无铅锡膏焊接空洞对倒装LED的影响

空洞是无铅锡膏焊接时普遍发生的问题。无铅锡膏颗粒之间的空隙会造成空洞。此外由于金属元素扩散速度不一致，在金属间化合物层中通常会留下空位，空位在不断聚集后会形成空洞。空洞的出现使得导电性能和热性能受到影响。并且焊点在热老化后会出现明显的空洞生长并带来失效的风险。那么如何量化空洞对焊点性能的影响呢？
sac无铅锡膏的熔点温度217℃左右，因此被认为是更适合倒装led的连接材料。liu et al. (2014)使用sac305无铅锡膏完成da3547 led的封装。liu等人分析了锡膏体积是如何影响led芯片封装空洞的形成，以及解释了空洞率对热性能和机械性能的影响。
1. 无铅锡膏体积对空洞的影响
通过x射线观察，表明无铅锡膏体积的适当增加显著降低了锡膏层中的空洞率。在通过计算后得出led芯片样品a和b的空洞率分别为46%和3% (图1)。无铅锡膏量不足会导致颗粒之间空隙较多，在焊接后容易聚集成空洞。因而适当提高锡量对减少空洞率有一定作用。
图1. 锡膏层x射线图：(a)20μm厚的锡膏层; (b)30μm厚的锡膏层。
2. 空洞对led封装的影响
led封装的剪切强度与空洞率有着直接关系。大量的空洞会造成有效焊接面积的减少，并增加内部应力。有效面积减少意味着应力会更加集中，使得机械强度大大削弱并增加断裂的风险。当空洞率为46%的时候，led芯片剪切强度只有3%空洞率芯片的一半左右。大空洞率还会增加led芯片的温度。liu 等人还发现对于大空洞率的led芯片温度为40.5°c。而小空洞率led芯片的工作温度只有36.9°c。可以发现空洞率增加也对芯片的散热功能有负面影响。原因是因为空洞率大会导致热量过于集中，焊料无法有效将热量散发出去，因而导致高温。
图2. 不同空洞率led芯片封装的热阻。
liu等人通过计算热阻发现当led芯片封装的空洞率过大的时候，各层热阻普遍偏大。只有在pi层和tim层测量出小空洞芯片热阻明显大于大空洞芯片。总体而言小空洞率芯片热性能要更加优秀。
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参考文献
liu, y., leung, s.y.y., zhao, j., wong, c.k.y., yuan, c.a., zhang, g.q., sun, f.l. & luo, l.l. (2014). “thermal and mechanical effects of voids within flip chip soldering in led packages”. microelectronics reliability, vol.54(9-10), pp.2028-2033.