摘要：針對(duì)倒裝芯片（Flipchip）大功率發(fā)光二極管器件，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(dǎo)系數(shù)與粘接材料熱阻的關(guān)系曲線，以三類典型粘接材料為例計(jì)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(duì)大功率LED的熱阻存在較大影響的結(jié)論。

　　1 引言

　　1998年美國Lumileds Lighting公司封裝出世界上第一個(gè)大功率LED （1W LUXOEN 器件），使LED器件從以前的指示燈應(yīng)用變成可以替代傳統(tǒng)照明的新型固體光源，引發(fā)了人類歷史上繼白熾燈發(fā)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(gè)器件的光通量也從不到1個(gè) lm飛躍達(dá)到十幾個(gè)lm。大功率LED由于芯片的功率密度很高，器件的設(shè)計(jì)者和制造者必須在結(jié)構(gòu)和材料等方面對(duì)器件的熱系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

　　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(xué)”為代表的藍(lán)寶石；一類是美國CREE公司為代表的SiC 襯底。傳統(tǒng)的藍(lán)寶石襯底GaN 芯片結(jié)構(gòu)如圖1 所示，電極剛好位于芯片的出光面。在這種結(jié)構(gòu)中，小部分p-GaN 層和“發(fā)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(dǎo)率要求在p-GaN層表面再沉淀一層電流擴(kuò)散的金屬層。這個(gè)電流擴(kuò)散層由N i和A u組成，會(huì)吸收部分光，從而降低芯片的出光效率。為了減少發(fā)射光的吸收，電流擴(kuò)展層的厚度應(yīng)減少到幾百納米。厚度的減少反過來又限制了電流擴(kuò)散層在p-GaN 層表面均勻和可靠地?cái)U(kuò)散大電流的能力。

　　

　　因此這種p 型接觸結(jié)構(gòu)制約了LED 芯片的工作功率。同時(shí)這種結(jié)構(gòu)pn結(jié)的熱量通過藍(lán)寶石襯底導(dǎo)出去，導(dǎo)熱路徑較長，由于藍(lán)寶石的熱導(dǎo)系數(shù)較金屬低（為3 5 W / m ·K ），因此，這種結(jié)構(gòu)的L E D芯片熱阻會(huì)較大。此外，這種結(jié)構(gòu)的p電極和引線也會(huì)擋住部分光線進(jìn)入器件封裝，所以，這種正裝LED芯片的器件功率、出光效率和熱性能均不可能是最優(yōu)的。為了克服正裝芯片的這些不足，L u m i l e d s Lighting公司發(fā)明了倒裝芯片（Flipchip）結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。在這種結(jié)構(gòu)中，光從藍(lán)寶石襯底取出，不必從電流擴(kuò)散層取出。由于不從電流擴(kuò)散層取光，這樣不透光的電流擴(kuò)散層可以加厚，增加Flipchip的電流密度。同時(shí)這種結(jié)構(gòu)還可以將pn結(jié)的熱量直接通過金屬凸點(diǎn)導(dǎo)給熱導(dǎo)系數(shù)高的硅襯底（為1 4 5 W / m ·K ），散熱效果更優(yōu)；而且在p n結(jié)與p 電極之間增加了一個(gè)反光層，又消除了電極和引線的擋光，因此這種結(jié)構(gòu)具有電、光、熱等方面最優(yōu)的特性。本文僅對(duì)藍(lán)寶石GaN倒裝芯片的襯底粘接材料對(duì)大功率LED器件熱特性的影響進(jìn)行分析。

　　2 基于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(tǒng)熱性能的一個(gè)主要參數(shù)是系統(tǒng)的熱阻。熱阻的定義為：在熱平衡的條件下，兩規(guī)定點(diǎn)（或區(qū)域）溫度差與產(chǎn)生這兩點(diǎn)溫度差的熱耗散功率之比。熱阻符號(hào)：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(nèi)部結(jié)構(gòu)以及外部應(yīng)用結(jié)構(gòu)如圖3所示[2,3]。

　　大功率LED芯片電極上焊接的數(shù)個(gè)BUMP（金球）與Si襯底上對(duì)應(yīng)的BUMP通過共晶焊接在一起，Si襯底通過粘接材料與器件內(nèi)部熱沉粘接在一起。為了有較好的取光效果，熱沉上制作有一個(gè)聚光杯，芯片安放在杯的中央，熱沉選用高導(dǎo)熱系數(shù)的金屬材料如銅或鋁。穩(wěn)態(tài)時(shí)LED熱阻的等效連接如圖4所示。

　　根據(jù)熱阻的定義，可以得出

　　式中，T_j 、T_a ————分別對(duì)應(yīng)LED 器件pn 結(jié)和器件周圍環(huán)境溫度；

　　R _{Θ JA} —— LED 器件pn 結(jié)到環(huán)境溫度之間的熱阻；

　　P_D ——器件的熱耗散功率，在這里約等于器件的電輸入功率，即P_D = V_F × I_F。

　　根據(jù)熱阻的運(yùn)算性質(zhì)，得出如下公式

　　式中，R_ΘJC ——器件的內(nèi)部熱阻；

　　R_ΘCA——器件的外部熱阻。

　　式中，R_ΘDie —— 倒裝芯片的熱阻；

　　R_ΘAttach —— 芯片Si 襯底粘接焊料熱阻；

　　R_ΘHC ——器件內(nèi)部熱沉的熱阻。

　　式中，R_ΘCB——器件內(nèi)部熱沉與金屬線路板之間的接觸熱阻；

　　R_ΘBoard ——金屬線路板的熱阻；

　　R_ΘBA ——金屬線路板至環(huán)境溫度之間的熱阻。

　　3 襯底粘接材料對(duì)大功率L E D熱特性的影響

　　L E D 倒裝芯片被粘在管座（器件內(nèi)部熱沉）里，可以通過三種方式：導(dǎo)熱膠粘貼、導(dǎo)電型銀漿粘貼和錫漿粘貼。導(dǎo)熱膠的硬化溫度一般低于150℃，甚至可以在室溫下固化，但導(dǎo)熱膠的熱導(dǎo)率較小，導(dǎo)熱特性較差。導(dǎo)電型銀漿粘貼的硬化溫度一般低于200℃，既有良好的熱導(dǎo)特性，又有較好的粘貼強(qiáng)度。錫漿粘貼的熱導(dǎo)特性是三種方式中最優(yōu)的，一般用于金屬之間焊接，導(dǎo)電性能也非常優(yōu)越。

　　在大功率LED 器件的封裝中，生產(chǎn)廠家容易忽略襯底粘接材料對(duì)器件熱導(dǎo)特性的影響。其實(shí)襯底粘接材料在影響器件熱導(dǎo)特性因素中是一個(gè)比較重要的因素，如果處理不好，將使得LED 的熱阻過大，導(dǎo)致在額定工作條件下器件的結(jié)溫過高，導(dǎo)致器件的出光效率下降、可靠性降低。設(shè)倒裝芯片襯底的橫截面積為A （m 2 ），粘接材料的熱導(dǎo)系數(shù)為λ（W / m ·K ），粘接材料的高度為h （ m ），則粘接材料的熱阻為

　　下面我們以臺(tái)灣國聯(lián)光電公司的Flipchip為例進(jìn)行分析。國聯(lián)的芯片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(dǎo)系數(shù)為λ對(duì)粘貼材料熱阻的影響。

　　當(dāng)h= 2 0 μ m 時(shí)，則

　　當(dāng)h= 4 0 μ m 時(shí)，則

　　當(dāng)h=100 μ m 時(shí)，則

　　這三種情況的熱阻與熱導(dǎo)系數(shù)的關(guān)系曲線如圖5所示。從圖中可以看出，當(dāng)選用鉛錫焊料63Sn/37P_b ，λ =39W/m ·K ，同時(shí)其厚度等于20 μ m時(shí)，R _{θ Attach} 等于0.026（K / W），即使其厚度為100 μ m，R _{Θ Attach} 也只等于0.131（K/W）；當(dāng)選用熱沉粘接膠Ablefilm 5020K，λ =0.7W/m·K，同時(shí)其厚度等于20 μ m 時(shí)，R _ΘAttach 等于1.457（K/W），當(dāng)其厚度為100 μ m 時(shí)，R _{Θ Attach} 等于7.286（K / W ）； 當(dāng)我們選用導(dǎo)電型芯片粘接膠Ablebond 84-1LMISR4，λ =2.5W/m·K，同時(shí)其厚度等于20 μ m 時(shí)，R _ΘAttach 等于0.408（K/W），當(dāng)其厚度為100 μ m 時(shí)，R _{Θ Attach} 等于2.041（K/W ）。因此，選用不同的粘接材料對(duì)其熱阻存在很大的影響，同時(shí)，在印刷或涂敷芯片粘接材料時(shí)，如何降低材料厚度也十分重要。

　　4 結(jié)語

　　LED 芯片結(jié)溫最高允許125℃，如果其最差工作環(huán)境溫度為65℃，則對(duì)一個(gè)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(jié)至器件的熱阻應(yīng)小于2 0 （K /W ）。而對(duì)一個(gè)5 W 的大功率L E D 來說，如果其最差工作環(huán)境溫度為65℃，則從pn 結(jié)至環(huán)境的熱阻要小于12 K/W才能保證芯片結(jié)溫不超過125℃，而如果選用Ablefilm 5020K熱沉粘接膠，λ=0.7W/m·K 同時(shí)其厚度為100 μ m ，僅芯片粘貼材料的熱阻RΘ _{A t t a c h}就等于7 . 2 8 6 （K / W ）。因此，在Flipchip 大功率LED器件的封裝中，選用合適的芯片襯底粘貼材料并在批量生產(chǎn)工藝中保證粘貼厚度盡量小，對(duì)保證器件的可靠性和出光特性是十分重要的。