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(tǒng)照明的新型固體光源，引發(fā)了人類歷史上繼白熾燈發(fā)明以來的又一場照明革命。1W LUXOEN器件使LED的功率從幾十毫瓦一躍超過1000毫瓦，單個器件的光通量也從不到1個 lm飛躍達到十幾個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(jié)構(gòu)和材料等方面對器件的熱系統(tǒng)進行優(yōu)化設計。

目前GaN基外延襯底材料有兩大類[1] ：一類是以日本“日亞化學”為代表的藍寶石；一類是美國CREE公司為代表的SiC襯底。傳統(tǒng)的藍寶石襯底GaN芯片結(jié)構(gòu)如圖1所示，電極剛好位于芯片的出光面。在這種結(jié)構(gòu)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。這個電流擴散層由Ni和Au組成，會吸收部分光，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。厚度的減少反過來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(jié)構(gòu)制約了LED芯片的工作功率。同時這種結(jié)構(gòu)pn結(jié)的熱量通過藍寶石襯底導出去，導熱路徑較長，由于藍寶石的熱導系數(shù)較金屬低（為35W/m·K），因此，這種結(jié)構(gòu)的LED芯片熱阻會較大。此外，這種結(jié)構(gòu)的p電極和引線也會擋住部分光線進入器件封裝，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(jié)構(gòu)，如圖2所示。在這種結(jié)構(gòu)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。同時這種結(jié)構(gòu)還可以將pn結(jié)的熱量直接通過金屬凸點導給熱導系數(shù)高的硅襯底（為145W/m·K），散熱效果更優(yōu)；而且在pn 結(jié)與p電極之間增加了一個反光層，又消除了電極和引線的擋光，因此這種結(jié)構(gòu)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行分析。

2 基于Flipchip的大功率LED熱分析

我們知道，表征系統(tǒng)熱性能的一個主要參數(shù)是系統(tǒng)的熱阻。熱阻的定義為：在熱平衡的條件下，兩規(guī)定點（或區(qū)域）溫度差與產(chǎn)生這兩點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表面貼裝到金屬線路板，也可以再安裝外部熱沉，增加散熱效果，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及外部應用結(jié)構(gòu)如圖3所示[2,3]。大功率LED芯片電極上焊接的數(shù)個BUMP（金球）與Si襯底上對應的BUMP通過共晶焊接在一起，Si襯底通過粘接材料與器件內(nèi)部熱沉粘接在一起。為了有較好的取光效果，熱沉上制作有一個聚光杯，芯片安放在杯的中央，熱沉選用高導熱系數(shù)的金屬材料如銅或鋁。穩(wěn)態(tài)時LED熱阻的等效連接如圖4所示。根據(jù)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(nèi)部熱沉）里，可以通過三種方式：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)廠家容易忽略襯底粘接材料對器件熱導特性的影響。其實襯底粘接材料在影響器件熱導特性因素中是一個比較重要的因素，如果處理不好，將使得LED的熱阻過大，導致在額定工作條件下器件的結(jié)溫過高，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(shù)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為例進行分析。國聯(lián)的芯片submount（襯底）是邊長為55mil的正方形，即A為1.96×10-6m2。我們來分析熱導系數(shù)為λ對粘貼材料熱阻的影響。當h=20μm時，則

這三種情況的熱阻與熱導系數(shù)的關(guān)系曲線如圖5所示。從圖中可以看出，當選用鉛錫焊料63Sn/37Pb，λ=39W/m·K，同時其厚度等于20μm 時，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，同時其厚度等于20μm時， RΘAttach等于1.457（K/W），當其厚度為100μm時， 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，同時其厚度等于20μm時，RΘAttach等于0.408（K/W），當其厚度為100μm時， 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，在印刷或涂敷芯片粘接材料時，如何降低材料厚度也十分重要。

4 結(jié)語

LED芯片結(jié)溫最高允許125℃，如果其最差工作環(huán)境溫度為65℃，則對一個1W的大功率LED來說，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(jié)至器件的熱阻應小于20（K/W）。而對一個5W的大功率LED來說，如果其最差工作環(huán)境溫度為65℃，則從pn結(jié)至環(huán)境的熱阻要小于12 K/W才能保證芯片結(jié)溫不超過125℃，而如果選用Ablefilm 5020K熱沉粘接膠，λ=0.7W/m·K同時其厚度為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。