各种封装工艺比较：优化方案

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：密封材料的部分物理性质列于5.7.1节的表格中。添加无机填充物时，粘合剂必须严格是导热的；而添加的金属装料必须是导电并且导热的。此外，在某些条件下，金锡合金可不使用助焊剂，降低了芯片安装时的污染风险。AlN的热导率一般比氧化铝大5～10倍，但因成本较高而应用较少。随着LED功率的增加，就5.2.6.1节中介绍的板上芯片系统而言，衬底的材料从FR4聚合物演变为绝缘金属基板和DBC。但由于有效区与基座上的焊点距离较近，会引发热机械问题。

前面几小节中阐述的散热机理表明LED封装技术的发展侧重于大幅度降低器件的热阻，热阻已经从带引脚器件的约250K/W降至“有引脚”器件的约15K/W，而“无引脚”器件的热阻甚至小于10K/W或5K/W[ARI 02]。为了获得这么低的热阻，LED制造商需要在以下几方面作出努力。

1.互连

芯片和器件内的互连得到优化以降低电阻，并且由于以下几点原因限制了发热：芯片内部电阻互连的减少，金丝及其横截面数量的增加，外部连接引脚数量的增加，连接引脚使用了金或铜等低电阻率且高热导率的材料。密封材料的部分物理性质列于5.7.1节的表格中。

2.支撑上使用的粘合材料

在少数情况下，器件可用纯金属热分界面材料（例如铟）或聚合物（例如导热脂，为了增强导热性，里面填充了无机微粒或金属微粒）机械地安装在支撑上。大多数情况下，粘合材料为导热胶或金属焊料合金。聚合物基导热胶的种类繁多，一般为环氧树脂，也可以是硅树脂或丙烯酸树脂等。此外，导热胶中还添加了无机（AlN、SiC、BN）或金属（银、镍等）填充物。添加无机填充物时，粘合剂必须严格是导热的；而添加的金属装料必须是导电并且导热的。按照当前的工艺水平，添加了无机物的普通粘合剂最大导热率为几W/m·K，而金属填充粘合剂的最大热导率已达几十W/m·K。这些最新的环氧树脂材料添加了微米和纳米大小的银微粒，其热导率达30W/m·K，这对粘合剂而言是相当高的[EPO 07]。未来将出现填充纳米碳管或金刚石的粘合剂，其导热性更好[ZWE 06]。关于各种粘合剂的更详细内容可参考文献[LIC 05、LIU 93]。我们还注意到银基粘合剂具有非常高的反射功率，非常有利于光输出。至于焊料合金，它们的热导率通常更高，一般为30～60W/m·K（见5.7.1节）。在用于支撑连接的焊料合金中，最常用的是金锡合金，与用于将器件安装于母板的常规标准无铅合金（锡银、锡银铜等）相比，金锡合金的导热性能优良且熔点更高。此外，在某些条件下，金锡合金可不使用助焊剂，降低了芯片安装时的污染风险。焊接时，通常用薄层沉积技术将合金以晶片级沉积于芯片的背面（见5.2.2节）。

3.衬底材料

对于带有金属基座的“有引脚”器件，目前铜使用得最为频繁，因为它是迄今为止热导率最高的金属（约400W/m·K）。金和银同样有相当高的热导率，但成本过高且机械强度差于铜。由于成本的原因，铝也被广泛使用，即使它的热导率要低一些。

对于“无引脚”器件，用得最频繁的陶瓷材料为氧化铝，虽然它的导热性不佳，但是它在电子学（尤其是功率电子）领域得到广泛应用且成本适中。AlN的热导率一般比氧化铝大5～10倍，但因成本较高而应用较少。随着LED市场的发展，广泛用于DBC衬底的AlN将很有可能取代氧化铝成为功率电子领域应用最广泛的陶瓷材料。多种陶瓷如氧化铍（BeO）、立方氮化硼（CBN）或金刚石都具有非常出色的导热性，但它们的应用仍受制于成本。

与金属不同，陶瓷的CTE较低，接近于构成二极管的半导体（例如GaN）和生长衬底（蓝宝石），这对于尺寸为350×350μm²～2×2mm²的超高亮度LED封装来说十分关键。最后，合成材料如铜钼和Al-SiC等实现了CTE和热导率间的折中。

随着LED功率的增加，就5.2.6.1节中介绍的板上芯片系统而言，衬底的材料从FR4聚合物演变为绝缘金属基板（IMS或MCPCB）和DBC。与DBC衬底相比，IMS有一定优势，但与陶瓷相比优势并不明显。IMS的缺点是它的CTE高于大多数陶瓷，但另一方面，金属基的绝缘层为防热层，即使它的热导率因加入了高导热性的AlN、BN、SiC等无机微粒而有所升高。

4.设计

当了解了对LED紧凑性的期望后，限制其表面的扩张是显而易见的。为了减小热阻，芯片背面和发射面都制作得很薄，典型厚度为100μm，无论其材料是垂直LED的硅和锗还是横向LED的蓝宝石。在不久的将来，芯片衬底的厚度很有可能小于50μm甚至25μm。需补充说明的是，在散热优化中，相比于标准的横向LED芯片，硅和锗衬底的垂直LED芯片是非常好的选择。

就横向倒装芯片LED结构而言，其芯片的衬底在芯片热沉的反面，这种结构的散热能力似乎很有吸引力。然而，目前芯片的连接方法使用金凸点（Au Stud Bump），虽然金具有很高的热导率并且凸点间的空间用导热粘合剂填充，但这种方法仍限制了热传导交换表面的面积。由于“+”接触和“-”接触必须是电隔离的，所以必须使用导热且电隔离的粘合剂，即使其热导率比导热且导电的粘合剂低。为了保证互连及金属基座的电隔离而使用了内插件，这是另一个不利于散热的因素。无引脚载体结构似乎更适合于倒装芯片横向LED系统，它取代了目前使用的全界面焊接的金凸点，理论上可增强散热能力。但由于有效区与基座上的焊点距离较近，会引发热机械问题。至于LED芯片，DBC SMT器件的厚度将从现在标准的1mm减小至小于500μm。

照明系统内热传递的增强可用图5-12中的热传播概念来解释，无论是母板级集成器件或器件级芯片甚或板上芯片模块，此图都是适用的。第一条热通路将热以传导方式从芯片或LED器件（1）中消耗，芯片焊接或贴装于衬底（2）上，衬底由电绝缘材料制成，上面沉积了大交换表面面积的导热层（3a）。热传播发生于LED安装位置的前侧；如果电绝缘材料（2）是导热的，热传播也会发生于背面（3b）。此技术可用于氧化铝或铜DBC衬底中。

图5-12 传导及对流或辐射热传播示意图（见彩页）

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