倒裝芯片襯底粘接材料對大功率LED熱特性的影響

1 引言

1998年美國Lumileds Lighting公司封裝出世界上第一個(gè)大功率LED（1W LUXOEN 器件），使LED器件從以前的指示燈應用變成可以替代傳統照明的新型固體光源，引發(fā)了人類(lèi)歷史上繼白熾燈發(fā)明以來(lái)的又一場(chǎng)照明革命。1W LUXOEN器件使LED的功率從幾十毫瓦一躍超過(guò)1000毫瓦，單個(gè)器件的光通量也從不到1個(gè) lm飛躍達到十幾個(gè)lm。大功率LED由于芯片的功率密度很高，器件的設計者和制造者必須在結構和材料等方面對器件的熱系統進(jìn)行優(yōu)化設計。

目前GaN基外延襯底材料有兩大類(lèi)[1] ：一類(lèi)是以日本“日亞化學(xué)”為代表的藍寶石；一類(lèi)是美國CREE公司為代表的SiC襯底。傳統的藍寶石襯底GaN芯片結構如圖1所示，電極剛好位于芯片的出光面。在這種結構中，小部分p-GaN層和“發(fā)光”層被刻蝕，以便與下面的n-GaN層形成電接觸。光從最上面的p-GaN層取出。p-GaN層有限的電導率要求在p-GaN層表面再沉淀一層電流擴散的金屬層。這個(gè)電流擴散層由Ni和Au組成，會(huì )吸收部分光，從而降低芯片的出光效率。為了減少發(fā)射光的吸收，電流擴展層的厚度應減少到幾百納米。厚度的減少反過(guò)來(lái)又限制了電流擴散層在p-GaN層表面均勻和可靠地擴散大電流的能力。因此這種p型接觸結構制約了LED芯片的工作功率。同時(shí)這種結構pn結的熱量通過(guò)藍寶石襯底導出去，導熱路徑較長(cháng)，由于藍寶石的熱導系數較金屬低（為35W/m·K），因此，這種結構的LED芯片熱阻會(huì )較大。此外，這種結構的p電極和引線(xiàn)也會(huì )擋住部分光線(xiàn)進(jìn)入器件封裝，所以，這種正裝LED芯片的器件功率、出光效率和熱性能均不可能是最優(yōu)的。為了克服正裝芯片的這些不足，Lumileds Lighting公司發(fā)明了倒裝芯片（Flipchip）結構，如圖2所示。在這種結構中，光從藍寶石襯底取出，不必從電流擴散層取出。由于不從電流擴散層取光，這樣不透光的電流擴散層可以加厚，增加Flipchip的電流密度。同時(shí)這種結構還可以將pn結的熱量直接通過(guò)金屬凸點(diǎn)導給熱導系數高的硅襯底（為145W/m·K），散熱效果更優(yōu)；而且在pn 結與p電極之間增加了一個(gè)反光層，又消除了電極和引線(xiàn)的擋光，因此這種結構具有電、光、熱等方面最優(yōu)的特性。本文僅對藍寶石GaN倒裝芯片的襯底粘接材料對大功率LED器件熱特性的影響進(jìn)行分析。

2 基于Flipchip的大功率LED熱分析

我們知道，表征系統熱性能的一個(gè)主要參數是系統的熱阻。熱阻的定義為：在熱平衡的條件下，兩規定點(diǎn)（或區域）溫度差與產(chǎn)生這兩點(diǎn)溫度差的熱耗散功率之比。熱阻符號：Rθ或 Rth；熱阻單位：K/W或℃/ W一般倒裝型大功率LED表面貼裝到金屬線(xiàn)路板，也可以再安裝外部熱沉，增加散熱效果，其內部結構以及外部應用結構如圖3所示[2,3]。大功率LED芯片電極上焊接的數個(gè)BUMP（金球）與Si襯底上對應的BUMP通過(guò)共晶焊接在一起，Si襯底通過(guò)粘接材料與器件內部熱沉粘接在一起。為了有較好的取光效果，熱沉上制作有一個(gè)聚光杯，芯片安放在杯的中央，熱沉選用高導熱系數的金屬材料如銅或鋁。穩態(tài)時(shí)LED熱阻的等效連接如圖4所示。根據熱阻的定義，可以得出

3 襯底粘接材料對大功率LED熱特性的影響

LED倒裝芯片被粘在管座（器件內部熱沉）里，可以通過(guò)三種方式：導熱膠粘貼、導電型銀漿粘貼和錫漿粘貼。導熱膠的硬化溫度一般低于150℃，甚至可以在室溫下固化，但導熱膠的熱導率較小，導熱特性較差。導電型銀漿粘貼的硬化溫度一般低于200℃，既有良好的熱導特性，又有較好的粘貼強度。錫漿粘貼的熱導特性是三種方式中最優(yōu)的，一般用于金屬之間焊接，導電性能也非常優(yōu)越。

在大功率LED器件的封裝中，生產(chǎn)廠(chǎng)家容易忽略襯底粘接材料對器件熱導特性的影響。其實(shí)襯底粘接材料在影響器件熱導特性因素中是一個(gè)比較重要的因素，如果處理不好，將使得LED的熱阻過(guò)大，導致在額定工作條件下器件的結溫過(guò)高，導致器件的出光效率下降、可靠性降低。設倒裝芯片襯底的橫截面積為 A（m2），粘接材料的熱導系數為λ（W/m·K），粘接材料的高度為h（m），則粘接材料的熱阻為

下面我們以臺灣國聯(lián)光電公司的Flipchip為例進(jìn)行分析。國聯(lián)的芯片submount（襯底）是邊長(cháng)為55mil的正方形，即A為1.96×10-6m2。我們來(lái)分析熱導系數為λ對粘貼材料熱阻的影響。當h=20μm時(shí)，則

這三種情況的熱阻與熱導系數的關(guān)系曲線(xiàn)如圖5所示。從圖中可以看出，當選用鉛錫焊料63Sn/37Pb，λ=39W/m·K，同時(shí)其厚度等于20μm 時(shí)，RθAttach等于0.026（K/W），即使其厚度為 100μm，RΘAttach也只等于0.131（K/W）；當選用熱沉粘接膠Ablefilm 5020K，λ=0.7W/m·K，同時(shí)其厚度等于20μm時(shí)， RΘAttach等于1.457（K/W），當其厚度為100μm時(shí)， RΘAttach等于7.286（K/W）；當我們選用導電型芯片粘接膠 Ablebond 84-1LMISR4，λ=2.5W/m·K，同時(shí)其厚度等于20μm時(shí)，RΘAttach等于0.408（K/W），當其厚度為100μm時(shí)， RΘAttach等于2.041（K/W）。因此，選用不同的粘接材料對其熱阻存在很大的影響，同時(shí)，在印刷或涂敷芯片粘接材料時(shí)，如何降低材料厚度也十分重要。

4 結語(yǔ)

LED芯片結溫最高允許125℃，如果其最差工作環(huán)境溫度為65℃，則對一個(gè)1W的大功率LED來(lái)說(shuō)，考慮到從大功率器件外部熱沉的熱阻一般為40 （K/W），器件pn結至器件的熱阻應小于20（K/W）。而對一個(gè)5W的大功率LED來(lái)說(shuō)，如果其最差工作環(huán)境溫度為65℃，則從pn結至環(huán)境的熱阻要小于12 K/W才能保證芯片結溫不超過(guò)125℃，而如果選用Ablefilm 5020K熱沉粘接膠，λ=0.7W/m·K同時(shí)其厚度為100μm，僅芯片粘貼材料的熱阻RΘAttach就等于7.286（K/W）。因此，在 Flipchip 大功率LED器件的封裝中，選用合適的芯片襯底粘貼材料并在批量生產(chǎn)工藝中保證粘貼厚度盡量小，對保證器件的可靠性和出光特性是十分重要的。