回流焊工艺参数对FC-LED芯片焊接强度的影响

杨明德，李炳乾，夏正浩，罗明浩，梁胜华

(1.五邑大学，广东 江门 529020； 2. 中山市光圣半导体科技有限公司，广东 中山 528421)

0 前言

从20世纪90年代开始，半导体照明产业的迅速崛起，发光二极管(Light emitting diode, LED)封装是实现LED照明的关键环节[1]，各种封装方式层出不穷。LED封装结构的发展，经历了直插式封装、大光通量的食人鱼型封装、各种大功率LED芯片的单颗封装及2010年后的板上芯片(Chip on board, COB)集成封装。COB 封装是在高导热率的金属或陶瓷基板上固定LED芯片，通过基板直接散热来减少热阻，这种封装结构不仅具有很好的散热效果[2-3]，而且能够提高单位面积上的光通量和出光密度，因为发光面较小而适用于商业照明灯具的光学设计，已经成为市场上主流的封装结构。

随着LED的发展，人们对LED的可靠性和性价比要求不断提高，相比于板上正装芯片封装来说板上倒装芯片(Flip chip on board, FCOB)封装凸显了其优势，FCOB封装凭借其封装工艺简单、无需焊线、散热能力强、电流扩展能力更强及单颗芯片工作电流更高等优势，获得了快速的发展。经典的FCOB封装工艺，是在芯片表面的电极焊盘上设置焊料凸点来引出芯片电极，然后将芯片倒扣至引线框架或基板焊盘上，完成倒装芯片与引线框架之间进行电气相连，然后灌封荧光胶，实现对芯片的保护及蓝光向白光的转换[4]，在芯片焊区上制作凸点，增加了芯片的制作工艺流程及成本。在不增加芯片凸点工艺下，倒装LED芯片焊接一般采用共晶焊接。共晶焊接时，首先用合金焊料将芯片粘结在基板上，然后通过回流焊工艺使焊料层熔化，凝固后在芯片电极和基板之间形成牢固的机械连接和优异的电气连接[5-6]。常用的焊料有金锡焊料、银铋铜焊料、银锡铜焊料等[7]。文中采用银锡铜合金的锡膏焊接，具有材料成本低、焊接工艺容易控制等优点。

近年来，随着设备尺寸的缩小新型封装材料将对电子封装有着越来越突出的影响[8]，焊料需要不断提高良好的粘接可靠性、导电性能和力学性能才能满足日益细微的焊接尺度及未来的电子封装趋势[9-11]。电子相比于普通电子元器件的焊接，芯片尺度的倒装焊接焊盘尺寸更小(仅为亚毫米)，焊接质量对器件的影响更加突出[12]。焊接质量将直接影响产品散热的性能及寿命，甚至导致电气连接不良造成产品失效，这种失效将造成封装器件致命、不可逆的影响[13-14]。对于倒装焊接的质量，最科学的方法应该是用X射线显微成像技术来观察空洞的大小和数量[15]，但是这种方法不仅成本昂贵，而且测量时间长，很难在批量生产时应用。实际上，焊接面的抗剪强度能够间接反映出空洞的大小和数量，抗剪强度大时空洞率低、空洞面积小及出现虚焊、移位等缺陷少。文中以倒装LED芯片焊接面处抗剪强度为性能评判标准，研究了不同回流焊接的温度曲线的焊接面抗剪强度。

1 样品结构及试验方法

文中采用FCOB结构如图1所示，主要由金属基板、锡膏、LED芯片、围坝胶及荧光胶等几部分构成。

图1 FCOB封装结构示意图

试验时使用的基板为边长19 mm正方形铝基金属板，金属板铜箔表面沉金，沉金基板具有平整度高、散热性能好及抗氧化能力强的优点，是现在各FCOB封装企业的首选基板，基板上以36串2并的方式布置有72颗芯片的固晶位置，固晶焊盘正/负极尺寸均为300 μm×280 μm。锡膏采用ES-1200银锡铜倒装LED专用焊料Sn96.5Ag3Cu0.5，熔点为217～220 ℃，文中主要通过试验的抗剪强度和工艺参数来判断焊接强度的好坏，若要进一步的理论研究焊料温度属性对焊接强度的影响，需要添加差热分析焊膏的钎料熔化及膏体固化属性DSC图。芯片选用蓝宝石衬底的GaN基蓝光倒装LED芯片，芯片尺寸如图2所示，芯片长760 μm、宽250 μm；P电极长(284±10) μm、宽(208±10) μm；N电极长(289±10)μm、宽(218±10)μm。围坝胶厚度高于LED芯片表面，作为涂覆荧光胶的限制区域。

图2 倒装LED芯片尺寸结构示意图(μm)

试验通过锡膏将倒装LED芯片粘结在基板上，利用回流炉将锡膏熔融，液态的锡膏和焊盘充分浸润，锡膏再次凝固后将芯片与基板连接为一个整体。接下来用防垂流胶在芯片周围形成围坝，最后在芯片表面涂覆荧光胶，实现芯片的保护及蓝光向白光的转换。

芯片和基板的粘结强度通过芯片推拉力测量仪测量。测量时，推拉力测量仪顶针将紧贴芯片边缘，匀速转动推力转轴，逐渐增加顶针的推力，当芯片断裂或芯片与焊盘分离时，测量仪显示的数值就是芯片焊接所能承受的最大推力值。

试验得到的最大推力值可以通过公式(1)换算成抗剪强度。

(1)

式中：τ为抗剪强度，单位是N/m2；F为测量得到的最大推力值，单位是N；A为焊接面面积，单位是m2。这里焊接面积取芯片正负极面积之和，具体数值为0.122 mm2。为提高试验准确性及可靠性，采用同种工艺结构流程及材料制作样品，每组随机选取100个LED芯片样品测得最大推力值，计算焊接面的抗剪强度，将抗剪强度划分为几个不同区间，通过统计不同区间内样品的数量占比来表征焊接面质量的好坏。

2 试验结果分析

试验采用的8温区回流焊炉总长4 m，当基板以0.75 m/min的速度传送时，通过回流炉的时间大致320 s，平均在每个温区停留40 s。回流焊的工作过程可分为4个阶段：预热阶段、保温阶段、回流阶段及冷却阶段。第一、第二温区是预热阶段，作用是将PCB的温度从周围的环境温度提升至所需的活性温度。第三、第四、第五温区是保温阶段，作用是通过助焊剂的活性化增加芯片与基板的浸润性，同时将锡膏中残余溶剂完全挥发。第六、第七温区是回流阶段，是整个回流炉的最高温度，在这个阶段锡膏熔融变成液态布满整个焊盘，使得芯片与基板紧密接触。第八温区是冷却阶段，在这个阶段随着温度的降低，熔融锡膏凝固将芯片与基板的焊接在一起。各温区都有一个最合适的温度及时间，当满足合适搭配时可以得到一个良好的焊接效果。

2.1 不同温区温度的变化对焊接强度的影响

为了研究回流炉的不同温区温度对焊接强度带来的影响，试验通过在各温区设置不同的温度组合了4组参数，各温区温度见表1。

图3给出了不同抗剪强度区间内样品数量占总数百分比的情况，从图中可以看出，4组样品在各个抗剪强度区间的占比变化较大，性能最好的样品3中大于45 MPa抗剪强度的个数占89%，40～45 MPa占5%，35～40 MPa占6%，不存在小于35 MPa；相比之下，性能最差的样品4中大于45 MPa抗剪强度的数量仅占46%，40～45 MPa占15%，35～40 MPa占11%，小于35 MPa的个数达到28%。

表1 不同回流炉温度曲线 ℃

图3 不同回流炉温度样品数量在各抗剪强度区间占比

在图3中，样品1中小于35 MPa抗剪强度的数量占19%，样品2占11%，通过表1可以看出，样品2在回流炉第三温区比样品1的升高了20 ℃，因此认为，第三温区温度的提高使得助焊剂更好的活性化，增加了芯片与基板的浸润性，同时更好的将锡膏中残余溶剂完全挥发，促进后续焊接。从图3样品2与样品3的试验结果反映出，二者存在明显差异，样品2只有77%的样品数量在40 MPa以上，而样品3中却有94%的值超过40 MPa，由表1中可以看出，样品2与样品3在5个温区都有变化，可以造成试验结果的原因有如下几点，原因①：样品3在回流阶段将温度提升至255 ℃(样品2该温度为250 ℃)，这个温度将促进锡膏熔融变成液态布满整个焊盘，使得芯片与基板紧密接触；倘若继续升高温度，将会促使锡膏产生新的氧化导致焊接强度下降。原因②：在冷却阶段样品3将温度降至215 ℃(样品2该温度为240 ℃)，一方面加快了固化时间，减少了芯片轻微抖动造成焊接不良，另一方面避免了长期高温锡膏产生新的氧化及长期高温芯片轻微抖动造成焊接不良。在其他试验里，文中作者也发现冷却区温度太低的时候，会使得降温速度过快，造成芯片与基板存在过高的应力，影响芯片与基板粘接强度。

2.2 回流焊工艺时间的变化对焊接强度的影响

在各温区温度优化的基础上，选择了1组焊接效果最好的温度分布参数，通过改变回流炉速度，研究回流焊工艺时间对焊接强度的影响。试验采用的回流炉速度分别是0.55 m/min, 0.60 m/min, 0.65 m/min, 0.70 m/min, 0.75 m/min，各速度对应的回流焊工艺时间分别是436 s, 400 s, 369 s, 342 s, 320 s。

从图4可以看出，随着回流炉速度的增大，样品数量大于45 MPa区间内占比呈现出先增加后减少的趋势，占比最大值出现在速度为0.65 m/min，有92%的样品抗剪强度在45 MPa以上，远高于速度为0.55 m/min时的76%和速度为0.75 m/min时的83%，与此同时，在抗剪强度小于30 MPa的区间内，仅速度为0.70 m/min出现1%的样品数量；在抗剪强度30～35 MPa内，占比最小值出现在速度为0.65 m/min及0.75 m/min，仅有1%的样品抗剪强度在30～35 MPa，低于速度为0.55 m/min, 0.60 m/min, 0.70 m/min时的4%, 4%, 2%；在35～40 MPa, 40～45 MPa区间内，样品数量占比呈现先减少后增加的趋势，占比最小值为速度0.65 m/min，有1%, 6%的样品数量在35～40 MPa, 40～45 MPa区间内，相比之下速度为0.50 m/min的样品数量在35～40 MPa, 40～45 MPa区间内分别占8%, 12%%，速度为0.55 m/min在35～40 MPa, 40～45 MPa区间内占3%, 7%，速度为0.70 m/min在35～40 MPa, 40～45 MPa区间内占2%, 10%，速度为0.75 m/min在35～40 MPa, 40～45 MPa区间内占5%, 11%。造成上述试验结果的原因是，当速度过低时，基板在各温区所处时间太长，锡膏中助焊剂在预热阶段过早耗尽并形成新的氧化物导致焊接强度下降；当速度过高时，基板在各温区所处时间太短，一方面助焊剂在保温区活性得不到充分的发挥，焊料在回流区熔融不充分无法布满整个焊盘，另一方面在冷却区降温过快使得芯片与基板存在过高的应力。

图4 不同速度下样品数量在各抗剪强度区间所占比

3 结论

(1)通过优化回流焊各区的温度和回流工艺实践，倒装LED芯片与基板的焊接强度有了显著提高，92%的样品数量抗剪强度超过45 MPa，没有抗剪强度在30 MPa以下的样品。

(2)通过优化回流焊工艺参数，可以提高焊接面的抗剪强度。文中得到的回流焊接工艺参数仅适用与文中样品类似的芯片尺寸、焊盘结构和焊料类型，对于其他类型的基板和元器件焊接，回流焊工艺参数往往需要根据具体情况通过单项工艺试验来优化，得到回流焊各区工艺温度、时间的一个最佳搭配值，减少焊接区各种缺陷，提升焊接质量。