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基于数值模拟的LED键合线热应力分析

字体变大  字体变小 发布日期:2016-11-05  来源:搜搜LED  作者:深圳市瑞丰光电子股份有限公司研发部裴小明/张丽君/游志  浏览次数:1359
核心提示:本文针对这一问题,通过有限元数值分析,通过加载周期性的温度载荷模拟 LED键合线在冷热冲击下受到的热载荷,分析了LED键合线在该热载荷条件下的应力分布情况,并探讨了不同引线线弧模式对键合线热应力的影响,为LED引线键合的工艺优化提供了参考。
 

摘要:LED(Light-Emitting-Diode )以其高光效、低功耗的绿色节能优越性,成为新时期下的主流光源。目前LED主要依赖于引线键合(Wire-Bonding)的方式将芯片电极与基板互连实现电气连接,而键合线往往在冷热冲击试验过程中出现断裂问题,导致LED死灯失效,严重影响了LED的可靠性。本文针对这一问题,通过有限元数值分析,通过加载周期性的温度载荷模拟LED键合线在冷热冲击下受到的热载荷,分析了LED键合线在该热载荷条件下的应力分布情况,并探讨了不同引线线弧模式对键合线热应力的影响,为LED引线键合的工艺优化提供了参考。

 关键词:LED;引线键合;冷热冲击;热应力;数值模拟

0 序言

LED是一种直接将电能转化为光能的半导体光源,具有节能、环保、安全、寿命长、低功耗等特点,广泛应用于指示、显示、装饰、背光源、普通照明等领域[1]。其芯片与基板之间通常采用引线键合进行电气连接,即通过热、压力、超声波等能量使金属引线与被焊焊盘发生原子间扩散互溶,实现芯片电极-键合线-基板彼此之间的键合连接。

在LED的生产制造中,为了解、评价、分析和提高LED的环境适应性,常对LED进行相关可靠性试验[2],冷热冲击试验即为其中一种。该实验通过对LED施加周期性瞬变的冷热温度循环,试验其所能承受的因热胀冷缩所引起的化学变化或物理伤害。在该试验中,LED键合线常成为其中的薄弱部位,其在试验中的断线与否对LED可靠性起着关键性作用。

为了了解LED键合线在冷热冲击试验下的断裂机理,本文从材料的热应力基础理论出发,构建冷热冲击条件下的LED键合线模型,并通过有限元数值模拟对键合线的热应力进行计算分析,进而确认键合线热应力分布情况及影响热应力的相关参数。

1 热应力基础理论

热应力又称温变应力。产生热应力的必要条件是存在温差,当温差引起的结构形变受到约束时即可产生热应力。约束有三种形式,即外部刚性约束、内部各部分之间变形约束以及不同材料之间的相互变形约束。对于LED而言,冷热冲击条件下,LED受到周期性的热胀冷缩,各材料之间热膨胀系数不同又相互约束,因此在各材料界面,极易产生应力集中。

 

根据线性热应力理论,微元体的总应变由两部分组成:一部分由温度变化引起,另一部分由应力引起,即:   

 

     根据传热学原理,一维等截面杆由温度产生的结构形变(即热应变)为: 

 

其中,-材料线膨胀系数,-温差,-一维方向初始长度,-长度变化。

对于各向同性的三维结构,以上应变在各个方向均相同,但并不产生剪应变,即存在: 

 因此,平面结构(即 =0时)的热应变为:
 

而弹性应变是由应力引起的:

所以在存在热应变的情况下,结构物理方程为:

式中,[D] -计算平面应力问题的弹性矩阵, [B]-应变矩阵。根据弹性力学公式:

写成矩阵形式写成:

这里的  是平面应力问题中的单元刚度矩阵和节点力矩阵。

热力理论

 式中 是由于温度变化而增加的单元变温等效节点载荷矩阵。

通过求解温度方程求出各个节点的温度值以后,就可以求出温度载荷,式中单元的温升可以取各个节点的温升的平均值 ,即:
    

式中 —计算出的节点温度;

—结构的初始温度将求解域中所有单元的变温等效节点载荷叠加后,形成整个结构的温度载荷阵列,即:

最后,将得到的温度变化 视为一种温度载荷,并形成温度载荷列阵后,就可以按与静力分析相同的方法求解热变形,则求解热变形的刚度方程为:

 解上式可以求出结构的热变形 ,进而能求出相应的热应力。

在冷热冲击过程中,由于LED封装体各部分组件材料的热膨胀系数不同,将产生周期性的膨胀与收缩。键合线会受到不同程度的剪切和拉伸,在键合线三维结构中应力呈多轴状态分布,因而在分析键合线在冷热冲击温度循环条件下的力学行为时,采用表示综合应力强度的等效应力来描述键合线的应力分布状态。

基于第四强度理论 Von Mises准则,等效应力用应力张量的分量表示为:

式中 —等效应力(Pa);

—X 方向正应力(Pa);

—Y 方向正应力(Pa);

—Z 方向正应力(Pa);

—垂直于 X 轴平面的 Y 方向剪应力(Pa);

—垂直于 Y 轴平面的 Z 方向剪应力(Pa);

—垂直于 X 轴平面的 Z 方向剪应力(Pa)

由上述分析可知,对于LED而言,环境温度温差越大、封装材料之间的热膨胀系数相差越大、材料的弹性模量越大,LED受到热应力越大,随着时间增加,材料界面应力集中容易产生疲劳断裂。

       当赋予LED各封装材料以热力学属性,施加材料的热边界条件,即可由以上各公式对LED三维模型的等效热应力进行分析求解,便可得出热载荷条件下LED各封装材料各位置的等效应力情况。其中,分析求解过程可通过有限元数值模拟求解实现[3-5]

2  有限元数值模拟分析

2.1 有限元模型建立

 本文首先针对实际使用的小电极LED器件模型进行了三维几何构建,如图1所示。其中键合线由芯片电极植球引出,向支架焊盘处实现楔形键合。芯片、支架、键合线、封装胶一一装配约束。

    

(a)LED器件几何模型(b)LED键合线几何模型 

图1 LED三维几何模型

LED器件模型中的主要材料热力学特性参数如表1所示,包括密度ρ、热膨胀系数α、弹性模量E、泊松比ν和传热系数K。

 表1 材料特性参数

 

 为了求解LED三维模型的热应力,特别是LED键合线的热应力分布,对封装结构进行了有限元网格划分,其中芯片及电极等细微结构部分进行精细化分,如图2所示。

大图1

图2LED三维有限元模型

 以冷热冲击试验条件对LED有限元模型施加温度载荷,如图3所示。高低温温度区间为(-40℃-100℃),保温时间为30min,升/降温时间为10s,零应力参考温度为25℃。

大图2

图3 LED有限元模型温度载荷

 对LED有限元模型中心施以刚性约束,其余部分可自由发生形变。
     
       2.2LED键合线热应力分析

从有限元数值分析结果来看,对于小电极LED,在冷热冲击试验条件下,LED各封装材料发生周期性地膨胀与收缩。当温度下降至﹣40℃时, LED各材料发生收缩变形,由于封装胶热膨胀系数明显大于金线,因此键合线受到封装胶收缩产生的向内压应力,如图4所示,键合线线弧呈向内倾倒趋势。

大图3

 

图4 -40℃LED键合线压缩变形图

键合线线弧内侧最大压应力位于直线段与线弧段的过渡拐点,外侧最大压应力位于直线段与焊球之间的键合点,线弧外侧受到的压应力大于线弧内侧受到的压应力,如图5所示。

压应力5所示   压应力5所示0


压应力5所示00

(a)线弧内侧(b)线弧外侧

图5 -40℃键合线线弧压应力分布图

当温度上升至100℃时, LED各材料发生膨胀变形,同样由于胶体的膨胀变形较大,对键合线造成向外的拉伸应力,如图6所示,键合线向外侧倾倒。

压应力6所示

图6  100℃LED键合线拉伸变形图

键合线线弧内侧最大拉应力位于直线段与线弧段的过渡拐点,外侧最大拉应力位于直线段与焊球之间的键合点,线弧外侧受到的拉应力大于线弧内侧受到的拉应力,如图7所示。

如图7     如图70
如图7000

(a)线弧内侧(b)线弧外侧

图7  100℃键合线线弧拉应力分布图

 总体而言,冷热冲击过程中金属线的最大热应力如表2所示。可以看到:

       LED键合线在100℃高温段受到的热应力最大,应力最大点位于线弧直线段与焊球之间的键合点。

表2冷热冲击过程金属线最大热应力表

QQ截图20161105154739 

为了进一步分析该键合点应力最大的原因,我们将键合线拆分为以下几个关键位置点:金属球与小电极的键合点(A点)、直线与金属球过渡点(B点)、线弧任一位置(C点)、弧线与鱼尾过渡点(D点)、鱼尾与支架键合点(E点),如图8所示。以各点所在界面为分界面,通过分析界面处应力情况及界面两侧部件受力情况,对界面处的综合受力情况进行分析。

大图4

图8键合线关键位置点示意图

 对各点受温度变化产生的热应力进行逐一比较:A点所在界面为芯片电极、金属球界面。如表1所示,界面处两种材料的热膨胀系数差微小,即可同时进行收缩膨胀,应力较小。另A界面的金球一侧同时受到来自胶体收缩膨胀的切向力,但由于:

       A界面面积较大且为刚性连接面,因此在应力牵扯下应变小,不易断裂。

B点所处界面为小直径金属线、大直径金属球界面。当外部环境发生温度变化,界面两侧材料相同,热膨胀系数相同,因此应力主要来源于胶体。相比于A界面,B点界面要小的多,极易出现应力集中尖角,产生极大热应力,冷热反复下出现疲劳断裂。

C点界面为金属线与金属线界面,由于界面处及界面两侧空间受力完全一致,且其界面为挠性接触面,金属线不论沿径向还是法向都可与封装胶同步发生伸缩形变,因此相对A、B点应力要显著减小。

D点界面为金属线、鱼尾界面,其中金属线与鱼尾部分为刚性连接,且界面面积小,同B点类似,也是应力尖角位置。在小电极LED中,D点金属线平滑过渡到鱼尾,金属线与鱼尾之间的面积差相对较小,因此D点的应力要次于B点的应力,这从图5(b)、图7(b)中也可以看出。

E点界面与A点类似,为鱼尾、支架焊盘与封装胶的三界面,虽然鱼尾与支架焊盘存在刚性连接,但界面面积大,受温度变化产生的热应力相对较小。

综合来看,在冷热冲击过程中,键合线B点受到的热应力最大,D点次之,C点再次之,A、E两点受到的热应力最小。

2.3不同引线线弧模式对热应力的影响

键合线线弧通常由直线段和弧线段组成,而不同直线段长度与弧线段高度组成了不同的线弧模式。为了分析不同引线线弧模式对键合线的热应力影响,以冷热冲击下的最大等效热应力作为依据,通过有限元数值模拟,针对不同直线长度和弧线高度作正交计算对比,得到了小电极LED不同引线线弧模式下的最大热应力,如表3所示,以直线长度100mm,弧线高度160mm线弧最大应力值为基准进行归一化处理。

表3不同引线线弧模式下的键合线相对热应力对比表

更直观地,从图9中可以看到:存在直线段时,同直线长度条件下,随着弧高的增加,键合线热应力先减小后增大,因此弧线高度存在一最佳值。无直线段时,随着弧高的增加,键合线的热应力增加。

如图9

图9同直线长度不同弧高的键合线热应力
 

   从图10中可以看到:同弧高条件下,随着直线长度的增加,键合线热应力先增大后减小。然而在实际制程中,离键合位置较近的材料受高温、超声等影响会发生脆化,在较小应力的条件下同样会发生断裂,因此需一定长度的直线段进行保护。

图10同弧高不同直线长度的键合线热应力
 

综合来看,不同直线长度和弧线段高度所组成的不同引线线弧模式对LED键合线在冷热冲击下所承受的热应力存在影响。匹配优化直线长度和弧线高度,可以有效减小LED键合线热应力,减小键合点位置因长期应力集中造成的疲劳断裂,提高键合线热稳定性,进而提高LED的产品可靠性。
 

3 结论

本文从材料的热应力基础理论出发,针对冷热冲击下的小电极LED键合线热应力分布做了数值模拟分析。结论如下:

(1)由热应力基础理论模型来看,温差越大、材料的热膨胀系数相差越大、材料的弹性模量越大,LED材料受到热应力越大,随着时间增加,材料界面应力集中容易产生疲劳断裂,因此在LED封装中应着重考虑各封装材料之间的材料匹配性。

(2)冷热冲击下,LED引线周期性地受到收缩压应力和膨胀拉应力。对于小电极LED而言,最大应力出现在高温时键合线与焊球之间的过渡位置。

(3)不同引线线弧模式对LED键合线的热应力存在影响;对于小电极LED而言,当直线段较短时,随着弧高的增大,热应力逐渐增大;当直线段较长时,随着弧高的增大,热应力先减小后增大。当弧高一定时,随着直线段的增高,热应力先增大后减小,但由于键合点附近材料易脆化,因此需综合考虑以上因素选取最佳直线段长度。

参考文献

 [1]. 雷玉堂,黎慧未来的照明光源—白光LED技术及其发展[J]光学与光电技术, 2003, 1(5):33-34

 [2].  P Wong,P Albrecht,R Allan,R Billinton et al. The IEEE Reliability Test System-1996. A report prepared by the Reliability Test System Task Force of the Application of Probability Methods Subcommittee[C] Power Systems IEEE Transactions on, 1999, 14(3):1010-1020

 [3]. 李景涌. 有限元法[M]. 北京:机械工业出版社,1998:5

 [4].  ZX Hu,YP Wen,WG Zhao et al. Numerical Simulation of Lightning Location based on Monte Carlo Method[C] International Conference on Management & Service Science2009, 32:1-4

 [5]. 朱旭平,余桂英.功率型LED瞬态温度场及热应力分布的研究 [J]光电工程, 2011, 38(2):132-137

 




















 

 

 
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