钎料热界面材料LED芯片键合新方法研究

摘要

LED照明由于具有效率高、能耗低、寿命长、环保等诸多优点而被视为下一代照明技术。随着对LED照明要求的不断提高，LED器件的功率不断增大，传统的LED封装结构和热界面材料不能很好地解决越来越严重的散热问题。同时LED阵列照明的发展使得散热基板和热沉的尺寸不断增大，而传统的热风再流焊键合技术由于加热时间长、能耗大和会产生较大残余应力等原因不再适于实际工业生产的要求。
　　为解决LED器件的散热问题，选用热导率较高的钎料(Sn-3.0Ag-0.5Cu)合金作为热界面材料，并设计了两种采用激光局部加热直接将LED芯片键合到热沉上的方法，分别为激光正面加热钎料层(以下简称LF)方法和激光背面加热Cu热沉(以下简称LB)方法。数值计算表明两者所需要的功率与贴片时间、预热温度、加热时间、Cu热沉尺寸以及对激光的吸收率有关。相比于热风再流焊(以下简称HR)，所设计的激光局部加热方法具有键合时间短、能耗低等优点。
　　剪切载荷试验测得键合试样的断裂载荷都在2500gf附近，满足芯片键合的要求。但钎料层很脆，断裂过程中钎料层未发生或发生了较少的塑性变形。LF键合界面存在未润湿区域，随着加热时间的延长，其致密性提高；LB和HR键合界面都存在气孔，致密性较差；随着加热时间的延长，施加钎剂的LB试样的致密性稍有提高，而未施加钎剂的则变差。LF方法得到的试样的热阻比LB和HR的小；随着加热时间的延长，LF的热阻变化不大，施加钎剂的LB试样的热阻稍有降低，而未施加钎剂的LB的热阻则增加。
　　LF方法得到的键合试样LED芯片/钎料层界面的金属间化合物为(Au,Cu)Sn4，Cu热沉/钎料层界面处则为(Ni,Cu,Au)3Sn4；LB和HR方法得到的分别为(Cu,Ni,Au)6Sn5和(Ni,Cu,Au)3Sn4。老化过程中，LB键合试样界面IMC层厚度增加并逐渐平坦。LED芯片/钎料层界面(Cu,Ni,Au)6Sn5层中Ni含量减少，Cu含量增多；Cu热沉/钎料层界面(Ni,Cu,Au)3Sn4向(Cu,Ni,Au)6Sn5转化。界面IMC层厚度与老化时间不符合抛物线关系。键合界面的剪切载荷先明显下降，老化4天后，下降减缓。

目录

钎料热界面材料LED芯片键合新方法研究

Investigation of A New Technique for LED Die Bonding with Solder Alloy as Thermal Interface Materials

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 选题意义

1.2 研究现状

1.3 主要研究内容

第2章 激光键合方法的可行性分析

2.1 激光键合方法

2.2 数值模型的建立

2.3 数值计算结果分析

2.4 本章小结

第3章 试验材料设备及方法

3.1 试验材料

3.2 试验设备及方法

3.3 本章小结

第4章 激光键合方法的工艺性研究

4.1 剪切载荷测试

4.2 键合界面致密性

4.3 热阻的测量

4.4 工艺性试验结果的探讨

4.5 本章小结

第5章 键合界面微观组织及其演变

5.1 键合界面微观组织

5.2 LBN-6键合试样的界面组织演变

5.3 LBN-6键合试样老化过程中剪切载荷的变化

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

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致谢