納米銀焊膏封裝大功率COB LED模塊的性能研究

楊呈祥， 李 欣*， 孔亞飛， 梅云輝， 陸國(guó)權(quán)，2

(1. 天津大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300072；2. 弗吉尼亞理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 弗吉尼亞 蒙哥馬利 24060)

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納米銀焊膏封裝大功率COB LED模塊的性能研究

楊呈祥1， 李 欣1*， 孔亞飛1， 梅云輝1， 陸國(guó)權(quán)1，2

(1. 天津大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300072；2. 弗吉尼亞理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 弗吉尼亞 蒙哥馬利 24060)

為提高大功率LED的散熱能力，采用具有更高熔點(diǎn)和更優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能的納米銀焊膏作為芯片粘結(jié)材料，以Al2O3基陶瓷基板封裝COB LED模塊。同時(shí)以Sn/Ag3.0/Cu0.5和導(dǎo)電銀膠兩種粘結(jié)材料作為對(duì)比，分別在27，50，80，100，120 ℃等環(huán)境溫度中測(cè)試3種模塊的光電性能來評(píng)估模塊的熱管理水平；在100 ℃環(huán)境下進(jìn)行加速老化實(shí)驗(yàn)，評(píng)估3種LED模塊的可靠性。測(cè)試結(jié)果表明，納米銀焊膏封裝的大功率LED模塊光電性能優(yōu)異，且具有較強(qiáng)的長(zhǎng)期可靠性。

大功率LED； COB封裝； 納米銀焊膏； 光電性能； 可靠性

1 引 言

隨著LED應(yīng)用市場(chǎng)的逐漸成熟，人們對(duì)大功率LED的需求越來越多。光通量是體現(xiàn)LED競(jìng)爭(zhēng)能力的關(guān)鍵參數(shù)[1]。人們采用多芯片集成陣列模塊的方法[2]使LED的光輸出能力逐年增強(qiáng)，同時(shí)LED的功率和正向電流也逐漸增大。這直接導(dǎo)致LED結(jié)溫的升高，而結(jié)溫升高會(huì)使LED的量子效率降低，壽命縮短，輸出波長(zhǎng)紅移甚至器件失效[3-7]。因此，LED模塊的散熱能力對(duì)于LED可靠性的影響非常大。近年來，人們對(duì)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的意識(shí)越來越強(qiáng)，因此如何在提高LED輸出功率的同時(shí)盡可能減小封裝體積以減少封裝成本和能量浪費(fèi)，成為一個(gè)重要課題。

作為一級(jí)封裝，芯片粘結(jié)層是熱量由芯片傳輸?shù)交宓谋亟?jīng)路徑，因此粘結(jié)層材料是影響大功率LED散熱能力及可靠性的主要因素[8]。常用的粘結(jié)材料有錫基焊料[9]和導(dǎo)電銀膠[10]。但由于這兩種粘結(jié)材料失效溫度較低，所以工作溫度受到限制，滿足不了大功率LED應(yīng)用于軍工行業(yè)、航空航天和核環(huán)境等高溫惡劣環(huán)境[10]的需要。納米銀焊膏由于能夠?qū)崿F(xiàn)低溫?zé)Y(jié)且燒結(jié)完成后為多孔單質(zhì)銀層，可以應(yīng)用于高溫環(huán)境且具有優(yōu)良的熱學(xué)、電學(xué)、力學(xué)性能和可靠性，因此在惡劣環(huán)境應(yīng)用的高功率LED模塊封裝中具有一定的潛力。

COB(Chip-on-board)封裝技術(shù)可通過基板直接散熱，減少熱阻，適合于大功率多芯片陣列的LED電子封裝[11-12]。本文采用納米銀焊膏代替?zhèn)鹘y(tǒng)的粘結(jié)材料，用于高功率COB LED模塊的芯片級(jí)粘結(jié)。為了研究惡劣環(huán)境中模塊的工作性能，分別在不同溫度條件下測(cè)試納米銀焊膏封裝模塊的光電特性，并將其與Sn/Ag3.0/Cu0.5和導(dǎo)電銀膠封裝模塊進(jìn)行對(duì)比，研究芯片級(jí)粘結(jié)材料對(duì)大功率LED模塊性能的影響。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)采用OSRAM的F4152A型GaN基大功率藍(lán)光1 W芯片作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。如圖1(a)所示，芯片為垂直式LED，N極向上，上下兩電極均采用鍍金處理。芯片尺寸為1 mm×1 mm×0.19 mm(圖1(b))。采用Al2O3基DPC陶瓷基板作為大功率LED支架，表面覆銀，如圖2所示。基板尺寸為12 mm×12 mm×0.5 mm，基板上9個(gè)獨(dú)立焊盤可完成9芯片集成。

新型高溫用納米銀焊膏由美國(guó)NBE公司(NBE Technologies LLC, Blacksburg, VA)提供，含銀量為80%，銀顆粒平均粒徑約為30 nm，熱導(dǎo)率為238 W/(m·K)。為了研究不同粘結(jié)材料對(duì)LED模塊性能的影響，另外采用針筒式LF-200型Sn/Ag3.0/Cu0.5合金焊料和Ablebond 84-1LMISR4型導(dǎo)電銀膠封裝LED模塊并進(jìn)行對(duì)比。

圖1 (a) OSRAM 1 W藍(lán)光芯片示意圖;(b) 芯片尺寸示意圖。

Fig.1 (a) Schematic of OSRAM 1 W LED blue chip. (b) Schematic of chip size.

圖2 Al2O3基陶瓷基板示意圖

2.2 樣品制備

本實(shí)驗(yàn)制備LED模塊的過程如圖3所示。基板經(jīng)過清理后，采用點(diǎn)膠的形式將納米銀焊膏涂覆于基板上，而后完成貼片。將粘結(jié)好芯片的模塊置于加熱臺(tái)上，在280 ℃下完成焊膏燒結(jié)，并通過金線鍵合實(shí)現(xiàn)芯片與基板間的電氣連接。金線鍵合采用三串三并的電路形式，如圖4所示。本實(shí)驗(yàn)中，用于對(duì)比的Sn/Ag3.0/Cu0.5合金焊料和導(dǎo)電銀膠的工藝曲線如圖5所示。

圖3 9 W COB封裝的LED模塊制備流程

圖4 LED模塊三串三并電路

圖5 粘結(jié)工藝曲線。(a) Sn/Ag3.0/Cu0.5;(b) 導(dǎo)電銀膠。

Fig.5 Sintering process. (a) Sn/Ag3.0/Cu0.5.(b) Silver epoxy.

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

針對(duì)制備完成的樣品，分別進(jìn)行光電性能和可靠性測(cè)試。圖6所示為本實(shí)驗(yàn)采用的光電測(cè)試系統(tǒng)示意圖。在實(shí)驗(yàn)中，將樣品置于積分球中，給LED模塊通直流電，電流從0～1 500 mA不斷增加，每隔100 mA記錄樣品光電測(cè)試數(shù)值，獲得LED模塊光電特性隨電流的變化關(guān)系，每組測(cè)試3個(gè)樣品取平均值。為了研究不同環(huán)境溫度對(duì)模塊性能的影響，采用加熱片分別為實(shí)驗(yàn)提供50，80，100，120 ℃的高溫環(huán)境。

圖6 光色電綜合測(cè)試系統(tǒng)

Fig.6 Structure diagram of LED photoelectric parameter testing system

為了研究不同粘結(jié)材料對(duì)LED模塊長(zhǎng)期可靠性的影響，采用如圖7所示的光衰測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行100 ℃環(huán)境下的加速老化實(shí)驗(yàn)，記錄3種模塊長(zhǎng)時(shí)間點(diǎn)亮的光性能變化。

圖7 光衰測(cè)試系統(tǒng)

3 結(jié)果與討論

3.1 納米銀焊膏封裝大功率COB LED模塊的光電性能

圖8為納米銀焊膏粘結(jié)的LED模塊在27，50，80，100，120 ℃環(huán)境溫度下的光功率隨電流的變化關(guān)系。由圖可以看出，在小電流區(qū)域，光功率與電流基本呈線性關(guān)系；隨著電流的進(jìn)一步增大，光功率增長(zhǎng)速率逐漸減緩。這是LED芯片內(nèi)部PN結(jié)處熱量積累的結(jié)果。

此外，還可以看出，在較高的環(huán)境溫度下，相同電流對(duì)應(yīng)的光功率較低。當(dāng)電流為1 500 mA時(shí)，50，80，100，120 ℃環(huán)境下的LED模塊光功率分別比室溫下點(diǎn)亮模塊的光功率下降3.3%、17.6%、22.7%、25.7%。這是由于高溫導(dǎo)致電子與空穴復(fù)合受阻[12]。

圖8 不同溫度下的光功率-電流關(guān)系曲線

Fig.8 Plot of optical powervs. current for LED modules at various ambient temperatures

圖9給出了納米銀焊膏封裝的LED模塊在不同點(diǎn)亮電流下，發(fā)光波長(zhǎng)與溫度的變化關(guān)系。可以看出，當(dāng)點(diǎn)亮電流一定時(shí)，模塊的發(fā)光波長(zhǎng)隨溫度的變化出現(xiàn)紅移。將波長(zhǎng)隨溫度的變化數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，可以看出各電流下的波長(zhǎng)溫度系數(shù)幾乎一致，經(jīng)計(jì)算可以得到納米銀焊膏封裝COB LED模塊的波長(zhǎng)溫度系數(shù)為0.05 nm/℃。

圖9 恒定電流下的主波長(zhǎng)-溫度擬合曲線

Fig.9 Fitting plot of dominant wavelengthvs. ambient temperature at a constant current

3.2 芯片粘接材料對(duì)大功率COB LED模塊光電性能的影響

為了研究芯片級(jí)粘接材料納米銀焊膏、Sn/Ag3.0/Cu0.5焊料以及導(dǎo)電銀膠對(duì)封裝模塊光電性能的影響，我們分別測(cè)試了各模塊在不同工作環(huán)境中的發(fā)光效率，結(jié)果如圖10所示。從圖中可以看出，在各個(gè)環(huán)境溫度下，納米銀焊膏封裝的LED模塊的光效率均明顯高于Sn/Ag3.0/Cu0.5焊料和導(dǎo)電銀膠。此外，對(duì)于所有的LED模塊，其光效率均隨電流水平的提高而降低。這種現(xiàn)象與勢(shì)阱中的電子數(shù)量有關(guān)。當(dāng)電子處在勢(shì)阱中時(shí)，其勢(shì)能最小，數(shù)量比較穩(wěn)定。但隨著電流的增加，注入勢(shì)阱的電子數(shù)量逐漸增多，與此同時(shí)，越來越多的電子擴(kuò)散逸出勢(shì)阱，產(chǎn)生無輻射的電子與空穴復(fù)合，導(dǎo)致內(nèi)部量子效率的降低，從而引起光效率的下降[13-14]。

圖10 不同環(huán)境溫度下的LED器件的光效率-電流關(guān)系曲線。(a) 27 ℃; (b) 50 ℃; (c) 80 ℃; (d) 100 ℃。

Fig.10 Plots of calculated luminous efficiencyvs. current for LED modules at various ambient temperatures. (a) 27 ℃. (b) 50 ℃. (c) 80 ℃. (d) 100 ℃.

此外，從圖10中4組環(huán)境溫度下的模塊光效率對(duì)比可以看出，環(huán)境溫度越高，納米銀焊膏封裝模塊的光效率優(yōu)勢(shì)越明顯。在此，我們分別計(jì)算了當(dāng)電流注入水平為1 500 mA時(shí)，各溫度下Sn/Ag3.0/Cu0.5焊料和導(dǎo)電銀膠封裝的LED模塊的光效率較納米銀焊膏封裝模塊的降低率，計(jì)算結(jié)果見表1。在高溫環(huán)境中納米銀焊膏的優(yōu)勢(shì)之所以愈加明顯，是由于其具有更強(qiáng)的疏散內(nèi)部熱量的能力。在3種芯片粘接材料中，納米銀焊膏的熱傳導(dǎo)能力最強(qiáng)，因此相比于另外兩組LED模塊，由納米銀焊膏粘接的模塊可以更有效地向外疏散內(nèi)部熱量，且在高溫環(huán)境下差別更加顯著。

表1 1 500 mA電流水平下的Sn/Ag3.0/Cu0.5焊料和導(dǎo)電銀膠封裝的LED模塊光效率較納米銀焊膏封裝模塊的降低率

Tab.1 Lumen degradation for modules die attached by Sn/Ag3.0/Cu0.5 and silver epoxy relative to the ones die attached by nanosilver paste under 1 500 mA

材料/℃錫銀銅焊料/%導(dǎo)電銀膠/%271.85.5501.97.2803.38.01005.58.8

3.3 芯片粘接材料對(duì)大功率COB LED模塊可靠性的影響

在1 000 mA電流水平下，我們對(duì)納米銀焊膏、Sn/Ag3.0/Cu0.5焊料和導(dǎo)電銀膠封裝的LED模塊進(jìn)行了100 ℃的加速老化實(shí)驗(yàn)，研究不同粘結(jié)材料對(duì)其長(zhǎng)期可靠性的影響。圖11中給出了3種材料粘結(jié)的LED模塊的光衰曲線。從圖中可以看出，3種材料封裝的LED模塊的光輸出均在短暫升高后逐漸降低，且納米銀焊膏封裝的LED模塊下降較其他兩種材料平緩。當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至1 000 h時(shí)，納米銀焊膏、Sn/Ag3.0/Cu0.5焊料和導(dǎo)電銀膠封裝的LED模塊的光通量分別下降至初始的91.5%、87.5%、87%，說明納米銀焊膏封裝的大功率LED模塊具有更優(yōu)異的長(zhǎng)期點(diǎn)亮可靠性。

圖11 100 ℃下3種封裝模塊的光衰曲線

4 結(jié) 論

采用新型的納米銀焊膏作為芯片粘結(jié)材料封裝高功率COB LED模塊，其主波長(zhǎng)變化(Δλ)與周圍溫度T呈線性關(guān)系，波長(zhǎng)溫度系數(shù)為0.05 nm/℃。與錫銀銅焊料、導(dǎo)電銀膠相比，納米銀焊膏封裝的LED模塊表現(xiàn)出最優(yōu)的光效率值，其不同環(huán)境溫度下光效率均高于前兩者，并且這種差值隨溫度的增加更加顯著；納米銀焊膏封裝LED模塊的光衰減率比前兩者明顯偏低，具有更優(yōu)異的長(zhǎng)期點(diǎn)亮可靠性。這些顯著性差異主要是由于納米銀焊膏粘結(jié)層具有較高的導(dǎo)電導(dǎo)熱率，其封裝的高功率LED器件可以更有效地將PN結(jié)處產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移到外界環(huán)境，降低結(jié)溫，進(jìn)而增強(qiáng)器件性能及延長(zhǎng)器件壽命。

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楊呈祥( 1990-)，男，山西太原人，碩士研究生，2012年于長(zhǎng)春理工大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位， 主要從事納米銀焊膏的低溫?zé)Y(jié)及性能測(cè)試方面的研究。

E-mail: aeiq560@163.com

李欣(1984-)，女，天津人，博士，2012年于天津大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事高功率電子封裝技術(shù)以及可靠性方面的研究。

E-mail： xinli@tju.edu.cn

High Power COB LED Modules Attached by Nanosilver Paste

YANG Cheng-xiang1, LI Xin1*, KONG Ya-fei1, MEI Yun-hui1, LU Guo-quan1，2

(1.SchoolofMaterialScienceandEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China;2.DepartmentofMaterialScienceandEngineering,VirginiaTech,Montgomery24060,America)*CorrespondingAuthor,E-mail:xinli@tju.edu.cn

In order to improve the thermal performance of the high-power LED, the novel nanosilver paste with higher melting temperature and thermal/electrical conductivity was used as die-attach material, and Al2O3-based ceramic substrates were used to form a high-power LED chip-on-board (COB) architecture. To compare the effect of die attach material, high power COB LED modules were packaged by nanosilver paste, traditional Sn/Ag3.0/Cu0.5 solder and silver epoxy, respectively. The photoelectricity properties of three kinds of LEDs under various ambient temperatures from 27 to 120 ℃ were measured to evaluate their thermal management. The accelerated degradation testing under 100 ℃ was measured to evaluate the reliability. The test results show that the nanosilver paste is a very promising die-attach material for high power multi-chip modules packaging.

high power LED; COB packaging; nanosilver paste; photoelectricity property; reliability

1000-7032(2016)01-0094-06

2015-09-10；

2015-11-12

天津市自然科學(xué)基金青年基金(13JCQNJC02400)資助項(xiàng)目

TN312.8

A

10.3788/fgxb20163701.0094