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基于数值模拟的LED键合线热应力分析

2016-11-04 14:12
魏丁小陆
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  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。

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  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:

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  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]。

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