倒装LED芯片Sn基键合焊料及工艺研究

摘要

本论文采用Sn基低温焊料将倒装LED芯片与基板进行键合。以Sn-9Zn焊料为基础合金进行芯片键合，优化键合工艺参数，并向基础合金中添加不同质量分数的Bi元素，进一步降低键合温度，目的是在200~210℃左右将芯片与基板进行低温键合。对键合的失效机理及可靠性进行分析研究，辅助采用ANSYS、ImageJ等软件分析样品的键合结构及质量，得到理论结果，与实验结果进行对比分析。
　　Sn-Zn焊料键合工艺研究结果表明，剪切强度随压力的增加而提高，在压力达到一定程度时，压力对键合质量的影响不大；键合质量随着时间的增加而提高，当键合保温时间足够长时，时间对键合质量影响较小；气体介质对键合质量的影响也较为显著，在甲酸和真空条件下均能够得到较好的键合质量，其中，在真空条件下比甲酸条件下得到的键合剪切强度略好。实验最终确定键合工艺参数为：键合温度220℃，键合压力1.5MPa，保温时间20min，气体环境为甲酸。
　　Sn-Zn-Bi焊料键合工艺研究结果表明，Bi元素的加入会降低焊料合金的熔点，但加入过量Bi会导致焊料合金脆化，从而影响样品的键合质量。在键合温度为210℃时，焊料合金成分为Sn-9Zn-4Bi得到最优剪切强度；将键合温度减低至200℃时，不论Bi元素的质量分数是多少，均无法得到有效地键合样品。
　　实验证明添加纳米银可以降低Sn-Cu焊料合金的键合温度，在200℃可以得到剪切强度较好的样品。
　　Sn-Zn焊料和Sn-Zn-Bi焊料键合样品X射线检测结果表明，键合区域形貌均匀，无明显的空洞、裂纹等缺陷。键合后的样品均呈三明治夹层结构，中间为Cu3Sn，上下两层均为Cu，样品的剪切断裂发生在中间层，断裂发生时，焊料合金发生了一定的塑性变形。

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第1章 绪论

1.1 LED简介

1.2 芯片键合技术及研究进展

1.3 低温焊料研究进展

1.4 本文研究目的和内容

第2章 实验设计

2.1 倒装LED芯片结构工艺过程

2.2 样品设计及制备

2.3 键合工艺设计

2.4 本章小结

第3章 Sn-Zn焊料制备及键合工艺研究

3.1 电镀Cu工艺优化

3.2 Sn-Zn焊料制备

3.3 Sn-Zn焊料薄膜结构研究

3.4 Sn-Zn键合工艺研究

3.5 本章小结

第4章 Sn-Zn-Bi焊料制备及键合工艺研究

4.1 Sn-Zn-Bi焊料制备

4.2 Sn-Zn-Bi焊料薄膜结构研究

4.3 Sn-Zn-Bi键合工艺研究

4.4 Sn-Ag-Cu焊料制备及键合工艺研究

4.5 本章小结

第5章 失效及可靠性分析

5.1 模拟

5.2 Sn-Zn焊料失效及可靠性分析

5.3 Sn-Zn-Bi焊料失效及可靠性分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

附录

致谢