摘要：LED(Light-Emitting-Diode )以其高光效、低功耗的綠色節能優(yōu)越性，成為新時(shí)期下的主流光源。目前LED主要依賴(lài)于引線(xiàn)鍵合（Wire-Bonding）的方式將芯片電極與基板互連實(shí)現電氣連接，而鍵合線(xiàn)往往在冷熱沖擊試驗過(guò)程中出現斷裂問(wèn)題，導致LED死燈失效，嚴重影響了LED的可靠性。本文針對這一問(wèn)題，通過(guò)有限元數值分析，通過(guò)加載周期性的溫度載荷模擬LED鍵合線(xiàn)在冷熱沖擊下受到的熱載荷，分析了LED鍵合線(xiàn)在該熱載荷條件下的應力分布情況，并探討了不同引線(xiàn)線(xiàn)弧模式對鍵合線(xiàn)熱應力的影響，為L(cháng)ED引線(xiàn)鍵合的工藝優(yōu)化提供了參考。

 關(guān)鍵詞：LED；引線(xiàn)鍵合；冷熱沖擊；熱應力；數值模擬

0 序言

LED是一種直接將電能轉化為光能的半導體光源，具有節能、環(huán)保、安全、壽命長(cháng)、低功耗等特點(diǎn)，廣泛應用于指示、顯示、裝飾、背光源、普通照明等領(lǐng)域^[1]。其芯片與基板之間通常采用引線(xiàn)鍵合進(jìn)行電氣連接，即通過(guò)熱、壓力、超聲波等能量使金屬引線(xiàn)與被焊焊盤(pán)發(fā)生原子間擴散互溶，實(shí)現芯片電極-鍵合線(xiàn)-基板彼此之間的鍵合連接。

在LED的生產(chǎn)制造中，為了解、評價(jià)、分析和提高LED的環(huán)境適應性，常對LED進(jìn)行相關(guān)可靠性試驗^[2]，冷熱沖擊試驗即為其中一種。該實(shí)驗通過(guò)對LED施加周期性瞬變的冷熱溫度循環(huán)，試驗其所能承受的因熱脹冷縮所引起的化學(xué)變化或物理傷害。在該試驗中，LED鍵合線(xiàn)常成為其中的薄弱部位，其在試驗中的斷線(xiàn)與否對LED可靠性起著(zhù)關(guān)鍵性作用。

為了了解LED鍵合線(xiàn)在冷熱沖擊試驗下的斷裂機理，本文從材料的熱應力基礎理論出發(fā)，構建冷熱沖擊條件下的LED鍵合線(xiàn)模型，并通過(guò)有限元數值模擬對鍵合線(xiàn)的熱應力進(jìn)行計算分析，進(jìn)而確認鍵合線(xiàn)熱應力分布情況及影響熱應力的相關(guān)參數。

1 熱應力基礎理論

熱應力又稱(chēng)溫變應力。產(chǎn)生熱應力的必要條件是存在溫差，當溫差引起的結構形變受到約束時(shí)即可產(chǎn)生熱應力。約束有三種形式，即外部剛性約束、內部各部分之間變形約束以及不同材料之間的相互變形約束。對于LED而言，冷熱沖擊條件下，LED受到周期性的熱脹冷縮，各材料之間熱膨脹系數不同又相互約束，因此在各材料界面，極易產(chǎn)生應力集中。

根據線(xiàn)性熱應力理論，微元體的總應變由兩部分組成：一部分由溫度變化引起，另一部分由應力引起，即：   

     根據傳熱學(xué)原理，一維等截面桿由溫度產(chǎn)生的結構形變（即熱應變）為： 

其中，-材料線(xiàn)膨脹系數，-溫差，-一維方向初始長(cháng)度，-長(cháng)度變化。

對于各向同性的三維結構，以上應變在各個(gè)方向均相同，但并不產(chǎn)生剪應變，即存在： 

 因此，平面結構（即 =0時(shí)）的熱應變?yōu)椋?br />  

而彈性應變是由應力引起的：

所以在存在熱應變的情況下，結構物理方程為：

式中,[D] -計算平面應力問(wèn)題的彈性矩陣， [B]-應變矩陣。根據彈性力學(xué)公式：

寫(xiě)成矩陣形式寫(xiě)成：

這里的  是平面應力問(wèn)題中的單元剛度矩陣和節點(diǎn)力矩陣。

 式中 是由于溫度變化而增加的單元變溫等效節點(diǎn)載荷矩陣。

通過(guò)求解溫度方程求出各個(gè)節點(diǎn)的溫度值以后，就可以求出溫度載荷，式中單元的溫升可以取各個(gè)節點(diǎn)的溫升的平均值 ，即：
    

式中 —計算出的節點(diǎn)溫度；

—結構的初始溫度將求解域中所有單元的變溫等效節點(diǎn)載荷疊加后，形成整個(gè)結構的溫度載荷陣列，即：

最后，將得到的溫度變化 視為一種溫度載荷，并形成溫度載荷列陣后，就可以按與靜力分析相同的方法求解熱變形，則求解熱變形的剛度方程為：

 解上式可以求出結構的熱變形 ，進(jìn)而能求出相應的熱應力。

在冷熱沖擊過(guò)程中，由于LED封裝體各部分組件材料的熱膨脹系數不同，將產(chǎn)生周期性的膨脹與收縮。鍵合線(xiàn)會(huì )受到不同程度的剪切和拉伸，在鍵合線(xiàn)三維結構中應力呈多軸狀態(tài)分布，因而在分析鍵合線(xiàn)在冷熱沖擊溫度循環(huán)條件下的力學(xué)行為時(shí)，采用表示綜合應力強度的等效應力來(lái)描述鍵合線(xiàn)的應力分布狀態(tài)。

基于第四強度理論 Von Mises準則，等效應力用應力張量的分量表示為：

式中 —等效應力(Pa)；

—X 方向正應力(Pa)；

—Y 方向正應力(Pa)；

—Z 方向正應力(Pa)；

—垂直于 X 軸平面的 Y 方向剪應力(Pa)；

—垂直于 Y 軸平面的 Z 方向剪應力(Pa)；

—垂直于 X 軸平面的 Z 方向剪應力(Pa)

由上述分析可知，對于LED而言，環(huán)境溫度溫差越大、封裝材料之間的熱膨脹系數相差越大、材料的彈性模量越大，LED受到熱應力越大，隨著(zhù)時(shí)間增加，材料界面應力集中容易產(chǎn)生疲勞斷裂。

       當賦予LED各封裝材料以熱力學(xué)屬性，施加材料的熱邊界條件，即可由以上各公式對LED三維模型的等效熱應力進(jìn)行分析求解，便可得出熱載荷條件下LED各封裝材料各位置的等效應力情況。其中，分析求解過(guò)程可通過(guò)有限元數值模擬求解實(shí)現^[3-5]。

2  有限元數值模擬分析

2.1 有限元模型建立

 本文首先針對實(shí)際使用的小電極LED器件模型進(jìn)行了三維幾何構建，如圖1所示。其中鍵合線(xiàn)由芯片電極植球引出，向支架焊盤(pán)處實(shí)現楔形鍵合。芯片、支架、鍵合線(xiàn)、封裝膠一一裝配約束。

(a)LED器件幾何模型(b)LED鍵合線(xiàn)幾何模型 

圖1 LED三維幾何模型

LED器件模型中的主要材料熱力學(xué)特性參數如表1所示，包括密度ρ、熱膨脹系數α、彈性模量E、泊松比ν和傳熱系數K。

 表1 材料特性參數

 為了求解LED三維模型的熱應力，特別是LED鍵合線(xiàn)的熱應力分布，對封裝結構進(jìn)行了有限元網(wǎng)格劃分，其中芯片及電極等細微結構部分進(jìn)行精細化分，如圖2所示。

圖2LED三維有限元模型

 以冷熱沖擊試驗條件對LED有限元模型施加溫度載荷，如圖3所示。高低溫溫度區間為（-40℃-100℃），保溫時(shí)間為30min，升/降溫時(shí)間為10s，零應力參考溫度為25℃。

圖3 LED有限元模型溫度載荷

 對LED有限元模型中心施以剛性約束，其余部分可自由發(fā)生形變。
     
       2.2LED鍵合線(xiàn)熱應力分析

從有限元數值分析結果來(lái)看，對于小電極LED，在冷熱沖擊試驗條件下，LED各封裝材料發(fā)生周期性地膨脹與收縮。當溫度下降至﹣40℃時(shí)， LED各材料發(fā)生收縮變形，由于封裝膠熱膨脹系數明顯大于金線(xiàn)，因此鍵合線(xiàn)受到封裝膠收縮產(chǎn)生的向內壓應力，如圖4所示，鍵合線(xiàn)線(xiàn)弧呈向內傾倒趨勢。

圖4 -40℃LED鍵合線(xiàn)壓縮變形圖

鍵合線(xiàn)線(xiàn)弧內側最大壓應力位于直線(xiàn)段與線(xiàn)弧段的過(guò)渡拐點(diǎn)，外側最大壓應力位于直線(xiàn)段與焊球之間的鍵合點(diǎn)，線(xiàn)弧外側受到的壓應力大于線(xiàn)弧內側受到的壓應力，如圖5所示。

（a）線(xiàn)弧內側（b）線(xiàn)弧外側

圖5 -40℃鍵合線(xiàn)線(xiàn)弧壓應力分布圖

當溫度上升至100℃時(shí)， LED各材料發(fā)生膨脹變形，同樣由于膠體的膨脹變形較大，對鍵合線(xiàn)造成向外的拉伸應力，如圖6所示，鍵合線(xiàn)向外側傾倒。

圖6  100℃LED鍵合線(xiàn)拉伸變形圖

鍵合線(xiàn)線(xiàn)弧內側最大拉應力位于直線(xiàn)段與線(xiàn)弧段的過(guò)渡拐點(diǎn)，外側最大拉應力位于直線(xiàn)段與焊球之間的鍵合點(diǎn)，線(xiàn)弧外側受到的拉應力大于線(xiàn)弧內側受到的拉應力，如圖7所示。

     

（a）線(xiàn)弧內側（b）線(xiàn)弧外側

圖7  100℃鍵合線(xiàn)線(xiàn)弧拉應力分布圖

 總體而言，冷熱沖擊過(guò)程中金屬線(xiàn)的最大熱應力如表2所示�？梢钥吹剑�

       LED鍵合線(xiàn)在100℃高溫段受到的熱應力最大，應力最大點(diǎn)位于線(xiàn)弧直線(xiàn)段與焊球之間的鍵合點(diǎn)。

表2冷熱沖擊過(guò)程金屬線(xiàn)最大熱應力表

為了進(jìn)一步分析該鍵合點(diǎn)應力最大的原因，我們將鍵合線(xiàn)拆分為以下幾個(gè)關(guān)鍵位置點(diǎn)：金屬球與小電極的鍵合點(diǎn)（A點(diǎn)）、直線(xiàn)與金屬球過(guò)渡點(diǎn)（B點(diǎn)）、線(xiàn)弧任一位置（C點(diǎn)）、弧線(xiàn)與魚(yú)尾過(guò)渡點(diǎn)（D點(diǎn)）、魚(yú)尾與支架鍵合點(diǎn)（E點(diǎn)），如圖8所示。以各點(diǎn)所在界面為分界面，通過(guò)分析界面處應力情況及界面兩側部件受力情況，對界面處的綜合受力情況進(jìn)行分析。

圖8鍵合線(xiàn)關(guān)鍵位置點(diǎn)示意圖

 對各點(diǎn)受溫度變化產(chǎn)生的熱應力進(jìn)行逐一比較：A點(diǎn)所在界面為芯片電極、金屬球界面。如表1所示，界面處兩種材料的熱膨脹系數差微小，即可同時(shí)進(jìn)行收縮膨脹，應力較小。另A界面的金球一側同時(shí)受到來(lái)自膠體收縮膨脹的切向力，但由于：

       A界面面積較大且為剛性連接面，因此在應力牽扯下應變小，不易斷裂。

B點(diǎn)所處界面為小直徑金屬線(xiàn)、大直徑金屬球界面。當外部環(huán)境發(fā)生溫度變化，界面兩側材料相同，熱膨脹系數相同，因此應力主要來(lái)源于膠體。相比于A(yíng)界面，B點(diǎn)界面要小的多，極易出現應力集中尖角，產(chǎn)生極大熱應力，冷熱反復下出現疲勞斷裂。

C點(diǎn)界面為金屬線(xiàn)與金屬線(xiàn)界面，由于界面處及界面兩側空間受力完全一致，且其界面為撓性接觸面，金屬線(xiàn)不論沿徑向還是法向都可與封裝膠同步發(fā)生伸縮形變，因此相對A、B點(diǎn)應力要顯著(zhù)減小。

D點(diǎn)界面為金屬線(xiàn)、魚(yú)尾界面，其中金屬線(xiàn)與魚(yú)尾部分為剛性連接，且界面面積小，同B點(diǎn)類(lèi)似，也是應力尖角位置。在小電極LED中，D點(diǎn)金屬線(xiàn)平滑過(guò)渡到魚(yú)尾，金屬線(xiàn)與魚(yú)尾之間的面積差相對較小，因此D點(diǎn)的應力要次于B點(diǎn)的應力，這從圖5（b）、圖7（b）中也可以看出。

E點(diǎn)界面與A點(diǎn)類(lèi)似，為魚(yú)尾、支架焊盤(pán)與封裝膠的三界面，雖然魚(yú)尾與支架焊盤(pán)存在剛性連接，但界面面積大，受溫度變化產(chǎn)生的熱應力相對較小。

綜合來(lái)看，在冷熱沖擊過(guò)程中，鍵合線(xiàn)B點(diǎn)受到的熱應力最大，D點(diǎn)次之，C點(diǎn)再次之，A、E兩點(diǎn)受到的熱應力最小。

2.3不同引線(xiàn)線(xiàn)弧模式對熱應力的影響

鍵合線(xiàn)線(xiàn)弧通常由直線(xiàn)段和弧線(xiàn)段組成，而不同直線(xiàn)段長(cháng)度與弧線(xiàn)段高度組成了不同的線(xiàn)弧模式。為了分析不同引線(xiàn)線(xiàn)弧模式對鍵合線(xiàn)的熱應力影響，以冷熱沖擊下的最大等效熱應力作為依據，通過(guò)有限元數值模擬，針對不同直線(xiàn)長(cháng)度和弧線(xiàn)高度作正交計算對比，得到了小電極LED不同引線(xiàn)線(xiàn)弧模式下的最大熱應力，如表3所示，以直線(xiàn)長(cháng)度100mm，弧線(xiàn)高度160mm線(xiàn)弧最大應力值為基準進(jìn)行歸一化處理。

表3不同引線(xiàn)線(xiàn)弧模式下的鍵合線(xiàn)相對熱應力對比表

更直觀(guān)地，從圖9中可以看到：存在直線(xiàn)段時(shí)，同直線(xiàn)長(cháng)度條件下，隨著(zhù)弧高的增加，鍵合線(xiàn)熱應力先減小后增大，因此弧線(xiàn)高度存在一最佳值。無(wú)直線(xiàn)段時(shí)，隨著(zhù)弧高的增加，鍵合線(xiàn)的熱應力增加。

圖9同直線(xiàn)長(cháng)度不同弧高的鍵合線(xiàn)熱應力
 

   從圖10中可以看到：同弧高條件下，隨著(zhù)直線(xiàn)長(cháng)度的增加，鍵合線(xiàn)熱應力先增大后減小。然而在實(shí)際制程中，離鍵合位置較近的材料受高溫、超聲等影響會(huì )發(fā)生脆化，在較小應力的條件下同樣會(huì )發(fā)生斷裂，因此需一定長(cháng)度的直線(xiàn)段進(jìn)行保護。

圖10同弧高不同直線(xiàn)長(cháng)度的鍵合線(xiàn)熱應力
 

綜合來(lái)看，不同直線(xiàn)長(cháng)度和弧線(xiàn)段高度所組成的不同引線(xiàn)線(xiàn)弧模式對LED鍵合線(xiàn)在冷熱沖擊下所承受的熱應力存在影響。匹配優(yōu)化直線(xiàn)長(cháng)度和弧線(xiàn)高度，可以有效減小LED鍵合線(xiàn)熱應力，減小鍵合點(diǎn)位置因長(cháng)期應力集中造成的疲勞斷裂，提高鍵合線(xiàn)熱穩定性，進(jìn)而提高LED的產(chǎn)品可靠性。
 

3 結論

本文從材料的熱應力基礎理論出發(fā)，針對冷熱沖擊下的小電極LED鍵合線(xiàn)熱應力分布做了數值模擬分析。結論如下：

（1）由熱應力基礎理論模型來(lái)看，溫差越大、材料的熱膨脹系數相差越大、材料的彈性模量越大，LED材料受到熱應力越大，隨著(zhù)時(shí)間增加，材料界面應力集中容易產(chǎn)生疲勞斷裂，因此在LED封裝中應著(zhù)重考慮各封裝材料之間的材料匹配性。

（2）冷熱沖擊下，LED引線(xiàn)周期性地受到收縮壓應力和膨脹拉應力。對于小電極LED而言，最大應力出現在高溫時(shí)鍵合線(xiàn)與焊球之間的過(guò)渡位置。

（3）不同引線(xiàn)線(xiàn)弧模式對LED鍵合線(xiàn)的熱應力存在影響；對于小電極LED而言，當直線(xiàn)段較短時(shí)，隨著(zhù)弧高的增大，熱應力逐漸增大；當直線(xiàn)段較長(cháng)時(shí)，隨著(zhù)弧高的增大，熱應力先減小后增大。當弧高一定時(shí)，隨著(zhù)直線(xiàn)段的增高，熱應力先增大后減小，但由于鍵合點(diǎn)附近材料易脆化，因此需綜合考慮以上因素選取最佳直線(xiàn)段長(cháng)度。

參考文獻

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