隨著近年來LED光效的不斷提升，LED的壽命和可靠性越來越受到業(yè)界的重視，它是LED產(chǎn)品最重要的性能之一。LED產(chǎn)品制造中的每一個(gè)元件和環(huán)節(jié)都會(huì)對(duì)其可靠性和壽命產(chǎn)生影響，其中LED器件與印刷電路板(PCB)之間焊點(diǎn)的可靠性對(duì)于確保LED燈具的整體可靠性至關(guān)重要。本文闡述如何了使用熱沖擊測試來分析科銳XLamp? 大功率LED器件的焊點(diǎn)可靠性，旨在幫助科銳的用戶掌握科銳LED器件的應(yīng)用和設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)，提高產(chǎn)品研發(fā)效率和質(zhì)量。

　　一、焊點(diǎn)可靠性的影響因素

　　LED應(yīng)用設(shè)計(jì)中，幾個(gè)焊點(diǎn)非常重要，如圖1所示，三個(gè)焊點(diǎn)的可靠性是確保熱量從LED結(jié)點(diǎn)傳遞到散熱器的關(guān)鍵所在。

　　1. LED芯片到LED基板的焊點(diǎn)

　　這點(diǎn)通常由LED制造商確保其完整和可靠，在設(shè)計(jì)LED封裝時(shí)應(yīng)考慮如下因素。1. LED 芯片和LED基板的物理性能 2. 材料選擇 3. 焊點(diǎn)幾何形狀(焊盤尺寸和形狀、焊盤相對(duì)于阻焊層的放置位置)4. 散裝焊料合金的機(jī)械性能 5. 在焊點(diǎn)/散熱盤界面形成的金屬間化合物的性質(zhì)及其結(jié)構(gòu);

　　2. LED基板到PCB焊點(diǎn)和PCB到散熱器焊點(diǎn)

　　燈具制造商在應(yīng)用和設(shè)計(jì)中確保這兩個(gè)焊點(diǎn)的可靠和完整性。LED基板與PCB之間焊點(diǎn)的完整性是LED 產(chǎn)品長期流明維持率和可靠性的主要決定因素之一。焊點(diǎn)可靠性不僅取決于焊料合金，還取決于LED器件和PCB的金屬鍍層。此外，回流溫度曲線對(duì)無鉛焊點(diǎn)的性能也有著顯著影響，因?yàn)樗鼤?huì)影響焊點(diǎn)的浸潤性能和微觀結(jié)構(gòu)。焊點(diǎn)損壞或存在缺陷會(huì)導(dǎo)致開路失效狀況，進(jìn)而導(dǎo)致燈具電氣性能完全失效。

　　對(duì)于LED器件焊接至PCB的可靠性，要考慮的關(guān)鍵特性是LED器件與PCB材料之間熱膨脹系數(shù)的差異。工作條件的變化會(huì)導(dǎo)致因膨脹系數(shù)失配而產(chǎn)生不同的力。這些力可能會(huì)被一些機(jī)械作用(如LED基板彎曲)放大。對(duì)于較大封裝尺寸LED在堅(jiān)硬的PCB上的焊接，距離LED封裝中心最遠(yuǎn)的焊點(diǎn)因膨脹失配而產(chǎn)生的應(yīng)力最大。

　　綜合而言，圖2展示了影響LED焊點(diǎn)的各種影響因素，其中部分紅色顯示的因素為此文中研究重點(diǎn)。本研究利用熱沖擊來評(píng)估所選大功率XLamp? LED器件的焊點(diǎn)可靠性。熱沖擊測試的升溫速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于熱循環(huán)測試，因此對(duì)焊點(diǎn)造成的損壞也嚴(yán)重得多。通過熱沖擊測試結(jié)果可以更深入地了解焊點(diǎn)的可靠性。

　　二、研究方法和設(shè)備

　　本研究中使用表面貼裝技術(shù)(SMT)的回流焊工藝焊接LED與PCB，即LED卷盤→將焊膏絲網(wǎng)印刷到測試板上→拾取LED元件并放置到PCB上→回流焊。采用了科銳四款高功率XLamp? LED進(jìn)行試驗(yàn)，選擇不同封裝的尺寸如表1所示。本研究中使用的MCPCB板由阻焊層、銅電路層、薄導(dǎo)熱絕緣層和金屬芯基材層組成。這些層層疊并粘合在一起，構(gòu)成一個(gè)散熱路徑。每款LED各三十顆，選用的MCPCB板可焊接十顆LED，即每款LED使用三塊MCPCB板。本研究使用Indium8.9空氣回流免清洗焊膏，此焊膏專為適應(yīng)錫-銀-銅(SAC)無鉛合金系統(tǒng)的高溫而配制。焊膏成分包括96.5%的錫(Sn)、3.0%的銀(Ag)和0.5%的銅(Cu)，屬第3類金屬負(fù)載。可靠焊點(diǎn)的形成取決于回流焊工藝的時(shí)間和溫度曲線，以及熔融焊料迅速且均勻地浸潤表面涂層，并通過相互作用在接合界面形成一個(gè)厚度均勻的金屬間化合物層的能力。所有這些因素都會(huì)直接影響焊點(diǎn)的形成和可靠性能?？其J建議回流焊后的焊點(diǎn)厚度約為3mil(75μm)，焊點(diǎn)厚度可以使用帶刻度盤的光學(xué)顯微鏡進(jìn)行驗(yàn)證。

　　使用的設(shè)備是MPM Momentum模板印刷機(jī)來完成焊膏印刷，印刷機(jī)模板厚度為6mil，模板框架尺寸為73.7cm x 73.7cm。使用JUKI FX-3貼片機(jī)，回流過程中使用Heller 1809 MK III 對(duì)流回流爐，回流爐有八個(gè)加熱區(qū)和一個(gè)冷卻區(qū)，回流焊工藝參數(shù)見表2，本研究中使用的 XLamp? LED符合JEDEC J-STD-020C標(biāo)準(zhǔn)。有關(guān)科銳XLamp? LED貼片拾放操作、焊接和處理以及熱管理的更多詳細(xì)信息，可從科銳網(wǎng)站提供的應(yīng)用說明中獲取。

　　三 結(jié)果分析

　　1. 焊點(diǎn)空洞

　　回流焊后，目視檢查焊點(diǎn)，沒有觀察到存在以下焊點(diǎn)缺陷：虛焊、焊料凸點(diǎn)、錫橋或元件立起等。此外，還使用實(shí)時(shí)X射線成像對(duì)LED封裝進(jìn)行檢查，以進(jìn)一步評(píng)估焊料的連接質(zhì)量，查看是否存在斷開觸點(diǎn)、陽極/陰極觸點(diǎn)與散熱盤之間是否存在短路現(xiàn)象、焊盤與焊接空洞之間是否存在多余的焊料。研究發(fā)現(xiàn)，焊接空洞少于30%(即焊料的無效焊區(qū)少于30%)為理想狀態(tài)。焊接空洞大于50%容易導(dǎo)致焊點(diǎn)失效。本研究中，科銳選擇分析焊接空洞小于30%和大于50%時(shí)的焊點(diǎn)可靠性。

　　我們發(fā)現(xiàn)，XB-D、XP-G和XM-L HVW LED器件的空洞范圍在5%至30%之間;XM-L LED 器件的空洞大于50%。所有器件中都沒有觀察到陰極/陽極觸點(diǎn)與散熱盤之間存在多余焊料的跡象?？斩磿?huì)影響熱性能和電氣完整性，進(jìn)而導(dǎo)致元件與PCB之間熱阻增加，因此，LED器件與MCPCB之間存在過多焊接空洞是一個(gè)關(guān)乎可靠性的問題。我們有意減小了XM-L焊料模板設(shè)計(jì)尺寸，以減少LED器件下方的焊料覆蓋面積。從圖3可以看出，焊料覆蓋面積減少會(huì)使LED下方因缺少焊料而出現(xiàn)大量空洞。焊料覆蓋面積減少導(dǎo)致LED器件下方因缺少起到浸潤作用的焊料而出現(xiàn)大量空洞。

　　2 熱沖擊測試

　　熱沖擊測試是疲勞壽命測試中發(fā)展速度最快的一種形式，是溫度變化速率很高的一種溫度循環(huán)類型。該測試是通過在指定時(shí)段內(nèi)在高溫(如125℃)和低溫(如-40℃)兩個(gè)“腔室”交替輸送所測試產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)的。熱沖擊測試期間，焊點(diǎn)會(huì)經(jīng)歷高低極端溫度之間165℃的溫度差。溫度迅速變化的過程中，組裝板不同部件之間會(huì)出現(xiàn)較大的膨脹系數(shù)差異。不僅膨脹系數(shù)差異會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生此引力，更重要的是，不同部件之間的溫度差也會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生此應(yīng)力。大面積不均勻膨脹導(dǎo)致焊點(diǎn)出現(xiàn)較大的塑性變形，而且其程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中可能出現(xiàn)的變形，原因是現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中溫度變化較為緩慢。因此，沖擊測試會(huì)明顯加快失效機(jī)理的演變過程，從而能夠在較短的時(shí)間內(nèi)誘發(fā)潛在失效狀況。

　　我們觀察到，在達(dá)到2000次熱沖擊測試時(shí)，XB-D LED未出現(xiàn)失效狀況，XP-G LED 失效兩次，XM-L HVW LED失效四次，XM-LLED失效十次。熱沖擊測試結(jié)果表明，LED器件與PCB之間焊接空洞大于50%的較大LED器件出現(xiàn)失效狀況的時(shí)間比焊接空洞小于30%的LED器件早得多。

　　對(duì)熱沖擊數(shù)據(jù)使用威布爾分布進(jìn)行分析，了解沖擊失效機(jī)理。本研究中，使用威布爾概率圖對(duì)XLamp? LED的失效數(shù)據(jù)建模。二參數(shù)威布爾分布通過形狀和尺度參數(shù)定義。威布爾累積失效分布用于擬合失效數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的周期次數(shù)。公式F (N) = 1 - exp (-N/N0)m，其中，F(xiàn) (N) 是累積失效分布函數(shù)，N是熱循環(huán)次數(shù)。N0是被稱為特征壽命的尺度參數(shù)，即失效發(fā)生率為 63.2%時(shí)的循環(huán)次數(shù)。形狀參數(shù)m表示威布爾曲線的形狀;m增加時(shí)，循環(huán)中的失效次數(shù)減少。二和四之間的形狀值視為稍微正常。形狀值小于二形成右傾曲線，形狀值大于四形成左傾曲線。

　　從威布爾概率圖4顯示，空洞小于30%的較小LED器件下的焊點(diǎn)其表現(xiàn)優(yōu)于空洞小于30%的較大LED器件下的焊點(diǎn)。相反，空洞百分比升高至大于50%會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)性能差。此外，焊點(diǎn)的特征壽命還表現(xiàn)出對(duì)空洞程度很強(qiáng)的依賴性，空洞百分比越小，特征壽命越長。

　　3 失效焊點(diǎn)

　　失效焊點(diǎn)的橫截面顯示元件側(cè)面焊料主體中存在裂紋。這些樣品呈現(xiàn)了無鉛焊料合金中熱機(jī)械疲勞失效的典型微觀結(jié)構(gòu)。在本研究中，我們還使用掃描電子顯微鏡(SEM)、能量色散X射線(EDX)分析和光學(xué)顯微鏡檢查了焊點(diǎn)接口，以評(píng)估焊點(diǎn)的完整性和可能出現(xiàn)的疲勞失效模式。

　　通過執(zhí)行橫截面分析焊點(diǎn)在熱沖擊測試后的表現(xiàn)，如圖5所示。失效焊點(diǎn)的橫截面顯示，在四款LED器件中，疲勞斷裂都是從焊料邊緣開始。大部分疲勞裂紋都存在于焊料跡線主體內(nèi)部的錫和銀顆粒之間，并沿最高應(yīng)變方向擴(kuò)展到整個(gè)焊料長度。

　　橫截面研究表明，存在焊料裂紋且一直延伸到焊點(diǎn)邊緣，焊點(diǎn)邊緣是最大應(yīng)力集中的位置。這些裂紋發(fā)生于焊料主體內(nèi)部區(qū)域，從焊點(diǎn)的一個(gè)邊緣一直延伸至另一邊緣，不僅會(huì)降低電氣性能，而且還可能導(dǎo)致焊點(diǎn)出現(xiàn)機(jī)械故障。XB-D LED是本研究中尺寸最小的LED，XM-L HVW的基板是XB-D表面積的四倍多，兩款 LED的空洞都小于30%，但研究顯示，XB-D LED器件下方的焊點(diǎn)裂紋卻沒有XM-L HVW那么嚴(yán)重。觀察到的裂紋都是典型的焊點(diǎn)疲勞斷裂，通常與對(duì)偶/聯(lián)結(jié)材料之間熱膨脹系數(shù)差異所誘發(fā)的熱沖擊應(yīng)力相關(guān)。

　　基于以上觀察，我們的結(jié)論是：LED器件封裝尺寸對(duì)焊點(diǎn)裂紋的產(chǎn)生具有很大影響。XM-L HVW是本研究中最大的LED封裝尺寸，XB-D是本研究中最小的LED封裝尺寸，兩款LED的空洞都小于30%，但研究顯示，與XB-D相比，XM-L HVW下方的焊點(diǎn)失效最多。較大LED器件下方的焊點(diǎn)裂紋呈連續(xù)狀態(tài)，從焊料的一個(gè)邊緣一直延伸至另一邊緣，無間斷。橫截面圖像顯示了元件側(cè)和PCB 側(cè)的裂紋外觀。不過，元件側(cè)的裂紋擴(kuò)展程度更為嚴(yán)重。

　　四 結(jié)語

　　本文研究影響焊點(diǎn)可靠性的各項(xiàng)因素，測試結(jié)果表明，焊點(diǎn)可靠性很大程度上取決于LED的封裝尺寸和焊接空洞百分比。焊接空洞越多，可靠性越低;基板尺寸越大，可靠性明顯降低。通過-40 ℃ 至 +125 ℃的熱沖擊測試分析了各種尺寸XLamp? LED器件與PCB之間無鉛焊點(diǎn)的可靠性。焊點(diǎn)微觀結(jié)構(gòu)的分析表明，焊點(diǎn)主體內(nèi)部走向LED元件側(cè)的裂紋是由焊點(diǎn)疲勞失效所致。熱疲勞失效模式與無鉛焊點(diǎn)相關(guān)，是由材料的熱膨脹系數(shù)差異所致。這些熱膨脹系數(shù)差異是在材料界面產(chǎn)生應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)變的原因所在，會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)中產(chǎn)生疲勞裂紋并不斷擴(kuò)展。

　　最后，為避免焊點(diǎn)過早失效，科銳建議始終對(duì)XLamp? LED使用推薦的焊盤布局、焊膏和回流焊溫度曲線，具體信息可在科銳的相關(guān)焊接和處理文檔中找到。

　　科銳將參加6月9-12日2013廣州國際照明展，科銳展臺(tái)位于琶洲展覽館A區(qū)4.1館B02展位，更多的技術(shù)支持和服務(wù)歡迎與科銳的團(tuán)隊(duì)詳細(xì)探討。