焊接层空洞率对LED背光源组件热阻的影响

刘志慧，柴广跃，闫星涛，刘 琪，罗剑生

(1.深圳大学 光电工程学院，广东 深圳 518060；2. 深圳市瑞丰光电子股份有限公司，广东 深圳 518132)

焊接层空洞率对LED背光源组件热阻的影响

刘志慧1，柴广跃1，闫星涛2，刘 琪2，罗剑生1

(1.深圳大学 光电工程学院，广东 深圳 518060；2. 深圳市瑞丰光电子股份有限公司，广东 深圳 518132)

焊接层空洞是引起电子器件和光电子器件失效的一种重要因素，同时也是应用系统可靠性研究的重要内容之一。它增大了焊接层的热阻使得功率半导体芯片由于散热不良而失效，本文通过实验研究了空洞率对LED背光源组件热阻的影响，结果显示随着焊接层空洞率的增大，样品结温与组件热阻都明显增加，且基本呈线性增长趋势，当空洞率约为17%时，热阻增长6.03%，结温提高1.74%；当空洞率约为73%时，热阻增长24.7%，结温提高9%。

LED背光源；焊接层；空洞率；热阻

引言

随着微电子和光电子应用系统的微型化、高速化、大密度、大功率的发展，器件内部的热流密度也在快速增加，器件的散热就显得尤为重要。器件的散热不仅与系统热设计和布局有关，还与器件和各层之间的粘结质量有关。焊接层空洞是引起电子器件失效的一种重要因素，同时也是可靠性研究的重要内容之一，它的存在正是造成功率半导体芯片由于散热不良而失效的主要原因。

焊接层有两种，以LED为例：一种是芯片级的焊接，另一种是器件的焊接。芯片级焊接是将LED芯片焊接到铜或陶瓷管壳热沉上；器件焊接是将一个或多个LED器件焊接到PCB电路板或铝基PCB板，如有必要可再将电路板安装在散热器上。两种焊接层的空洞形成机理相似，减少空洞的优化工艺也类似[1]。本文以一种大尺寸液晶电视LED背光源模组为样板，主要研究LED器件焊接层空洞率(焊接层空洞面积与焊接层总面积的比值)对LED光源结温和背光源组件热阻的影响。

在实际应用过程中，由于焊接表面玷污、氧化等原因，会在焊接层产生空洞，这些空洞会减小LED散热的有效面积，导致器件散热不良，因此探讨焊接层空洞率与LED组件热阻的关系具有实际意义。目前已有很多关于空洞与芯片散热的研究[2-3]，如陈颖、孙博等人利用有限元分析法研究了空洞位置对芯片最高温度的影响[4]；常俊玲等采用3-D有限元模拟的方法讨论了空洞大小和位置对芯片热阻的影响[5-6]；殷录桥结合理论计算与实验的方法分析了空洞率对扩展热阻的影响[7]等，他们都采用了有限元模拟实验进行分析，更多关注的是固晶层中空洞对芯片表面最高温度的影响等，本文从企业的实际生产产品(LED背光源)入手，分析LED光源与基板间焊接层空洞率对LED结温与组件热阻的影响。

1 热阻分析

1.1 LED背光源

随着平板显示技术的不断升级，一种新型的LED背光源液晶电视逐步走进人们的视线。由于液晶显示屏本身不发光，所以为它提供光源的背光源就扮演着十分重要的角色。LED背光源在液晶电视领域的技术优势很明显：①LED背光源不含汞等有毒物质，内部驱动电压低、功耗小，更节能，符合现代人绿色环保的消费要求；②实现了比传统光源更为宽广的色域范围，为液晶电视的色彩提升提供保障；③LED背光源衰变周期长，使用寿命长，而且响应时间只有纳秒级，可以明显改善运动图像拖尾问题，提升动态清晰度。LED背光源的这些技术优势解决了平板电视显示技术发展中的瓶颈问题，将成为未来平板电视产品发展的主流趋势[8]。

但是LED背光源并非没有缺点，其中一个有待解决的重要问题就是散热，这也是LED封装技术中一个比较重要的问题。现在LED灯的功率比较高，有一定能量以热的形式释放出去，而背光源对热信赖性要求比较严格，过热会影响电路元器件性能、降低LED灯的发光效率、局部温度过热等。对于大尺寸LED侧发光式背光源要求的灯条数量减少，灯的功率加大，对LED的散热要求更高[8]。

LED背光源的简单生产工艺流程为：①焊接，选择合适的光源(已封装)焊接到PCB板上；②切膜，用冲床模切背光源所需的各种扩散膜、反光膜等；③装配，根据设计图纸要求，将背光源的各种材料安装在正确的位置；④测试，检查背光源光电参数及出光均匀性等是否良好；⑤包装，将成品按要求包装入库[9]。

1.2 热阻分析

散热是LED背光源的一个重要问题，那么在生产过程中就要尽量提高发光效率或保证组件具有较好的散热能力。而在LED背光源的工艺过程中很容易在焊接层产生空洞，而这些空洞的存在会直接影响组件的散热。

由JEDEC Standard EIA/JESD51-1[10],可得LED热阻公式为

(1)

其中，Rth是LED芯片结点到环境的热阻，Tj是LED芯片结点温度，Ta为指定的参考环境温度，PH为LED的耗散功率，即热功率。因此公式(1)可改写为

(2)

式中，PE为总功率，PL为光功率。

图1为LED背光源为典型的小热源大散热器的模型，因此这里需考虑扩散热阻的影响。扩散热阻表示的是热流从小截面流向大截面时所引起的热阻。扩散热阻模型如图2所示；图2为本实验原始模型，运用等效尺寸计算公式(3)、(4)可将其转化为圆形模型，转化结果如图3所示。

(3)

(4)

其中As为热源面积，Ap为基板底部散热面积。实验测得热源面积为(2.47×2.47)mm2，散热面积为(20×58)mm2，根据公式(3)、(4)计算得等效热源半径为1.39mm，散热板等效半径为19mm。

图1 扩散热阻模型Fig.1 Diffusion thermal resistance model

图2 原始方形模型Fig.2 The original square model

图3 等效圆形模型Fig.3 Equivalent circular model

本实验中所用样品由LED光源、锡膏层和六角铝基板(大于热扩散半径19mm)组成。由于锡膏层中空洞的存在，导致实际的接触面积减少，影响散热。样品结构与热阻图如图4所示；样品的总热阻可表示为

(3)

其中，RLED为LED整体热阻，包括芯片热阻与固晶层热阻等，RLED-锡为LED光源与锡膏层接触热阻，R锡为锡膏层体热阻，R锡-Al为锡膏层与铝基板接触热阻，RAl为铝基板体热阻，R扩为扩散热阻。界面热阻由两个接触热阻和锡膏层体热阻组成，即

(4)

实验中所用到的LED光源和铝基板可近似认为相同，因此在相同实验条件下，可认为RLED和RAl是不变的；而在R界中，材料体热阻与材料厚度成正比，厚度越小，热阻越小，但体热阻本身很小[11]，与由面积变化引起的那部分热阻相比，我们可以认为总热阻的变化是由接触面积变化引起的。

图4 样品结构与热阻图Fig.4 The sample structure and thermal resistance

3 实验过程

在第2部分热阻分析中已经明确了空洞对热阻的影响，为了进一步得到焊料层空洞率与样品热阻的关系，我们设计了以下实验过程，如图5所示。根据上面的计算，我们关注的LED背光源不存在热耦合的现象，因此本实验设计具有合理性。

图5 实验过程Fig.5 The experimental process

首先，实验中先用远方积分球对样品进行光参数检测，剔除问题样品，保证以下实验有效可信；其次将样品进行空洞率检测，得到垂直锡膏层表面方向的空洞分布图和空洞率；然后进行热阻测试得到样品结温和各部分热阻曲线，分析曲线就能得到LED结温和组件热阻；红外热成像可以直观的显示光源表面最高温度和温度分布，而研磨抛光可以对样品进行剖面分析，得到样品锡膏层截面空洞分布和锡膏层厚度。下面将逐步详细地说明各个实验过程。

3.1 样品制备

实验中采用的是5730灯珠，所用锡膏为上海及时雨生产的SnAg3.0Cu0.5,所用基板为六角铝基板，其尺寸大于热扩散半径，基板背面写上编号，回流焊最高温度为260℃。样品如图6所示。

图6 样品Fig.6 The samples

3.2 样品检测

3.2.1 空洞率检测

本次实验采用DAGE XD7500VR X射线检测仪对样品进行扫描，根据样品不同部位对X射线吸收率和透射率的不同，材料内部和空洞由于透过的射线强度不同形成灰黑度不同的X射线影像图，如图7所示。通过改变仪器功率大小可将空洞全部选中，得到样品空洞率。实验操作过程中，需依靠人眼观察是否将所有空洞选中，存在人眼识别误差，为保证结果可信，选择样品的空洞率相差大于10%。检测结果表明：24只样品空洞率范围为0.3%～75%。

图7 空洞率Fig.7 Voiding percentages

3.2.2 热阻测试

LED器件热阻测试基于电学法，主要分为3步：首先，在LED器件上加载一个测试电流，通过改变环境温度(恒温槽)，测试K系数；其次，记录对应的电压参数，并对LED器件加载加热电流；最后当器件达到热平衡后，将加热电流切换为测试电流，记录对应电压。

实验中采用T3ster热阻测试仪测量样品的结温和结-环境热阻，测试时用导热胶片将样品固定在恒温槽中，槽温设为25℃；实验最后取的数据是结-环境的热阻，因此放置样品时应尽量保证用力均匀，实验过程中已证实，用力不均会对热阻数据产生一定的误差。首先我们给器件加载1 mA的测试电流，环境温度每隔10℃从25℃变化到85℃，得到K系数曲线(温度-电压曲线)；然后给器件加载加热电流120 mA直到器件达到热平衡，转换为测试电流。图8(a)(b)分别是结温与环境热阻的测试曲线。

通过曲线可分析得到样品的结温与各部分热阻，如表1所示，这里所得数据都是在扣除光功率的基础上得到的。

图8 测试曲线Fig.8 Testing curve

编号空洞率/%结⁃环境热阻/(K/W)结温/(℃)结温增长率/%热阻增长率/%焊接层厚度/μm2276255395300000084035172663240231746037047123336728411726375611707144947169417756414619873187307800431190024708110

由表1可得到焊接层空洞率与LED封装热阻和结温的关系曲线，如图9所示。

图9 焊接层空洞率与LED结温和组件热阻的关系曲线Fig.9 The relation between the voiding percentages and LED junction temperature and thermal resistance

由表1及图9可知，随着焊接层空洞率的增大，样品结温与环境热阻都明显增加，基本呈线性增长趋势，当空洞率约为17%时，热阻增长6.03%，结温增长1.74%；当空洞率约为73%时，热阻增长24.7%，结温增长9%。

对样品进行红外成像采集，发现不同锡膏层空洞率下，灯珠表面温度并没有明显差别，相差在1℃左右，分析原因可能是本次挑选的灯珠固晶层空洞率较小，散热较好；此外实验中所用锡膏的导热系数较大，最高温度随锡膏层厚度的变化幅度较小，如厚度从0.05mm增大到0.25mm时，芯片最高温度增加近1.5℃[12]。拍摄图像时灯珠点亮时间不够长，灯珠还未稳定，也对结果有所影响。

3.2.3 剖面分析

空洞的分布具有随机性，大致可将空洞分为几类[13]：互相挨近的小空洞连结在一起形成的大空洞和分散分布的小空洞；分布在焊锡层中心的空洞和边缘的空洞；贯穿焊锡层的空洞和不同深度位置的浅空洞。为了更清楚地了解空洞在锡膏层中的分布，需要对样品进行研磨抛光，在高倍显微镜下观察样品的截面图，如图10所示；可以看到空洞的位置是随机的，每个空洞大小也是随机的，随着空洞率的增加，空洞也由分散变成连续分布。在许多仿真实验中已经知道，空洞在锡膏层中的位置、大小以及连续性都对热阻表现出不同的影响。但由于在企业的实际生产操作过程中无法准确把握这些因素，也没有必要细化这些影响因素，因此在本文中我们只关注锡膏层空洞率对整体热阻的影响。

图10 样品截面图Fig.10 The section of the sample

4 总结

本文首先根据实验目的制作挑选样品，再进行热阻测试等得到实验数据，分析数据得到以下结论：①焊接层空洞率的增大，样品结温与环境热阻都明显增加，基本呈线性增长趋势当空洞率约为17%时，热阻增长6.03%，结温增长1.74%；当空洞率约为73%时，热阻增长24.7%，结温增长9%。可见随着样品锡膏层空洞率的增加，对样品整体热阻的影响较大。②由于锡膏导热系数较大，锡膏厚度对灯珠表面最高温度的影响较小。

空洞是LED互连层中的一个普遍现象，产生的具体原因也很多，空洞的存在将会影响到LED器件的光热性能及可靠性性能。在回流焊过程中焊剂和材料化学反应留下的气泡可能在焊接层中留下空洞，这就要求实际的工艺温度曲线和贴片速度等需与焊料的性能吻合，保证焊层的空洞较小；此外焊盘与锡膏层界面以及锡膏层与基板界面存在缺陷或者异物污染等导致焊料润湿不良也会产生空洞；焊盘或基板表面被氧化而使焊料浸润不良形成空洞，合理保存和使用焊料保护其不被氧化等都能在一定程度上减少空洞。本实验中样品空洞就是由于焊盘中存在异物导致焊料浸润不良产生的。企业在生产过程中应该注意焊接中浸润不良和助焊剂高温气化形成的空洞，尽可能减少锡膏层的空洞率，优化组件的散热，以提高LED作为背光源的竞争力。

值得注意的是在许多研究中都指出了，空洞的大小、位置等因素对器件的热阻都有不同的影响，根据企业实际生产的需求，本文只考虑焊锡层空洞率整体的变化对热阻的影响，并未细化具体的因素，因此实验所得的曲线并非严格的线性增长曲线。

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Effects of Voiding Percentages in Devices Solder Layer on LED Back Light Unit Thermal Resistance

LIU Zhihui1, CHAI Guangyue1, YAN Xingtao2, LIU Qi2, LUO Jiansheng1

(1.Shenzhen University, Shenzhen 518060, China;2.ShenzhenREFONDOptoelectronicsCo.LTD,Shenzhen518132,China)

Void in solder layer is the main factor in the failure of electrical device and optoelectronic devices and the main question of the reliability of the application system. The increasing thermal resistance in solder layer is the main reason for the heat diffusion failure of power semiconductor chip. This paper focused on the effects of voiding percentages on LED back light unit thermal resistance. The results showed that with the increasing of voiding percentages, the junction temperature and the thermal resistance are increased significantly and almost appeared linear growth. When the voiding is about 17%, the thermal resistance and the junction temperature increase 6.03% and 1.74%. When the voiding is about 73%, the thermal resistance and the junction temperature increase 24.7% and 9%.

LED back light unit； solder layer；voiding percentages；thermal resistance

广东省前沿与关键技术创新专项资金(重大科技专项，2014B010120004)项目，广东省产学研项目(2011B090400400)，深圳市重大产业攻关项目(JSGG20140519105124218)

柴广跃，E-mail：gychai@szu.edu.cn

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2016.06.020