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(yīng)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(gè)器件的光通量也從不到1個(gè) lm飛躍達(dá)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(shè)計(jì)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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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(xué)”為代表的藍(lán)寶石；一類是美國CREE公司為代表的SiC襯底。傳統(tǒng)的藍(lán)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(dǎo)率要求在p-GaN層表面再沉淀一層電流擴(kuò)散的金屬層。這個(gè)電流擴(kuò)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(kuò)展層的厚度應(yīng)減少到幾百納米。厚度的減少反過來又限制了電流擴(kuò)散層在p-GaN層表面均勻和可靠地?cái)U(kuò)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(shí)這種結(jié)構(gòu)pn結(jié)的熱量通過藍(lán)寶石襯底導(dǎo)出去，導(dǎo)熱路徑較長，由于藍(lán)寶石的熱導(dǎo)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(huì)較大。此外，這種結(jié)構(gòu)的p電極和引線也會(huì)擋住部分光線進(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(jié)構(gòu)，如圖2所示。在這種結(jié)構(gòu)中，光從藍(lán)寶石襯底取出，不必從電流擴(kuò)散層取出。由于不從電流擴(kuò)散層取光，這樣不透光的電流擴(kuò)散層可以加厚，增加Flipchip的電流密度。同時(shí)這種結(jié)構(gòu)還可以將pn結(jié)的熱量直接通過金屬凸點(diǎn)導(dǎo)給熱導(dǎo)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(gè)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(lán)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(tǒng)熱性能的一個(gè)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(diǎn)（或區(qū)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(yīng)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(gè)BUMP（金球）與Si襯底上對應(yīng)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(gè)聚光杯，芯片安放在杯的中央，熱沉選用高導(dǎo)熱系數(shù)的金屬材料如銅或鋁。穩(wěn)態(tài)時(shí)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(dǎo)熱膠粘貼、導(dǎo)電型銀漿粘貼和錫漿粘貼。導(dǎo)熱膠的硬化溫度一般低于150℃，甚至可以在室溫下固化，但導(dǎo)熱膠的熱導(dǎo)率較小，導(dǎo)熱特性較差。導(dǎo)電型銀漿粘貼的硬化溫度一般低于200℃，既有良好的熱導(dǎo)特性，又有較好的粘貼強(qiáng)度。錫漿粘貼的熱導(dǎo)特性是三種方式中最優(yōu)的，一般用于金屬之間焊接，導(dǎo)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(dǎo)特性的影響。其實(shí)襯底粘接材料在影響器件熱導(dǎo)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的熱阻過大，導(dǎo)致在額定工作條件下器件的結(jié)溫過高，導(dǎo)致器件的出光效率下降、可靠性降低。設(shè)倒裝芯片襯底的橫截面積為 A（m2），粘接材料的熱導(dǎo)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(jìn)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(dǎo)系數(shù)為λ對粘貼材料熱阻的影響。當(dāng)h=20μm時(shí)，則

這三種情況的熱阻與熱導(dǎo)系數(shù)的關(guān)系曲線如圖5所示。從圖中可以看出，當(dāng)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(dāng)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(dāng)其厚度為100μm時(shí)， RΘAttach等于7.286（K/W）；當(dāng)我們選用導(dǎo)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(dāng)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(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(gè)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(yīng)小于20（K/W）。而對一個(gè)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(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。