深圳普朗克光电分享UVCLED封装研究——粘结材料

目前LED 光电转换效率较低, 70%甚至更高的电能要转换成热量。分析LED 器件结构和材料组成, 发现由于LED 封装结构和封装材料的影响,芯片侧表面和上表面的散热能力极差。因此, LED产生的热量绝大部分是通过热传导的方式传到芯片底部的热沉, 再以热对流的方式耗散掉。正装芯片与倒装芯片的散热结构都有一个粘结层,从表1 中可以明显看出, 在所有传热结构中粘结剂的导热系数最小, 所以粘结层对芯片、器件的散热影响最为严重。

表1 封装材料导热系数

导热胶

环氧树脂和有机硅作为聚合物本身散热性能较差, 导热胶是在基体内部加入一些高导热系数的填料, 如SiC、AlN、Al2O3 、SiO2等, 从而提高其导热能力。导热胶的优点是价格低廉, 具有绝缘性能,工艺简单, 控制也没有银浆那么严格, 但导热性普遍较差。

导电银浆

导电银浆是将银粉加入环氧树脂中形成的一种复合材料, 粘贴的硬化温度一般低于200 ℃, 具有良好的导热特性、粘结性能可靠等优点, 但银浆对光的吸收比较大, 导致光效下降。同样条件下, 银浆与导热胶相比, 初始光通量会相差较多。小功率LED 芯片发热量少, 所以通过导电银浆作为粘结层完全可以满足散热性好、寿命长及可靠性高的要求。 

合金焊料

大功率LED 芯片由于发热较多, 所以对粘结剂的要求更为严格。一般粘结剂如导热胶、导电银浆都无法满足要求, 只能考虑硬钎料, 最为常用的钎料有三种: Au-Sn、Au-Ge和Au-Si 。LED 对高温比较敏感, 共晶键合温度分别为361 ℃、363℃的Au-Ge 、Au-Si不合适, 而Au-Sn的共晶温度只有280 ℃, 完全适合做大功率LED 芯片的粘结材料。为克服传统工艺键合层产生的大量空洞, 将Si 芯片Au-Sn共晶键合实验工艺在LED上实现( 见图1) 。

图1 Si芯片键合

首先将W 、Ti 、Cr 以及Au-Sn等相关金属层镀在Al 基板上, 在430 ℃下通过回流焊使基板上的金属成为均匀的Au80Sn20合金组织, 然后再在320 ℃条件下通过共晶焊将芯片键合到Al 基板的Au-Sn合金层上。对键合器件进行破坏实验得知, 芯片先于键合层断裂, 从而在大功率LED的键合上可以在满足散热(Au2Sn 热导率57 W/mK) 的基础上满足键合强度的要求。