倒裝晶片襯底粘接材料對大功率LED熱特性的影響

摘要：針對倒裝晶片（Flipchip）大功率發光二極體器件，描述了大功率LED器件的熱阻特性，建立了Flipchip襯底粘接材料的厚度和熱導係數與粘接材料熱阻的關係曲線，以三類典型粘接材料為例計算了不同厚度下的熱阻，得出了Flipchip襯底粘接材料選擇的不同對大功率LED的熱阻存在較大影響的結論。

1 引言

1998年美國LumiledsLighting公司封裝出世界上第一個大功率LED （1W LUXOEN 器件），使LED器件從以前的指示燈應用變成可以替代傳統照明的新型固體光源，引發了人類歷史上繼白熾燈發明以來的又一場照明革命。

1W LUXOEN 器件使LED的功率從幾十毫瓦一躍超過1000毫瓦，單個器件的光通量也從不到1個 lm飛躍達到十幾個lm。

大功率LED由於晶片的功率密度很高，器件的設計者和製造者必須在結構和材料等方面對器件的熱系統進行優化設計。

目前GaN 基外延襯底材料有兩大類[1]：一類是以日本「日亞化學」為代表的藍寶石；一類是美國CREE公司為代表的SiC 襯底。

傳統的藍寶石襯底GaN 晶片結構如圖1 所示，電極剛好位於晶片的出光面。

在這種結構中，小部分p-GaN 層和「發光」層被刻蝕，以便與下面的n-GaN 層形成電接觸。

光從最上面的p-GaN 層取出。

p-GaN 層有限的電導率要求在p-GaN層表面再沉澱一層電流擴散的金屬層。

這個電流擴散層由N i和A u組成，會吸收部分光，從而降低晶片的出光效率。

為了減少發射光的吸收，電流擴展層的厚度應減少到幾百納米。

厚度的減少反過來又限制了電流擴散層在p-GaN 層表面均勻和可靠地擴散大電流的能力。

因此這種p 型接觸結構制約了LED 晶片的工作功率。

同時這種結構pn結的熱量通過藍寶石襯底導出去，導熱路徑較長，由於藍寶石的熱導係數較金屬低（為3 5 W / m ·K ），因此，這種結構的L E D晶片熱阻會較大。

此外，這種結構的p電極和引線也會擋住部分光線進入器件封裝，所以，這種正裝LED晶片的器件功率、出光效率和熱性能均不可能是最優的。

為了克服正裝晶片的這些不足，L u m i l e d s Lighting公司發明了倒裝晶片（Flipchip）結構，如圖2 所示。

在這種結構中，光從藍寶石襯底取出，不必從電流擴散層取出。

由於不從電流擴散層取光，這樣不透光的電流擴散層可以加厚，增加Flipchip的電流密度。

同時這種結構還可以將pn結的熱量直接通過金屬凸點導給熱導係數高的矽襯底（為1 4 5 W / m ·K ），散熱效果更優；而且在p n結與p 電極之間增加了一個反光層，又消除了電極和引線的擋光，因此這種結構具有電、光、熱等方面最優的特性。

本文僅對藍寶石GaN倒裝晶片的襯底粘接材料對大功率LED器件熱特性的影響進行分析。

2 基於F l i p c h i p的大功率L E D熱分析

我們知道，表征系統熱性能的一個主要參數是系統的熱阻。

熱阻的定義為：在熱平衡的條件下，兩規定點（或區域）溫度差與產生這兩點溫度差的熱耗散功率之比。

熱阻符號：Rθ或 Rth；熱阻單位：K/W或℃/ W一般倒裝型大功率LED表面貼裝到金屬線路板，也可以再安裝外部熱沉，增加散熱效果，其內部結構以及外部應用結構如圖3所示[2,3]。

大功率LED晶片電極上焊接的數個BUMP（金球）與Si襯底上對應的BUMP通過共晶焊接在一起，Si襯底通過粘接材料與器件內部熱沉粘接在一起。

為了有較好的取光效果，熱沉上製作有一個聚光杯，晶片安放在杯的中央，熱沉選用高導熱係數的金屬材料如銅或鋁。

穩態時LED熱阻的等效連接如圖4所示。

根據熱阻的定義，可以得出

式中，Tj、Ta————分別對應LED 器件pn 結和器件周圍環境溫度；

RΘ JA—— LED 器件pn 結到環境溫度之間的熱阻；

PD——器件的熱耗散功率，在這裡約等於器件的電輸入功率，即PD= VF× IF。

根據熱阻的運算性質，得出如下公式

式中，RΘJC——器件的內部熱阻；

RΘCA——器件的外部熱阻。

式中，RΘDie—— 倒裝晶片的熱阻；

RΘAttach—— 晶片Si 襯底粘接焊料熱阻；

RΘHC——器件內部熱沉的熱阻。

式中，RΘCB——器件內部熱沉與金屬線路板之間的接觸熱阻；

RΘBoard——金屬線路板的熱阻；

RΘBA——金屬線路板至環境溫度之間的熱阻。

3 襯底粘接材料對大功率L E D熱特性的影響

L E D 倒裝晶片被粘在管座（器件內部熱沉）里，可以通過三種方式：導熱膠粘貼、導電型銀漿粘貼和錫漿粘貼。

導熱膠的硬化溫度一般低於150℃，甚至可以在室溫下固化，但導熱膠的熱導率較小，導熱特性較差。

導電型銀漿粘貼的硬化溫度一般低於200℃，既有良好的熱導特性，又有較好的粘貼強度。

錫漿粘貼的熱導特性是三種方式中最優的，一般用於金屬之間焊接，導電性能也非常優越。

在大功率LED 器件的封裝中，生產廠家容易忽略襯底粘接材料對器件熱導特性的影響。

其實襯底粘接材料在影響器件熱導特性因素中是一個比較重要的因素，如果處理不好，將使得LED 的熱阻過大，導致在額定工作條件下器件的結溫過高，導致器件的出光效率下降、可靠性降低。

設倒裝晶片襯底的橫截面積為A （m 2 ），粘接材料的熱導係數為λ（W / m ·K ），粘接材料的高度為h （ m ），則粘接材料的熱阻為

下面我們以台灣國聯光電公司的Flipchip為例進行分析。

國聯的晶片submount（襯底）是邊長為55mil 的正方形，即A 為1.96 ×10-6m2。

我們來分析熱導係數為λ對粘貼材料熱阻的影響。

當h= 2 0 μ m 時，則

當h= 4 0 μ m 時，則

當h=100 μ m 時，則

這三種情況的熱阻與熱導係數的關係曲線如圖5所示。

從圖中可以看出，當選用鉛錫焊料63Sn/37Pb，λ =39W/m ·K ，同時其厚度等於20 μ m時，Rθ Attach等於0.026（K / W），即使其厚度為100 μ m，RΘ Attach也只等於0.131（K/W）；當選用熱沉粘接膠Ablefilm 5020K，λ =0.7W/m·K，同時其厚度等於20 μ m 時，RΘAttach等於1.457（K/W），當其厚度為100 μ m 時，RΘ Attach等於7.286（K / W ）； 當我們選用導電型晶片粘接膠Ablebond 84-1LMISR4，λ =2.5W/m·K，同時其厚度等於20 μ m 時，RΘAttach等於0.408（K/W），當其厚度為100 μ m 時，RΘ Attach等於2.041（K/W ）。

因此，選用不同的粘接材料對其熱阻存在很大的影響，同時，在印刷或塗敷晶片粘接材料時，如何降低材料厚度也十分重要。

4 結語

LED 晶片結溫最高允許125℃，如果其最差工作環境溫度為65℃，則對一個1W 的大功率LED來說，考慮到從大功率器件外部熱沉的熱阻一般為40（K / W），器件p n 結至器件的熱阻應小於2 0 （K /W ）。

而對一個5 W 的大功率L E D 來說，如果其最差工作環境溫度為65℃，則從pn 結至環境的熱阻要小於12 K/W才能保證晶片結溫不超過125℃，而如果選用Ablefilm 5020K熱沉粘接膠，λ=0.7W/m·K 同時其厚度為100 μ m ，僅晶片粘貼材料的熱阻RΘA t t a c h就等於7 . 2 8 6 （K / W ）。

因此，在Flipchip 大功率LED器件的封裝中，選用合適的晶片襯底粘貼材料並在批量生產工藝中保證粘貼厚度儘量小，對保證器件的可靠性和出光特性是十分重要的。