基板材料对大功率LED组件可靠性的影响

作者: Alpha Assembly Solutions 公司:Ranjit Pandher博士, Ravi Bhatkal博士
德国 雷根斯堡,Osram Opto Semiconductors公司:Kurt-Jürgen Lang

新的大功率LED封装设计提供了高流明密度,可以通过减少LED和更小的PCB,极大地降低系统成本。材料堆迭决定了高功率LED陶瓷底座和基板(包括金属芯印制板或FR4基板)之间热膨胀系数的不匹配。基板的选择会影响热冲击/循环中焊点的可靠性。关键问题之一是:基板在LED封装-基板组件可靠性中起什么作用?本文进行的研究有助于回答这个问题。用多种焊料合金,焊接高功率陶瓷底座LED组件与铝MCPCB和FR4基板。在-40~125 ℃条件下进行 1 000个循环。在热循环期间,通过封装剪切力多次测量焊点强度。量化分析基板类型、多个焊料合金的影响,并提出建议。讨论了针对给定基板,影响可靠性的焊料合金特性和失效机制。

引言

大功率蓝光LED的开发现实了LED在普通照明中的应用。为了使LED灯比得上其他传统照明技术如白炽灯和紧凑型荧光灯(CFL),它们必须具有良好的出光效率和长的使用寿命,同时保持有竞争力的成本结构。在LED芯片设计者正在努力提高LED芯片本身的量子效率的同时,封装和组装行业也开始了探索后端工艺材料和工艺的研究,以提高性能并降低成本。

众所周知,LED芯片能有效地将电能转化为光能(科学家们正在研究新的芯片设计、材料和工艺,预计在未来效率将更高),但是还有很大一部分电能作为热量失去了[1]。将芯片上的热量传导到大气环境中,一直是LED封装行业面临的一个挑战[2]。LED散热机制与白炽灯和荧光灯到的完全不同。例如,白炽灯的灯丝温度约 2 500 ℃,而典型的LED芯片结温低于125 ℃。在白炽灯中,产生的大量多余的热量以红外(IR)辐射的形式消散了,而LED中的辐射传热过程是可以忽略的。LED散热的主要方式是通过基板传导。因此,LED封装和组装必须寻找创造性的方法,寻找从LED传导热量到大气环境的低阻热传导路径。这导致开发了新的封装材料,包括底座/基板、电路板和用于连接这些部件的材料。本文研究了基板材料对大功率LED长期可靠性的影响。

传统上,LED芯片使用芯片粘接材料安装在Al2O3 或AlN底座上。然后,用焊料将这个LED封装组装在电路板上。在新出现的封装工艺中,LED芯片通过COB工艺(chip-on-board,板上芯片)直接粘接在电路板上。在这两种封装方案中,电路板技术除了提供机械夹具和为电连接提供通路的主要作用外,还提供了从LED芯片到散热片的散热路径。因此,电路板材料的适当选择是至关重要的,因为整个堆叠的总热阻应尽可能低。热导率低的材料会导致LED的快速退化,由于在高功率的高温下工作[3]。为了最大限度地提高效率,LED在低电流下工作,限制了LED的总出光量。

表1列出了大功率LED几种常用基板和电路板的两个最重要的特性[4 ]。铝芯和铜芯MCPCBs有最好的导热系数。即使基板材料的热导率决定了它的散热能力,但是其他性能如热膨胀系数和材料强度和模量将决定其在高应力情况下的长期性能。

实验

进行了多变量综合研究。本节概述了测试媒介、LED封装和所使用的焊膏的详细情况。表2为基板材料。

封装-Oslon LED

这项研究采用市售的LED封装(Oslon LX)[4]。Oslon LED常被用于空间占用很少却需要最大的光通量和非常严格的寿命要求的应用[4]。它是一个陶瓷基座并集成底部焊端的方形LED,还有一个硬的硅树脂镜头。图1和图2给出了Oslon LED封装示意图[5]。该LED兼容无铅焊接并且可以进行表面贴装。它们的性能和设计,使它们适用于各种形式的照明和照明技术,从一般照明、工业、背光、投影和汽车应用。由于其紧凑的设计,该LED也特别适合于成簇的应用。

陶瓷底座具有决定性的优势,无论波长如何,光都是稳定的。此外,它还具有足够好的导热性,将热传导到PC板。

所使用封装的详细信息如下:

*薄膜氮化镓技术

*零件编号:LXW CNAP

*型号:LMW CNAP-6J7K-37-DF-LH

焊膏

本研究选用了两种不同的无铅合金焊膏。表3为焊膏的详细信息。表4为测试参数表。表5为评价参数。

组装

表6列出了用于LED组装的SMT设备。

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