金錫焊料在功率LED器件上的應(yīng)用

隨著 LED 技術(shù)的不斷發(fā)展，LED 的光效和亮度也不斷提高，尤其是在固態(tài)照明領(lǐng)域，大功率LED的市場(chǎng)需求持續(xù)增長(zhǎng)。大功率LED器件具有高亮度、高效率、長(zhǎng)壽命、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也面臨著散熱、可靠性等方面的挑戰(zhàn)。為了解決這些問題，金錫焊料作為一種高性能的釬焊材料，以其高強(qiáng)度、高熱導(dǎo)率、無需助焊劑等特點(diǎn)，成為了大功率LED器件的封裝和連接的理想選擇。本文將介紹金錫焊料的物理性能，以及它在大功率LED器件上的應(yīng)用和優(yōu)勢(shì)。

LED芯片封裝形式
目前，LED芯片的封裝形式主要有兩種：正裝（焊線式） LED 和倒裝芯片（FC）LED。相比于焊線式 LED，倒裝芯片 LED 有著更好的散熱性、可靠性和焊接效率。倒裝芯片 LED，特別是大功率倒裝芯片 LED，符合了 LED 封裝向高密度、低成本發(fā)展的趨勢(shì)。倒裝芯片 LED 的封裝方式是將 LED 芯片的發(fā)光面朝下，直接鍵合到散熱基板上，這樣可以縮短熱傳導(dǎo)路徑，降低熱阻，提高散熱效率。同時(shí)，由于省去了焊線，也減少了電阻和電感，提高了電性能。此外，倒裝芯片 LED 的封裝結(jié)構(gòu)也更加緊湊和穩(wěn)定，有利于提高 LED 的光學(xué)性能和可靠性。

圖1. 焊線式（正裝） LED（右） 和倒裝芯片（FC）LED封裝（左）結(jié)構(gòu)

大功率LED器件面臨的主要挑戰(zhàn)
由于 LED 芯片的發(fā)光效率仍然較低，大部分輸入的電能轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致芯片的結(jié)溫升高。結(jié)溫的升高不僅會(huì)降低 LED 的發(fā)光效率和穩(wěn)定性，還會(huì)加速 LED 的老化和失效，影響其壽命和可靠性。因此，如何有效地將芯片產(chǎn)生的熱量迅速導(dǎo)出，降低結(jié)溫，是大功率 LED 封裝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。功率LED器件在工作時(shí)主要面臨以下兩個(gè)方面的挑戰(zhàn)：
（1）散熱問題。大功率LED器件在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，如果不能及時(shí)有效地散發(fā)出去，會(huì)導(dǎo)致器件的溫度升高，從而影響器件的光輸出、光色、穩(wěn)定性和壽命。因此，大功率LED器件的散熱設(shè)計(jì)是一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)問題，需要考慮器件的結(jié)構(gòu)、材料、封裝、連接等多個(gè)方面。
（2）可靠性問題。大功率LED器件在工作時(shí)會(huì)承受較大的電流、電壓、溫度、濕度、機(jī)械應(yīng)力等多種因素的影響，這些因素可能導(dǎo)致器件的老化、損壞、失效等現(xiàn)象，降低器件的可靠性。
為了解決這些挑戰(zhàn)，大功率LED器件的封裝互連技術(shù)發(fā)揮著重要的作用。芯片與焊盤的機(jī)械和電氣互連影響著器件的散熱、可靠性。因此，選擇合適的封裝和連接材料和方法，是提高大功率LED器件性能的關(guān)鍵。

金錫焊料
金錫焊料是一種二元金屬間化合物，由80%wt的Au和20%wt的Sn共晶生成，熔點(diǎn)為 280 ℃，具有以下優(yōu)勢(shì)：
（1）高熔點(diǎn)。金錫焊料的熔點(diǎn)為280℃，比一般的軟釬焊料高，能夠在較高的溫度下保持接頭的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。金錫焊料的熔點(diǎn)也接近于一些常用的電子封裝材料，如陶瓷、鎢銅等，這使得金錫焊料能夠與這些材料良好地匹配，避免了熱應(yīng)力和熱疲勞的問題。
（2）高強(qiáng)度。金錫焊料的強(qiáng)度高于一般的軟焊料，其室溫下的屈服強(qiáng)度可達(dá)47.5MPa，即使在250-260℃的高溫下，其強(qiáng)度仍然可以滿足一些高可靠性電子器件的要求。金錫焊料的高強(qiáng)度使得其能夠承受較大的機(jī)械應(yīng)力和熱沖擊，提高了接頭的可靠性和耐久性。
（3）高熱導(dǎo)率。金錫焊料的熱導(dǎo)率為57W/m·k，在軟釬焊料中屬于較高水平，因此金錫焊料能夠有效地將焊接部位的熱量傳導(dǎo)出去，降低了器件的溫升，改善了器件的散熱性能。尤其對(duì)于一些大功率LED器件，金錫焊料能夠形成一個(gè)快速的傳熱通道，減少了熱阻，提高了光效和壽命。
（4）無需助焊劑。金錫焊料由于其高金含量，具有良好的抗氧化性能，其表面的氧化程度較低，因此在焊接過程中無需使用化學(xué)助焊劑。
金錫焊料在大功率LED芯片的封裝中主要應(yīng)用于芯片鍵合技術(shù)和芯片級(jí)封裝技術(shù)中，其作用是將芯片與基板或引線連接，形成一個(gè)牢固的接頭，同時(shí)將芯片的熱量傳導(dǎo)出去，提高芯片的散熱性能和可靠性。

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審核編輯 黃宇