Ag含量對(duì)SnBi焊料LED封裝可靠性的影響-深圳福英達(dá)
Ag含量對(duì)SnBi焊料LED封裝可靠性的影響-深圳福英達(dá)
發(fā)光二極管(LED)作為一種新型照明和顯示技術(shù)，具有高效能、體積小、壽命長(zhǎng)和低功耗等特性，廣泛應(yīng)用于家用照明、汽車指示燈、航空電子和顯示器背光單元等多個(gè)領(lǐng)域。LED技術(shù)的發(fā)展需要實(shí)現(xiàn)高功率密度和高溫能力。然而，高功率LED只有20-30%的電能轉(zhuǎn)化為光能，其余的電能以熱能散失，導(dǎo)致LED芯片過(guò)熱，影響其壽命。因此，LED的發(fā)光效率和壽命與結(jié)溫密切相關(guān)，工作溫度是決定其可靠性和耐用性的關(guān)鍵因素。另外，高溫還會(huì)給材料帶來(lái)巨大的熱應(yīng)力。
LED封裝的可靠性直接決定了其光效、壽命和穩(wěn)定性。這種可靠性主要取決于焊料的性能，因?yàn)楹噶鲜沁B接LED芯片和PCB的重要材料，需要承受LED工作時(shí)的熱應(yīng)力、電應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力。過(guò)去，常用的焊料材料是SnPb合金，但由于其含有有毒的Pb元素，不符合環(huán)保要求，所以需要尋找替代品。目前，業(yè)界較為認(rèn)可的無(wú)鉛焊料以SnAg3Cu0.5為代表，但其熔點(diǎn)較高，導(dǎo)致組裝溫度上升，對(duì)元器件和基板的耐溫性能提出了更高的要求。SnBi合金是一種低熔點(diǎn)、低成本、低毒性的焊料材料，有一定的應(yīng)用潛力，但其力學(xué)性能和電學(xué)性能較差，需要通過(guò)添加其他元素來(lái)改善。Ag是一種常用的添加元素，可以提高焊料的熔點(diǎn)、強(qiáng)度和導(dǎo)電性，但也會(huì)增加焊料的成本和脆性。因此，研究添加Ag對(duì)SnBiAg焊料在LED封裝中的可靠性影響，對(duì)于優(yōu)化焊料性能、選擇合適的焊料配比具有重要意義。
圖1. SMD表面貼裝LED封裝結(jié)構(gòu)
為了研究添加Ag對(duì)SnBiAg焊料LED封裝可靠性的影響，Myung等人采用了SnBi58、SnBi57.6Ag0.4和SnBi57Ag1三種焊料，將LED元件封裝連接在具有OSP表面處理的Cu墊的PCB上，然后在85°C下進(jìn)行了100、300、500和1000h的老化試驗(yàn)，分別測(cè)試了焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度和電流-電壓特性，并對(duì)焊點(diǎn)的微觀結(jié)構(gòu)和組成進(jìn)行了觀察和分析。
焊點(diǎn)的微觀結(jié)構(gòu)直接影響了焊點(diǎn)的機(jī)械性能和電學(xué)性能，主要取決于焊料的成分、熔化和凝固過(guò)程、界面反應(yīng)和老化條件等因素。圖2展示了85°C老化后焊點(diǎn)的SEM照片?；亓骱负笮纬蒀u6Sn5 IMC層。在SnBi57.6Ag4焊料中，存在小于1μm的Ag3Sn顆粒，而SnBi焊料中加入1%Ag后，在Cu6Sn5層上形成大的Ag3Sn IMC。
圖2. 不同老化時(shí)間的焊點(diǎn)的截面掃描電鏡顯微照片
IMC層的厚度對(duì)焊點(diǎn)的可靠性有重要影響，一般來(lái)說(shuō)，過(guò)厚的IMC層會(huì)增加焊點(diǎn)的脆性和應(yīng)力集中，導(dǎo)致焊點(diǎn)的失效。圖3顯示了CuSn65 IMC厚度隨老化時(shí)間的變化。老化300小時(shí)后，SnBi58焊料的Cu6Sn5 IMC厚度明顯高于SnBi57.6Ag0.4和SnBi57Ag1焊料。這是由于焊料中添加的Ag與Sn反應(yīng)形成了Ag3Sn IMC，消耗了焊料基體中的Sn，因此Cu沒(méi)有與Sn充分反應(yīng)而導(dǎo)致IMC的厚度相對(duì)低于SnBi58焊料。
圖3. 焊點(diǎn)中的 IMC 厚度與老化時(shí)間的函數(shù)關(guān)系
圖4顯示了不同時(shí)間的熱老化對(duì)結(jié)合強(qiáng)度和斷裂性能的影響。結(jié)合強(qiáng)度和斷裂性能都隨著老化時(shí)間的增加而降低，這可能是由于隨著老化時(shí)間的增加，Cu6Sn5 IMC層的生長(zhǎng)以及富錫相和富鉍相的粗化所致。當(dāng)Ag含量為1wt%時(shí)，結(jié)合強(qiáng)度和斷裂性能的值更高，即焊點(diǎn)的可靠性更高。
圖4.不同焊料合金成分焊點(diǎn)的結(jié)合強(qiáng)度(a)和斷裂性能(b)
圖5顯示LED封裝I-V曲線與老化時(shí)間的關(guān)系。通過(guò)斜率計(jì)算焊點(diǎn)電阻，添加Ag后，SnBi58和SnBi57Ag1焊點(diǎn)電阻相差約4%。然而，隨老化時(shí)間增加而導(dǎo)致IMC層生長(zhǎng)，SnBi58和SnBi57Ag1焊點(diǎn)電阻分別增加了3.4%和2.2%，即隨著老化時(shí)間增加，焊點(diǎn)電阻率增加。焊點(diǎn)的電阻率對(duì)LED封裝的性能有重要影響，一般來(lái)說(shuō)，電阻率越低，焊點(diǎn)的導(dǎo)電性越好，LED封裝的性能越好。
圖5. LED封裝的 I-V 曲線與老化時(shí)間的關(guān)系；a SnBi58 和 b SnBi57Ag1 焊點(diǎn)
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Myung, W.-R., Ko, M.-K., Kim, Y., & Jung, S.-B. (2015). Effects of Ag content on the reliability of LED package component with Sn–Bi–Ag solder. Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 26(11), 8707–8713. doi:10.1007/s10854-015-3546-6
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