貼片及引腳式LED芯片連接的熱應力應變對比分析

隋 越(閩江學院物理學與電子信息工程系，福建 福州350108）

目前，發光二極管(Light Emitting Diode，LED）被認為是具有巨大發展潛力的新一代照明光源，而其實際發光效率較低，例如芯片發出的光能只占總輸入能量的20%，另外接近80%的電能轉化成為了熱能[1]。對于高功率LED，良好的散熱是維持其穩定工作的關鍵，許多關于LED熱管理的研究都集中在散熱封裝上[2-3]，而引腳的應力常被研究者所忽視。芯片的失效中的很大一部分與芯片和引腳的接觸狀況有關，關于芯片-引腳應力應變分布研究較少。

LED芯片的典型封裝方式有2種，其中1種是貼片式，在該封裝形式下芯片及2個引出腳和封裝底板緊貼在在一起；另1種是引腳式，即LED芯片和外界可通過引腳與電路板連接。在以上2種不同的封裝方式中，芯片與外連接材料的模型及體積不一樣。在建立上述2種連接的應力應變模型時，需要考慮芯片與外界環境之間的熱傳導，同時固體材料的應力應變又需要考慮結構力學中應力方程的應用，在方程耦合上需要深入研究。為此，筆者采用有限元方法，針對2種連接方式下LED芯片的發熱和電路板之間的應力應變進行模擬，然后從應力應變角度分析2種典型封裝失效的可能性大小。

1 應力應變模型和熱傳導模型

采用廣義熱傳輸和應力應變這2種穩態應用模型模擬LED芯片的連接方式。首先繪制出LED芯片的三維圖形，如圖1所示。

在圖1（a）中，其上較長的矩形為發熱芯片，厚度為0．5mm，長寬分別為6mm和1．5mm；芯片為GaN半導體材料，其下較大的矩形為電路板FR4材料，發熱芯片與基板之間采用焊錫連接，焊錫的成分為錫和鉛(兩者比例為0．6∶0．4）。在圖1（b）中，發熱芯片的尺寸與基板之間采用金屬引腳連接，材料為銀。

應力σ與應變ε之間關系用下式表達[4]：

圖1 貼片(a）及引腳式(b）連接的LED芯片

式中，σ為各方向的應力，GPa；εx、εy、εz、εxy、εyz、εxz分別為各方向上的應變；εx0、εy0、εz0、εxy0、εyz0、εxz0分別為各方向上的初始應變；εih為熱應力引起的應變；σ0為初始應力，GPa；l為列向量，p和p0分別為材料內的壓力和初始壓力，GPa；Dd為材料的彈性矩陣。

對于各向同性的材料，其彈性矩陣形式為：

材料內的壓力：

材料內的初始壓力：

式中，G為剪切模量，GPa；N為材料體積模量，GPa；剪切模量和材料體積模量都可由楊氏模量E和泊松比ν求得[2]；σ0x、σ0y、σ0z分別為材料中各方向的初始應力，GPa。

在模擬過程中，采用廣義熱傳導模型模擬材料中的傳熱，其方程如下[5]：

式中，k為熱材料及連接材料的熱導率，W／（m·K）；T為溫度，K；qs是LED芯片單位體積的發熱密度，取值為48mW／m3（LED芯片的總功率為0．2W）；ρ為材料密度，kg／m3；cp為各種材料的定壓熱容，J／（kg·K）；u為模擬模型中各種材料（包括空氣和固體材料）的流速，m／s。

模型中所用材料性能參數如表1所示。

基于Matlab的Comsol軟件建立程序。由于芯片為長方體形狀，在模擬過程中只考慮芯片的一半，對芯片-引腳-電路板組合的網格剖分如圖2所示。

為了更準確地研究引腳處溫度和應力分布，將引腳處的網格剖分更細致。圖2中邊界a為對稱邊界，b為固定邊界，c為開放邊界。在模型中各個部分的連接邊界的溫度和熱通量取為連續條件。

圖2 芯片-引腳的有限元網格剖分

2 模擬得到的溫度分布

對圖2中的芯片及電路板上面的空氣流進行剖分之后，將式(1）和式(5）化成差分形式，再對整個空間的溫度和應力應變進行計算，獲得LED芯片的2種連接方式的溫度分布，最后得到三維溫度場(見圖3）。

由圖3可以看出，2種芯片周圍的溫度分布差別很大，其溫度分布具有如下特征：①貼片式芯片與下面接觸熱沉之間的溫度連續變化，溫度梯度相對較小，而引腳連接芯片周圍的溫度梯度較大；②貼片式LED芯片下面的PR4材料溫度與芯片溫度變化不大；③計算得到貼片式連接芯片表面最高溫度為423K，而引腳式連接的溫度最高溫度為526K。上述特征說明在相同輸入功率(0．2W）條件下，貼片連接方式有助于芯片散熱。

3 2種連接方式下的應力應變分布

在給出溫度變化的同時，得到2種連接方式下材料中的應力應變分布，如圖4所示(材料表面的箭頭表示應變釋放方向）。

圖3 貼片(a）及引腳式(b）連接的LED芯片周圍溫度分布

圖4 貼片(a）及引腳式(b）連接的LED芯片 應力應變側視圖

從圖4可以看出，2種連接情況下應變都是沿著垂直于表面的方向釋放的。這是由于貼片連接情況下焊錫表面為曲面，其表面的釋放空間更大。此外，貼片式芯片的應變明顯小于引腳式連接芯片的應變，其原因是由于引腳式連接情況下在銀引腳與FR4的接觸點溫度梯度較大，因而該點的應變數量也會超過貼片式連接的應變。

為了更清楚地觀察材料的應變，給出2種裝配方式下材料內部位移曲線，如圖5所示。從圖5可以看出，在2種裝配形式下，邊沿的應變分布比較相似，但在發熱芯片引出點有較大的差別；在引腳式的銀引腳中的位移曲線數密度少于貼片式的焊錫中的位移數密度。

由于位移曲線占據空間只能表明應變釋放空間的體積，不能說明應變總量的大小，因而對芯片材料的總位移進行積分計算，其結果如表2所示。表2中的位移積分數值來自圖5中內側面，側面的形狀大小為圖1所示。該側面的邊界條件為連續邊界條件，位于LED芯片封裝的正中間。表2中的Z方向為圖1所示垂直方向。

圖5 2種連接的芯片內部位移曲線

由表2可以看出，相同芯片在2種不同的裝配方式下，引腳式封裝引起的位移大約是貼片封裝的位移的3倍。此外，2種封裝形式下位移主要沿著Z方向（其原因是模型中的XY方向處于材料內部，而應力只能在芯片與引出點的外表面釋放）。根據上述分析，可以得到如下結論，即貼片式連接釋放的空間更大，同時其應變產生的位移數值小于引腳式連接的位移數值，由此說明貼片式連接可靠性更高。

表2 2種連接方式下的表面位移

4 結 語

采用有限元方法對2種LED芯片連接方式進行模擬，獲得2種LED封裝下的溫度分布及應變分布。研究表明，在不同的裝配方式下，芯片的電路引出部分的熱導系數對芯片散熱并不起主導作用，芯片散熱主要由與其表面接觸的材料和連接處的應變釋放空間決定，貼片式連接的應變數值小于引腳式連接應變數值，同時貼片式連接產生的應變釋放空間更大，說明在相同的裝配工藝下貼片式封裝比引腳式封裝的可靠性要高

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