發光二極管(LED)因其具有發光效率高、壽命長、結構緊湊、節能環保等優點，在室內照明、戶外照明、汽車大燈和背光顯示等領域得到了迅速發展和廣泛應用，并被認為是一種新型的固態光源．
為了滿足大功率照明的需求，通常采用高電流密度發光二極管芯片來制作大功率發光二極管．
然而，大功率發光二極管芯片在運行過程中不可避免地產生大量熱量，使發光效率降低，發射波長偏移，從而導致可靠性降低．例如在高電流密度下，發光二極管芯片結溫可達 300℃，嚴重降低發光二極管性能．因此，熱穩定性和散熱性不佳是提升大功率發光二極管性能的最大障礙．
由于發光二極管芯片大部分熱量是通過芯片與基板間的固晶層傳遞的，因此貼片固晶材料往往是決定發光二極管熱性能的關鍵因素．除了散熱功能外，固晶材料還起著機械支撐保護和電互連作用．
常用發光二極管固晶材料主要是導電膠，即將一定數量導電顆粒分散在聚合物粘接劑中形成焊膏，以實現芯片的機械互連和電互連．
然而，導電膠中大量聚合物使其導熱性急劇降低，不適用于大功率發光二極管封裝．一些研究者在導電膠中加入石墨烯和氮化鋁來改善其導熱性能，但聚合物粘接劑的老化和碳化問題依舊是無法解決的難題．
為了解決上述問題，一些研究者提出采用共晶釬料應用于發光二極管芯片固晶，如Au-Sn釬料、Cu-Sn釬料和Sn-Bi釬料等，但都存在自身不可避免的缺點．
例如Au-Sn釬料成本高，且焊接溫度較高，易損傷發光二極管芯片；Cu-Sn釬料有電遷移問題，同時不耐高溫；Sn-Bi釬料脆性較大，且導電性很低，無法滿足大功率發光二極管器件應用需求．
此外，也有很多關于Sn-Ag-Cu焊料的研究，指出雖然其具有較好的導電導熱性、優良的機械性能和適宜的焊接溫度，但由于耐高溫性較差，限制了在大功率發光二極管封裝中的應用．
近年來，金屬納米顆粒因具有優異的導電性和散熱性能、低鍵合溫度和高重熔溫度及高機械強度等優勢，受到了電子封裝界廣泛關注．雖然納米銅焊料導電導熱性能好、成本低，但是納米銅極易氧化，這無疑增大了制備和儲存的成本；同時，氧化后的納米銅往往需要更高的燒結溫度，不利于保護芯片．
若在焊料中加入還原性物質(例如甲酸)，或在鍵合過程中通入還原性氣體(如甲酸蒸汽等)，則可能損傷芯片和設備，降低器件可靠性．因此，研制出一種應用于大功率發光二極管封裝的價格低廉、導熱性能優良的固晶材料仍是迫切須要解決的問題．
本研究提出采用無壓燒結納米銀膏，以提升大功率發光二極管散熱性能．金屬銀本身具有優異的導電導熱性能，同時該納米銀膏可實現無壓低溫燒結，既保護芯片又可獲得耐高溫互連接頭．將納米銀膏作為大功率發光二極管貼片材料，可顯著提高發光二極管產生熱量的耗散速率．本研究分析了納米銀膏燒結溫度對電學、界面孔隙率和發光二極管結溫及熱阻的影響，此外對比分析了該納米銀膏與幾種傳統固晶材料對發光二極管散熱性能及光學性能的影響．
1 實驗
1.1 納米銀膏應用于大功率發光二極管封裝流程
圖1為納米銀膏封裝大功率發光二極管的工藝流程．本研究使用的納米銀膏來自深圳某公司的無壓燒結型銀膏(ADGE-02系列)，所用芯片為大功率藍光發光二極管芯片(465 nm，1 W，1 mm×1 mm)，所用封裝基板為氧化鋁直接電鍍陶瓷(direct plated ceramic，DPC)基板．
首先，納米銀膏在使用前回溫至室溫，并通過點膠工藝將芯片貼裝在直接電鍍陶瓷基板上．然后，利用鼓風烘箱完成發光二極管芯片的固晶工藝，在120℃保溫 10 min后，分別在180，200，220，240℃的固晶溫度下燒結 60 min．
接著，采用鋼網印刷工藝將錫鉍(Sn42Bi58)焊膏均勻涂覆在熱電分離六角銅基板上，將含有發光二極管芯片的電鍍陶瓷基板背面與 Sn42Bi58焊膏對準后貼放在其表面．回流過程在傳統的回流爐內完成．
最后，在銅基板表面的正負極分別焊接導線，以方便后續對發光二極管熱學及光學性能測試．為了與傳統貼片焊膏進行對比，選用錫銀銅(SAC305)焊膏及Sn42Bi58焊膏作為芯片的固晶材料，在回流爐內完成固晶過程，并以同樣工藝完成大功率發光二極管封裝．
1.2 性能表征
采用熱重分析儀(TGA8000)分析納米銀膏的熱學行為，測試條件為在空氣中溫度(t)從室溫升到500 ℃，升溫速率為10 ℃/min．利用X射線衍射儀(XRD，X''Pert3 PRO MRD)分析燒結后納米銀膏的晶體結構．利用四探針測試儀(Probes Tech RST-8)測試燒結銀膜的方塊電阻(R)，用臺階儀(ET4000 Series)測試燒結銀膜的厚度(h)，并計算燒結銀的電阻率(ρ)．
采用掃描電子顯微鏡(SEM，FEI Nova Nano SEM450)觀察不同燒結溫度下納米銀膏的微觀形貌及發光二極管樣品的橫截面結構．采用熱阻測試儀(T3Ster-Master，Mentor Graphics)測量發光二極管樣品的熱阻和結溫變化，測試電流設置為1 mA，加熱電流設置為350 mA．采用積分球(HAAS-2000，Everfine)測量發光二極管樣品在變電流下的光功率．采用紅外熱像儀(FLIR，E63，美國)測試大功率發光二極管表面的工作溫度．
2 結果與討論
2.1 納米銀膏及其性能表征
圖2為納米銀膏熱學分析結果，其中：藍色為熱重(TG)曲線(CTG)，紅色為微商熱重(DTG)曲線(CDTG)，t為溫度．隨著溫度的升高，納米銀膏的質量不斷下降，表明有機物成分的不斷分解或揮發．
失重過程主要發生在100~250℃的區間內，有兩個溫度范圍失重最為明顯，根據DTG曲線可判斷該失重速率的峰值分別為133°C和226℃，代表松油醇等有機物的揮發分解．當溫度高于250°C時，納米銀膏的質量基本不發生變化，維持在89.8%，說明焊膏中金屬質量占比約為89.8%．
熱重分析結果表明：該納米銀膏中的有機成分可以在250℃燒結溫度內被全部去除，有助于降低焊膏的電阻率并提升導熱效率．
將納米銀膏刷涂到石英玻片上，并在不同溫度下進行燒結，圖3(a)為納米銀膏在180 ℃燒結后的X射線衍射圖(I為強度，2θ為衍射角)，圖3(b)為不同燒結溫度(tb)下銀膜的電阻率(ρ)．從X射線衍射圖譜中可以看到4個特征衍射峰，衍射角(2θ)分別對應為38.1°，44.3°，64.4°和77.5°，代表銀晶體的(111)，(200)，(220)和(311)四個晶面．
峰形平穩且無雜質峰，表明燒結后的銀膏可以得到純凈銀單質，這有助于提升固晶層的電熱性能．通過四探針測試儀和臺階儀得到燒結銀膜的方塊電阻R和厚度h，則電阻率ρ可通過下式計算
ρ=R×h．
隨著燒結溫度提高，納米銀膏的電阻率逐漸下降．當燒結溫度從180℃升高到240℃時，電阻率分別為8.97，6.49，4.51和3.93 μΩ•cm，逐漸接近純銀塊體的電阻率，表明燒結質量不斷提高．
為了分析影響電阻率變化趨勢的內在原因，使用納米銀膏進行不同溫度下的Cu-Cu鍵合實驗，圖4給出了不同溫度燒結后接頭斷面納米銀膏的微觀形貌，并通過Image J軟件計算了界面孔隙率．
經過低溫燒結，界面納米顆粒表現出明顯的晶粒增長趨勢和燒結特征．當燒結溫度為180℃時，銀納米顆粒在溫度的驅動下不斷增長變大，形成燒結頸并呈現出燒結脈絡，此時孔隙率為16.1%．當燒結溫度為200℃時，晶粒繼續長大并填充空隙，界面致密度提高，燒結脈絡尺寸達到微米級，孔隙率下降到11.5%．當燒結溫度為220℃時，高溫帶來更大的驅動力，燒結脈絡明顯粗化，顆粒間燒結頸相連，致密度的提升使孔隙率降低到10.8%．當燒結溫度為240℃時，界面空隙繼續變少，致密度顯著改善，孔隙率降低為9.4%，這與上文中電阻率的變化相一致．由此可見：提高燒結溫度有助于粗化顆粒、提高界面致密度和燒結質量，從而使銀層表現出低電阻率和低孔隙率的優異特性．
2.2 納米銀膏封裝大功率發光二極管散熱性能優化
圖5為不同焊膏封裝大功率發光二極管樣品的橫截面示意圖，其中：圖5(a)為納米銀膏在200 °C燒結后的發光二極管封裝樣品；圖5(b)和(c)為納米銀膏固晶層放大圖像及界面元素Mapping圖，可以看出不同元素間界面清晰，分別代表了發光二極管的不同結構，其中Al和Ga元素對應芯片結構，Ag元素對應納米銀層，Cu元素對應陶瓷表面金屬層，Al和O元素對應氧化鋁陶瓷基板．圖5(d)和(e)的固晶材料分別是SAC305和Sn42Bi58．通過掃描式電子顯微鏡(SEM)圖可以清晰看出：發光二極管截面結構從上至下分別是芯片、固晶層、DPC陶瓷基板、Sn42Bi58焊接層及熱電分離銅基板．從放大圖中可觀察到幾種固晶材料結構致密，與芯片和基板連接緊密，形成了良好的冶金結合，同時固晶層無孔洞和裂紋等缺陷，說明幾種發光二極管樣品均具有良好的鍵合質量．
圖6為納米銀膏封裝大功率發光二極管樣品在不同固晶溫度下燒結后的熱阻值(Rth)及結溫變化(tj)結果．在圖6(a)差分熱阻結構函數圖中，縱坐標 K描述了熱阻參數沿著熱流路徑的分布，每兩個波峰之間代表該層結構的熱阻值，從圖中可以看出發光二極管總熱阻及納米銀膏固晶層的熱阻均隨著燒結溫度升高而降低．當燒結溫度分別為 180，200，220和 240℃時，發光二極管的總熱阻分別為 16.34，15.55，14.71和 13.02 K/W，固晶層的熱阻分別為 9.72，5.81，7.45和 7.23 K/W，說明提高燒結溫度有利于納米銀膏燒結層熱導率的提高，從而降低器件的熱阻．
從圖6(b)可以看出：在達到穩態的相同響應時間T內，結溫變化隨固晶溫度的升高而逐漸減小，當固晶溫度從 180℃升高到 240℃時，結溫變化從 7.44℃下降到 5.89℃，這符合熱阻的變化趨勢．較低的結溫變化代表著較低的結溫值，說明納米銀膏在更高固晶溫度下具有更高的熱導率，給發光二極管帶來更好的散熱效果．
2.3 納米銀膏與傳統焊膏散熱性能對比
為了分析納米銀膏對大功率發光二極管散熱性能的影響，選取固晶溫度為200℃的發光二極管樣品，并與固晶層材料為SAC305和Sn42Bi58的發光二極管進行對比．圖7(a)和(b)分別是不同焊膏封裝后發光二極管樣品的差分和積分熱阻結構函數．積分熱阻結構函數是由差分熱阻結構函數經過積分運算得到的，其中Cth為熱容．每個平臺部分代表著發光二極管該層結構的熱阻值，與差分函數相對應．
從圖中可以看出：納米銀膏封裝的發光二極管樣品的總熱阻為15.55 K/W，而SAC305焊膏和Sn42Bi58焊膏封裝的發光二極管樣品的總熱阻分別為16.09 K/W和18.37 K/W，對比組熱阻均大于實驗組．同時，納米銀膏固晶層的熱阻為7.45 K/W，比SAC305固晶層熱阻的 8.81 K/W低15.4%，比Sn42Bi58固晶層熱阻的 10.48 K/W低28.9%．由此可知納米銀膏的熱導率大于傳統錫膏，芯片產生的熱量可以快速從固晶材料耗散，從而降低發光二極管整體熱阻，提高器件的散熱性能．
圖7(c)為不同焊膏封裝的大功率發光二極管結溫變化曲線，從圖中可以看出：SAC305焊膏和Sn42Bi58 焊膏封裝的發光二極管樣品的結溫變化分別為 7.12°C和 8.39℃，分別比納米銀膏封裝的發光二極管樣品的 6.92℃結溫變化高 2.9%和21.2%，該結論符合以上熱阻的變化趨勢．
為了探究散熱性能對發光二極管光學穩定性及可靠性影響，測試了三組樣品在變電流I0下的光功率和電功率，將光功率與電功率的比值作為出光功率P，并進行了對比，結果如圖7(d)所示．
隨著驅動電流從100 mA上升至1200 mA，發光二極管產生的熱量逐漸變大，電功率更多地轉變為熱功率，導致出光功率逐漸降低．但在此過程中，納米銀膏封裝的發光二極管樣品出光功率始終大于SAC305焊膏和Sn42Bi58焊膏封裝的發光二極管樣品，再次說明納米銀膏的熱導率要好于傳統錫膏．
上述實驗結果表明：將納米銀膏作為固晶材料封裝大功率發光二極管，可以降低器件熱阻和結溫，提高發光二極管的散熱性能及出光效率．
圖8展示了不同焊膏封裝大功率發光二極管的表面工作溫度，其驅動電流為700 mA，且維持發光二極管點亮5 min后再進行測試以減小實驗誤差．由圖8可知：納米銀膏在180，200，220，240℃的固晶溫度下封裝的發光二極管樣品工作溫度分別為49.0，43.0，40.7和37.7℃，呈下降趨勢．
而SAC305焊膏和Sn42Bi58焊膏封裝的發光二極管樣品穩定工作溫度為 48.7°C和61.5℃，均比納米銀膏 200℃封裝的發光二極管樣品的工作溫度高．表面溫度高表明發光二極管散熱性能差，這說明與傳統錫膏相比，納米銀膏僅在 200℃燒結后的固晶層就可以為大功率發光二極管提供良好的散熱通道，提升其穩定性及高溫可靠性．
3 結論
本研究提出將無壓燒結納米銀膏作為芯片固晶材料，應用于大功率發光二極管封裝．納米銀膏中金屬質量約占 89.8%，可在 180℃燒結后得到純銀結構．提高納米銀膏燒結溫度可降低其電阻率和界面孔隙率，240℃燒結后的納米銀膏電阻率為 3.93 μΩ·cm．
利用納米銀膏封裝大功率發光二極管，固晶界面結構致密、無空洞和裂紋，器件熱阻及結溫變化隨著固晶溫度增高而降低．
納米銀膏在200℃燒結后封裝的大功率發光二極管樣品固晶層熱阻和結溫變化分別為7.45 K/W和6.92℃，比采用SAC305焊膏封裝的發光二極管樣品固晶層熱阻和結溫變化分別降低15.4%和2.9%，比采用Sn42Bi58焊膏封裝的樣品分別降低 28.9%和21.2%．
此外，與傳統錫膏相比，納米銀膏封裝的大功率發光二極管出光功率更高，表面工作溫度更低．
結果表明：納米銀膏可以改善大功率發光二極管的散熱效果，提高光學性能及器件可靠性．
來源：電子器件封裝及熱管理專刊
作者：劉佳欣1，牟運1，彭洋2，陳明祥1
1.華中科技大學機械科學與工程學院 2.華中科技大學航空航天學院
（來源：TM熱管理 +）
