高性能电子互连材料特性—技术与挑战

作者:Alpha Assembly Solutions:Nicholas Herrick,Amit Patel,Gyan Dutt,Ranjit Pandher

 在本文中,我们将讨论在多层堆叠中进行精确的热阻测量的技术和设计挑战。本实验室研究结果显示了用各种互连材料组装的相同器件的性能比较。介绍了一个利用高导热性互连材料增强紫外LED器件性能的实例。

引言

在LED工作过程中,合适的冷却需要高性能的互连,以将热量从p-n结(发光区)传导出去。高性能的互连降低了LED的结温,并提高了效率。当20%~60%的电能被转换成光子时,其余部分的电能被转换成了热。在实验室环境和灯具中,在芯片上的对流是可以忽略的或不存在的。取而代之的是,几乎所有的热都通过芯片、芯片粘接层、衬底、电介质、衬底基材(通常是FR4、铝或铜,如图1所示)向下传导[1,2]。热量通过热界面材料进入散热器,消散到周围环境中。这些叠层中的任何一层都可能成为热传递的瓶颈,特别是在横截面面积较小的材料堆叠的顶部。因此,这些叠层必须具有高导热性以有效地冷却LED[3]。测量整个LED叠层的热阻(Rth)来评价其热性能,单位为K/W(或等效地,℃/W)。

烧结银作为芯片粘接材料

这里所使用的烧结纳米银浆是为无压力芯片粘接和电子元件组装而设计的,包括高功率LED。该材料适用于典型的SMT制造工艺,如印刷和点涂。然而,它必须在高温炉下烧结。在高温烧结过程中,银浆从溶剂中脱出,相邻的纳米颗粒分散团聚在一起形成多孔结构,如图2所示。

一旦银浆被印刷、点涂或压印,LED将通过标准的SMT贴片机或芯片粘接器放置在沉积层上。这是可能的,因为这种烧结银浆是无需压力的,这意味着在烧结过程中不需要许多压力来形成银粘接。

散装银的热导率为429 W/(m•K),但由于纳米孔的原因,烧结银的预期导热率较低。散装烧结银的Nano-flash热导率测量值约为230 W/(m•K)。烧结银芯片粘接层的导热系数将基于纳米银粒子尺寸、浆料中使所用的溶剂和树脂、组装压力、烧结温度和持续时间。

混合银烧结材料

另一种高性能芯片粘接技术被称为混合银烧结[4]。这是基于环氧树脂的材料,结合了纳米银烧结材料的高导热性以及填充银环氧树脂的高附着力特性。它们由微米大小的银片和有机物和聚合物组分组成。在固化过程中,它们将相邻的薄片拉在一起,促进接触和烧结。它们具有高热导率(高达150 W/(m•K)),且可在无压力下组装并粘接到裸基板(反之焊料和纳米银烧结浆料都要求金属化表面)。固化混合银烧结材料是在一个箱形炉中分两个步骤完成的,典型的峰值温度为200~250 ℃,持续1~2 h。

高性能测量的衬底设计

与所有其他LED热堆叠材料相比,电介质具有高热阻。这限制了结温测量精度,并且完全妨碍了高性能芯片粘接材料的测量。使用带有有源基座的金属基板可以消除介质层,并允许从LED到散热器的直接散热路径(如图3所示)。

在我们的高性能互连研究中,我们使用无电介质衬底。高功率垂直LED通过芯片粘接材料直接粘接到金属衬底上。然后,来自芯片的热量大致以一维方式热传导到衬底中。通过改变芯片粘接层的厚度,我们可以分离出其对材料堆叠的影响。

衬底被固定在一个恒定的25℃的热电散热器上,使用高度适形的铟(热导率K = 81.8 W/(m•K))薄带作为热界面材料。

测量技术

概述

可以通过电学和光学测试直接测量LED叠层的热阻。两者都有行业标准。要实现较高的精度和准确性取决于测试设备的复杂性。测量芯片粘接材料层的热导率需要更高精度的方法。

结温

LED的结温是p-n结的温度。这不应该与焊点温度混淆,焊点温度是焊盘温度。我们通过JESD 51-1[5]中所概述的动态电压法测量LED的结温,为了计算结温度,需要首先测量LED的温度灵敏度参数,这也被称为k因子。

k-因子是通过测量在低功率下运行的一系列已知温度的LED的电压来确定的。为了避免自加热,通过LED的电流应该低于二极管的自加热阈值。JESD 51-1将该值指定为二极管I-V曲线的膝盖以下。

为了达到最好的效果,除了最简单的情况外,LEDs还应该放在烘箱里,以确保已知的结温。这种情况是例外情况,如果LED芯片粘接叠层具有足够的热传导性能,允许在热板上进行k因子校准。一般来说,LED封装热板校准有过大的热阻。同样BIN的裸LED芯片具有非常相似的k因子,因此测量少数几个,就可给出其余的合理的近似值。

一旦已知k因子,加电流通过LED,使其与恒温的散热器达到热平衡。一旦达到热平衡,测量电压以确定电功率。然后关闭LED加热电流,施加检测电流。当LED冷却到散热器的温度时,电压上升到与散热器温度相对应的基准电压。这种冷却行为的持续时间取决于LED组件的总热阻,可以从数百微秒到数秒不等。电流开关之后即刻的LED电压被称为检测电压。然后使用以下方程计算结温:

式中:VR是LED的基准电压。

VS是LED从加热切换到检测电流后的检测电压。

k是温度敏感参数,单位为V/℃。

THS是散热器温度,单位为℃。

我们测量了LED在几个工作电流下的结温,并在积分球中测量了LED的光学效率。LED的热功率是电功率和光功率之间的差值。这是每单位时间电能转化为热量的量。知道这个量和几个工作电流下的结温,我们就可以计算出LED组件和测试系统的热阻:

式中:Tj是结温,单位为℃。

Ph是LED的热功率,单位为W。

Rth是LED组件的热阻,单位为℃/W(等同于K/W)。

THS是散热器的温度,单位为℃。

芯片粘接对结温的影响

图4给出了在无电介质衬底上大功率垂直红色LED组件中所使用的芯片粘接材料的比较。这些试样的结构是完全相同的,只是芯片粘接材料不同。选择代表该特定材料的理想工艺条件的试样的粘结层厚度(BLT),以便形成使用性能更好的图片 (见表1)。

纳米银的粒度、浆料流变性和工艺参数都决定了烧结银芯片粘接材料的最终热性能。在图4中,两种烧结银材料在3.0 W时结温相差8%。在相同输入功率下进行比较,混合银烧结环氧树脂高出5%,SAC305高出10%。随著功率的增加,芯片粘接材料之间的差异越来越明显。

粘接层厚度

芯片粘接层厚度(BLT)是LED组件的一个关键特性。较厚的BLT缓解热应力,但有更高的整体热阻。我们通过横截面和垂直测量显微镜两种方式测量了LED的BLT。

*横截面—为了能够直接光学检查芯片粘接层厚度,切片横剖LED。这是测量芯片粘接层厚度的最精确方法,但不允许对芯片进行倾斜测量,因为它是一个贯穿整个芯片的薄片。图3是一个LED切片横剖的实例。

*垂直测量显微镜—采用测量显微镜光学测量一个完整的LED组件的粘接层厚度。这种类型的显微镜具有非常狭窄的景深和一校准聚焦轴。通过将显微镜聚焦于一个表面,使z轴归零,然后重新聚焦于一个新的表面,用户可以测量两者之间的垂直距离。

此过程需要知道关于LED封装的一些信息,具体地,LED芯片的厚度和芯片粘接层底部的平面位置。如果这些是已知的,那么通过测量两者之间的垂直距离并减去芯片厚度,我们就可以计算出BLT。对所有四个角进行这些测量,可以看出芯片的倾斜迹象。在实际应用中,该方法的精度可达到±5 μm以内。

热阻结果

我们测量了80个组装在无电介质基板上的高功率垂直红色LED的结温。如图4所示,这些LED除了芯片粘接材料之外,芯片组装都是相同的。

绘制这些LED的热阻与它们的BLT关系图,给出了热堆叠的性能比较,如图5所示。拟合线的斜率与芯片粘接材料的热导率成正比。烧结银显示出最低的热阻值,特别是在效果被夸大的高BLT的情况下。BLT较小时测量值发生重叠。这可能是由于测量精度低,因为图4显示了在高电功率下芯片粘接材料之间有明显区别。一般来说,较薄的粘接层具有更好的热性能和较小的芯片粘接材料之间的差异。…………………………需要阅读更多内容,请点击“环球SMT与封装

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