導電性能和熱性能受到影響。并且焊點在熱老化后會出現明顯的空洞生長并帶來失效的風險。那么如何量化空洞對焊點性能的影響呢？
SAC無鉛錫膏的熔點溫度217℃左右，因此被認為是更適合倒裝LED的連接材料。Liu et al. (2014)使用SAC305無鉛錫膏完成DA3547 LED的封裝。Liu等人分析了錫膏體積是如何影響LED芯片封裝空洞的形成，以及解釋了空洞率對熱性能和機械性能的影響。
1. 無鉛錫膏體積對空洞的影響
通過X射線觀察，表明無鉛錫膏體積的適當增加顯著降低了錫膏層中的空洞率。在通過計算后得出LED芯片樣品a和b的空洞率分別為46%和3% (圖1)。無鉛錫膏量不足會導致顆粒之間空隙較多，在焊接后容易聚集成空洞。因而適當提高錫量對減少空洞率有一定作用。
圖1. 錫膏層X射線圖：(a)20μm厚的錫膏層; (b)30μm厚的錫膏層。
2. 空洞對LED封裝的影響
LED封裝的剪切強度與空洞率有著直接關系。大量的空洞會造成有效焊接面積的減少，并增加內部應力。有效面積減少意味著應力會更加集中，使得機械強度大大削弱并增加斷裂的風險。當空洞率為46%的時候，LED芯片剪切強度只有3%空洞率芯片的一半左右。 大空洞率還會增加LED芯片的溫度。Liu 等人還發現對于大空洞率的LED芯片溫度為40.5°C。而小空洞率LED芯片的工作溫度只有36.9°C。可以發現空洞率增加也對芯片的散熱功能有負面影響。原因是因為空洞率大會導致熱量過于集中，焊料無法有效將熱量散發出去，因而導致高溫。
圖2. 不同空洞率LED芯片封裝的熱阻。
Liu等人通過計算熱阻發現當LED芯片封裝的空洞率過大的時候，各層熱阻普遍偏大。只有在PI層和TIM層測量出小空洞芯片熱阻明顯大于大空洞芯片。總體而言小空洞率芯片熱性能要更加優秀。
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參考文獻
Liu, Y., Leung, S.Y.Y., Zhao, J., Wong, C.K.Y., Yuan, C.A., Zhang, G.Q., Sun, F.L. & Luo, L.L. (2014). “Thermal and mechanical effects of voids within flip chip soldering in LED packages”. Microelectronics Reliability, vol.54(9-10), pp.2028-2033.
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