金锡焊料在功率LED器件上的应用

时间: 2024-07-12 16:44:06 |   作者: 焊锡溶剂

  随着 LED 技术的持续不断的发展，LED 的光效和亮度也逐步的提升，尤其是在固态照明领域，大功率LED的市场需求持续增长。大功率LED器件具有高亮度、高效率、长寿命、环保等优点，但同时也面临着散热、可靠性等方面的挑战。未解决这样一些问题，金锡焊料作为一种高性能的钎焊材料，以其高强度、高热导率、无需助焊剂等特点，成为了大功率LED器件的封装和连接的理想选择。本文将介绍金锡焊料的物理性能，以及它在大功率LED器件上的应用和优势。

  目前，LED芯片的封装形式主要有两种：正装（焊线式） LED 和倒装芯片（FC）LED。相比于焊线式 LED，倒装芯片 LED 有着更好的散热性、可靠性和焊接效率。倒装芯片 LED，特别是大功率倒装芯片 LED，符合了 LED 封装向高密度、低成本发展的趋势。倒装芯片 LED 的封装方式是将 LED 芯片的发光面朝下，直接键合到散热基板上，这样做才能够缩短热传导路径，降低热阻，提高散热效率。同时，由于省去了焊线，也减少了电阻和电感，提高了电性能。此外，倒装芯片 LED 的封装结构也更加紧凑和稳定，有利于提高 LED 的光学性能和可靠性。

  图1. 焊线式（正装） LED（右） 和倒装芯片（FC）LED封装（左）结构

  由于 LED 芯片的发光效率仍然较低，大部分输入的电能转化为热能，导致芯片的结温升高。结温的升高不仅会降低 LED 的发光效率和稳定能力，还会加速 LED 的老化和失效，影响其寿命和可靠性。因此，如何有效地将芯片产生的热量迅速导出，降低结温，是大功率 LED 封装设计的关键。功率LED器件在工作时主要面临以下两个方面的挑战：

  （1）散热问题。大功率LED器件在工作时会产生大量的热量，若无法及时有效地散发出去，会导致器件的温度上升，进而影响器件的光输出、光色、稳定性和寿命。因此，大功率LED器件的散热设计是一个关键的技术问题，需要仔细考虑器件的结构、材料、封装、连接等多个方面。

  （2）可靠性问题。大功率LED器件在工作时会承受较大的电流、电压、温度、湿度、机械应力等多种因素的影响，这一些因素可能会引起器件的老化、损坏、失效等现象，降低器件的可靠性。

  为了解决这些挑战，大功率LED器件的封装互连技术发挥着重要的作用。芯片与焊盘的机械和电气互连影响着器件的散热、可靠性。因此，选择正真适合的封装和连接材料和方法，是提高大功率LED器件性能的关键。

  金锡焊料是一种二元金属间化合物，由80%wt的Au和20%wt的Sn共晶生成，熔点为 280 ℃，具有以下优势：

  （1）高熔点。金锡焊料的熔点为280℃，比一般的软钎焊料高，能够在较高的温度下保持接头的强度和稳定能力。金锡焊料的熔点也接近于一些常用的电子封装材料，如陶瓷、钨铜等，这使得金锡焊料能够与这些材料良好地匹配，避免了热应力和热疲劳的问题。

  （2）高强度。金锡焊料的强度高于一般的软焊料，其室温下的屈服强度可达47.5MPa，即使在250-260℃的高温下，其强度仍旧能满足一些高可靠性电子器件的要求。金锡焊料的高强度使得其可承受较大的机械应力和热冲击，提高了接头的可靠性和耐久性。

  （3）高热导率。金锡焊料的热导率为57W/m·k，在软钎焊料中属于较高水准，因此金锡焊料能够有效地将焊接部位的热量传导出去，降低了器件的温升，改善了器件的散热性能。尤其对于一些大功率LED器件，金锡焊料能够形成一个快速的传热通道，减少了热阻，提高了光效和寿命。

  （4）无需助焊剂。金锡焊料由于其高金含量，拥有非常良好的抗氧化性能，其表面的氧化程度较低，因此在焊接过程中无需使用化学助焊剂。

  金锡焊料在大功率LED芯片的封装中主要使用在于芯片键合技术和芯片级封装技术中，其作用是将芯片与基板或引线连接，形成一个牢固的接头，同时将芯片的热量传导出去，提高芯片的散热性能和可靠性。

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