大功率LED封装界面材料的热分析.pdf
-8-电子与封装第7 卷第6 期封 装 、组 装 与 测 试大功率LED封装界面材料的热分析*齐 昆，陈 旭（天津大学化工学院，天津 300072）摘要：基于简单的大功率LED器件的封装结构，利用ANSYS有限元分析软件进行了热分析，比较了四种不同界面材料LED封装结构的温度场分布。同时对纳米银焊膏低温烧结和Sn63Pb37连接时的热应力分布进行了对比，得出纳米银焊膏低温烧结粘接有着更好的热机械性能。关键词：大功率LED；界面材料；热分析；热应力；纳米银焊膏低温烧结中图分类号：TN305.94文献标识码：A文章编号：1681-1070（2007）06-0008-05Thermal Analysis of Interface Materials in High-power Light-emitting Diode PackagesQI Kun,CHEN Xu（School of Chemical Engineering and Technology,Tianjin University,Tianjin 300072,China）Abstract:Based on a simple-structure package,thermal analysis with ANSYS software for high-power LED waspresented.Temperature fields of different interface materials were compared.Compared with thermal stressesfields of low-temperature nanosilver sintered paste and Sn63Pb37 interface materials.The result showed thatthe novel low-temperature nanosilver sintering technology had better thermomechanical properties.Key words:high-power LED;interface materials;thermal analysis;thermal stress;low-temperature nanosilversintering收稿日期：2006-12-28*基金项目：国家杰出青年基金-海外青年学者合作基金（50528506）及高等学校学科创新引智计划资助（B06006）1 引言随着超大规模集成电路的发展和电子组装密度的不断提高，单位体积的发热量越来越高。器件的失效往往与其工作温度密切相关。有资料表明，器件的工作温度每升高 10，其失效率增加 1 倍1。现今，随着芯片技术的日益成熟，单个LED芯片的输入功率可以进一步提高到5W，甚至更高，所以防止LED的热量累积变得越来越重要。若不能有效地耗散这些热量，随之而来的热效应将会变得非常明显，致使结温升高，直接减少芯片出射的光子，降低取光效率。温度的升高也会使芯片的发射光谱发生红移，使色温质量下降，尤其是对基于蓝光LED激发黄色荧光粉的白光LED器件更为严重，其中荧光粉的转换效率也会随着温度升高而降低。同时，在工作过程中由于芯片的重复发热，功率模块会不断经历热循环载荷的作用，由于不同材料的热膨胀系数（CTE）不匹配，会产生层间热应力，发生翘曲、裂纹，甚至产生失效和破坏，这也是导致功率模块最终失效的一个主要原因。因此，由于温度升高而产生的各种热效应会严重影响到LED器件的使用寿命和可靠性，对基本结构进行热和热应力的分析和估算就变得异常关键。目前已出现了多种新型的芯片封装连接技术，它们从高可靠性、高导电率和良好的热传导性能等诸多方面体现出了强大的优势2。在功率电子封装中，新出现的纳米银焊膏低温烧结连接技术3,4就是一个典型的代表，它相比于以往的连接形式（如引线键合等）和连接材料（钎焊等），在结构上更简单，在导电、导热等方面显示出更好的性能。本文运用ANSYS有限第7 卷，第6 期Vol.7，No.6电子与封装ELECTRONICS&PACKAGING总 第50期2007 年6 月-9-第7 卷第6 期元分析软件，主要针对芯片-粘接材料-基板这一基本结构，对几种不同界面材料下的热传导效果进行对比与分析，同时以其中两种界面材料为例从热应力分布方面比较了不同界面材料热机械性能的优劣。2 结构与模型在实际的封装中，基板的形状和型式多种多样，在热分析中只需考虑粘接层附近一定区域内的情况，因此可将基板简化为一个长方形薄板以简化热分析过程。此外，在实际情况中，芯片-粘接层-基板这一基本结构的基板下面会装有散热装置（如热沉、散热器等）来转移其工作过程中产生的热量5。本文中将LED封装结构简化为如图1所示的基本模型来进行热分析，并在基板下表面施加较大的空气对流系数来模拟相应的散热装置所能够达到的散热效果。进行基本的热分析时主要考虑芯片-粘接层-基板这一热传导路径。3 有限元法热分析过程3.1 材料性能在本文的ANSYS热分析中做出了一些假设，如材料均匀且各向同性，粘接良好。同时，将芯片和基板近似看作是线弹性的。进行温度场计算时，比较了四种界面材料（纳米银焊膏、Sn20Au80、Sn63Pb37和银导电胶）的温度场分布；而在求算热应力时，仅以纳米银焊膏和Sn63Pb37两种界面材料为例来比较。考虑到中间界面材料超过屈服极限后的塑性部分，引入了纳米银焊膏和Sn63Pb37的拉伸曲线应力-应变本构关系，如图2 所示3,6。表1和表2为所涉及材料的热学和力学性能参数。需要指出的是，所取的材料热传导率是室温下的，随着工作中温度的升高，Sn63Pb37和银导电胶的热传导率会降低很多，从而导热效果会更差一些。3.2 有限元热分析步骤各层材料尺寸大小如图 1 所示，芯片尺寸为2mm2mm，厚度为0.5mm。周围环境温度假设为20（初始温度为 20）。在有限元分析中，将大小为2.5109Wm-3的生热率载荷施加于芯片实体上（相当于芯片热耗散功率5W）；同时在铜片基板下表面施加空气对流系数2 000 W（m2K）-1 7（模拟基板下面安装散热片后达到的散热效果），铜片基板四个侧面对流系数为10 W（m2K）-1。考虑到实际工作情况，忽略其他面的空气对流。将室温下（20）芯片尚未发热的状态设为零应力状态，以简化热分析过程（当连接材料为Sn63Pb37、Sn20Au80 时，不考虑其钎焊过程后所形成的残余应力）。模拟热应力时基板底面加Z向位移约束。分析温度场时采用稳态热传导分析，分析热应力分布时采用热-结构间接法来模拟。齐昆，陈旭：大功率LED 封装界面材料的热分析-10-电子与封装第7 卷第6 期4 有限元模拟结果4.1 有限元模拟温度分布对于不同的热界面连接材料，经过有限元分析模拟可以得到不同的温度场分布，如图3所示。虽然这并不一定是LED器件内部的实际温度，但是能大概得到其相对分布情况。图4为芯片背面温度分布。同时在图5中也给出了采用纳米银焊膏、Sn20Au80、Sn63Pb37和银导电胶时芯片中心沿Z轴正向厚度上的温度分布对比曲线。（a）纳米银焊膏（b）Sn20Au80（c）Sn63Pb37图3 不同界面材料下的结构温度分布/图4 芯片背面温度分布图5 不同界面材料时芯片中心沿Z轴正向厚度上温度梯度曲线LED封装最关心的是芯片的结温Tj。LED器件的结温主要由器件的环境温度、器件pn结到环境的热阻所决定。热阻是导热介质两端的温度差与通过热流功率的比，单位为W-1或KW-18。大功率LED器件的热阻为：（d）银导电胶-11-第7 卷第6 期R=（TjTc）/Q （1）由此可以得到结温的表达式：Tj=Tc+RQ （2）其中，Tc为环境温度。公式（2）表明热阻越小，在同样大小的耗散功率Q下，芯片结温升温越小；或者说在达到同样结温的条件下，能够消耗的功率更大，LED器件性能也就越好9。为了从根本上解决热量耗散的问题，关键在于得到器件内部温度场的分布，以指导器件的热设计。这里来求算芯片到环境的热阻：对于纳米银焊膏低温烧结材料，芯片中的最高温度为94.488，则结构的热阻为29.8W-1。同样求得Sn20Au80、Sn63Pb37与银导电胶连接层的热阻，如表3 所列。由此可见，纳米银低温烧结连接在导热方面有着更好的性能。4.2 有限元模拟热应力分布界面材料室温下为零应力状态，芯片工作发热达到稳定状态后，采用纳米银层和Sn63Pb37连接层时结构的von Mises等效热应力分布情况分别如图6、图7所 示。从两张图的对比可以看出，采用纳米银焊膏低温烧结层时，芯片中产生的最大von Mises热应力为64.6MPa；而采用Sn63Pb37 连接时，出现在芯片中的最大热应力为88.0MPa。从界面材料的应力分布来看，前者最大热应力为42.6MPa，后者为49.0MPa。可见纳米银焊膏作为界面材料时的热应力比Sn63Pb37的要低很多，这也意味着工作中的强度和可靠性会更高。（a）整体结构热应力分布（b）芯片背面热应力分布（c）界面材料热应力分布图 6 纳米银焊膏低温烧结层（弹性模量 9GPa）下的热应力分布（a）整体结构热应力分布（b）芯片背面热应力分布齐昆，陈旭：大功率LED 封装界面材料的热分析-12-电子与封装第7 卷第6 期（c）界面材料热应力分布图 7 Sn63Pb37 连接层（弹性模量26GPa）下的热应力分布图8（a）为两种界面材料下总体热应变分布示意图，（b）和（c）分别为两种界面材料的热应变分布，最大应变分别为 0.98%和0.88%。可见，在同样条件下纳米银焊膏低温烧结连接引起的热应变比Sn63Pb37大一些，但是其热应力仍然比Sn63Pb37小很多。封装结构中较低的热应力通常意味着较高的性能和可靠性。简单的比较反映了纳米银焊膏低温烧结由于有较低的弹性模量，从而在力学性能上有着更多的优点。（a）总体应变图（b）纳米银层应变图（c）Sn63Pb37层应变图图8 von Mises热应变分布图5 结论本文运用ANSYS有限元分析软件，针对芯片-粘接材料-基板这一基本结构，对不同界面材料条件下芯片工作发热达到稳态后的热传导效果进行了对比与分析，从温度和热应力分布两方面来对比了不同界面材料对于导热和强度的影响。可以看出，纳米银焊膏低温烧结技术作为一种新型大功率LED封装连接技术，与其他连接技术相比，有着更好的热机械性能。同时，虽然选用的模型结构近乎简单，但是从根本上反映了实际LED 封装中的基本结构工作时的热机械状态，从而为进一步的散热片等散热装置的设计提供了一个基本的参考。未来的工作将会集中于使用有限元分析软件来模拟局部热传导，模拟芯片工作发热不断经历热循环载荷作用时的热机械状况，进而能够进行热疲劳和寿命的预测。参考文献：1Arik M,Petroski J,Weaver S.Thermal challenges in thefuture generation solid state lighting applications:light emit-ting diodes C.ASME/IEEE International Packaging Tech-nical Conference,2001:113-120.2鲜飞.芯片封装技术的发展趋势J.中国集成电路,2006,2(81):73-76.3John G.Bai,Zhiye Zach Zhang,Jesus N.Calata,etal.Low-Temperature Sintered Nanoscale Silver as a Novel Semiconductor Device-Metallized Substrate Interconnect Material J.IEEE Transactions on Components and Pack-aging Technologies,2005:1-4.4陈旭，李凤琴，蔺永诚，等.高温功率半导体器件（下转第 4 8 页）-48-电子与封装第7 卷第6 期4（26）：357-360.33 范春利,曲伟,杨立,等.微槽平板热传热管性能的实验研究J.海军工程大学学报,2004,2（16）：1-4，11.34胡学功，颜晓虹，赵耀华.微槽群蒸发器在电子芯片冷却方面的应用J.化工学报，2005，3（56）:413-416.35Ponnappan RA Novel Micro-capillary Groove-wickMiniature Heat PipeCEnergy Conversion Engineer-ing Conference and Exhibit，2000（IECEC）35thIntersociety，2000.36Gillot C，Ivanova MA Novel Micro-capillaryGroove-wick Miniature Heat PipeA2004 Inter Soci-ety Conference on Thermal Phenomena，2004.作者简介：张雪粉（1 9 8 1-），女，山东人，天津大学化工学院硕士研究生，研究方向为功率电子散热技术及LED散热器优化设计。（上接第 3 9 页）连接的低温烧结技术J.电子元件与材料，2006，25(8):4-6.5钱可元，胡飞，吴慧颖.大功率白光 LED 封装技术的研究J.半导体光电，2005,26(2):118-120.6Xu Chen,Jie Song,Kwang Soo Kim.Low cycle fatiguelife prediction of 63Sn-37Pb solder under proportionaland non-proportional loadingJ.International Journal ofFatigue,2006,28(7):757-766.7Simon S.Wen,Lu Guo-Quan.Finite Element Modelingof Heat Transfer and Thermal Stresses for Three-dimen-sional Packaging of Power Electronics ModulesC.PowerElectronics and Motion Control Conference,2000.496-（上接第 1 2 页）501.8余彬海结温与热阻制约大功率 LED 发展J发光学报,2005,26(6):761-765.9马泽涛，朱大庆，王晓军一种高功率 LED 封装的热分析J半导体光电，2006,27(1):16-19.作者简介：齐昆（1982-），女，辽宁葫芦岛人，天津大学化工学院硕士研究生，主要从事功率电子封装的研究；陈旭（1962-），男，浙江衢州人，教授，博导,从事微电子封装及可靠性研究。正在迅速普及的液晶电视和等离子电视要求平板型设计，安装在其中的电子零件也要求都是“小个子”。而且，现在有许多设备内还要安装 HDD 或者 CPU 以实现多功能化，设备里产生的热量呈现出越来越多的趋势，所以要对发热加以控制。以往的模拟放大器，效率为50%左右，约有一半的电功率转变成了热，所以要安装大的散热片和冷却风扇，这就给机器的进一步薄型化带来困难。这次，ROHM 使用最先进的BiCDMOS 工艺开发出可将输出晶体管的导通电阻和布线电阻降低到最低限度的立体声 D 类放大器 LSI（BD5421EFS），实现了业界顶级水平的高效率 90%。由于使用了散热效果良好的小型背面金属封装，所以即使在不使用散热片的情况下输出功率也可以达到 34W(17W+17W)。这对设备的小型化、薄型化以及低功耗化有巨大的作用。与以前的D类功率放大器相比，BD5421EFS的输入换算噪声电压比原有产品大大降低，仅为5.6Vrms。除了能够实现低噪声的清晰音质，在声音静噪 ON/OFF 切换时，ROHM 运用独创的软切换技术把信号当作平滑的包络波形，以高音质实现了高品位的声音再现。而且BD5421EFS的PMW调制用采样时钟的主/从功能也是一个优点。D类功率放大器LSI的PWM调制用抽样时钟通常由内部的振荡电路生成。但是，5.1ch 系统那样使用多个 D 类功率放大器 LSI的情况，各个时钟频率之间的细小差异就成了产生比特噪声的原因。如果采用 ROHM 的 D 类功率放大器LSI，因为是由作为主放大器的 D 类功率放大器 LSI，向作为从属放大器的 D类功率放大器LSI供给时钟，所以可以完全同步工作。因此，能够防止产生时钟之间的比特噪声，实现清晰的音质。除了 BD5421EFS之外，ROHM 还在扩充D类音箱放大器的产品系列，包括小功率超小型封装型式和大功率型、数字输入型等从AV机器到小型便携式机器使用的各种产品。（本刊通讯员）
