李军政

（佛山市国星光电股份有限公司，广东佛山528000）



过渡衬底结构对CSP LED可靠性的影响

李军政

（佛山市国星光电股份有限公司，广东佛山528000）

摘要：介绍了CSP LED过渡衬底结构及其对可靠性的影响，分析了一种典型的CSP LED产品结构，并对结论进行实验验证。结果表明，该典型结构对热失配应力向芯片传递效果好。

关键词：CSP LED；过渡衬底；可靠性

CSP（Chip Scale Package）技术是电子封装行业20世纪末提出的一种封装技术，该技术主要目的是实现电子元件的小型化、微型化。

CSP技术在LED封装行业的应用在2012—2014年这段时间才开始受到业界关注。从整个电子封装行业来看，CSP器件尚无明确定义。日本电子工业协会定义CSP为芯片面积占到封装面积80%以上；美国国防部元器件供应中心的J-STK-012标准将CSP定义为封装产品的面积小于或等于芯片面积120%的封装等［1］。

本文探讨衬底结构对CSP LED可靠性的影响情况。

1　PHILIPS LUXEON Flip-Chip LEDs产品分析

PHILIPS（飞利浦）于2015年9月推出全新的LUXEON Flip-Chip White LED［2］，实现CSP LEDs结构，本文以LUXEON Flip-Chip White LEDs为例进行分析。

1.1样品测试数据

PHILIPS LUXEON Flip-Chip White LED样品测试数据如表1所示。

1.2外形尺寸测试

外形尺寸测试数据包括：整体厚度为0.25 μm，焊盘宽度为0.35 mm，GAP间距为0.20 mm，芯片大小为38 mil×38 mil。

1.3焊接效果评测

PHILIPS LUXEON FlipChip White LED焊接后X射线空洞率检测如图1所示。

表1　PHILIPS LUXEON Flip-Chip White LED样品实测数据

图1　PHILIPS LUXEON FlipChip White LED焊接后X射线空洞率检测

其检测结果如下：1）该产品质量较好，孔洞率较低；2）推力大于5 kg。

1.4SEM芯片侧面视图及能谱分析

PHILIPS LUXEON Flip Chip White LED SEM能谱分析如图2所示。

图2　PHILIPS LUXEON Flip Chip White LED SEM能谱分析

从图2对SEM数据分析可以看出，外延层与焊盘之间有一层DLC（Diamond Like Carbon）结构，厚度为4 μm，以此作为过渡层，经推测认为，该结构可缓解基板的热应力对芯片的损伤。

1.5结构剖析推测

图3　PHILIPS LUXEON FlipChip White LED侧面推测结构模型示意

图4　PHILIPS LUXEON Flip Chip White LED 45°推测结构模型示意

2　建模分析

为了进一步验证过渡衬底对可靠性的影响，本研究在Ansys中建立了常见的倒装芯片CSP LED芯片焊接结构，并参照芯片焊接于MCPCB的受力状态对芯片焊接层与GaN层进行有限元分析，结果如表2所示。

表2　不同焊接结构对芯片焊接层与GaN层受力影响分析

对表2分析结果显示，增大焊接层厚度（An/Sn，3 μm增加至27 μm）可显著降低芯片组装应力，焊接层应力降低67.7%，GaN层应力下降更是达到85.8%，证实了增大焊接层厚度（采用锡膏焊接实现）提高倒装芯片CSP封装可靠性的可行性。

接着在倒装芯片CSP器件仿真模型中引入过渡衬底，过渡衬底材料选择厚度为100 μm薄膜Al2O3材料，进行仿真试验。

有限元仿真结果表明，引入过渡衬底后，焊接区的应力下降了71.2%，GaN层下降了91.2%，有效地保证了倒装芯片CSP器件的高可靠性工作。

3　可靠性实验验证

对常见的焊接结构进行样品试制后的可靠性分析，主要包括：倒装芯片锡膏焊接结构（焊接层厚度25～35 μm）、倒装芯片直焊MCPCB结构（焊接层3 μm）、倒装芯片过渡衬底结构（薄膜过渡衬底100 μm），其结构示意如图5所示。

实验数据显示，锡膏焊接（图5a）与过渡衬底结构（图5c）未观察到明显漏电（约0.3 μA），推断材料热膨胀失配所产生的应力极易破坏GaN层，通过锡膏焊接（增加焊接厚度）或引入过渡衬底（热膨胀系数～7 E-6/℃）可缓解或阻挡应力向GaN层传导。

由于倒装芯片下方（GaN，膨胀系数～5 E-6/℃，以及多层金属结构），与MCPCB（膨胀系数18～23 E-6/℃）存在较大的热膨胀失配，直焊结构（图5b）便出现了较大的漏电，且停止通电后，漏电电流随芯片冷却时间延长明显降低。

冷热冲击（-40～100℃）实验进一步证实推测的正确性，直焊结构在循环100次便出现失效，300次循环后失效率高达70%。与此同时，锡膏焊接虽然在增加焊接层厚度后可以抑制应力传导，其可靠性仍存在很高风险，循环100次后也出现了失效，3 000次循环后失效率达到30%，过渡衬底结构整个测试维持0失效。图6为3种不同结构在冷热冲击实验过程中失效数量对比数据走势图情况。

图6　可靠性实验冷热冲击失效数量走势对比

4　小结

在CSP LED器件中引入过渡衬底结构，是热失配应力向芯片传递的最有效手段。根据目前的技术了解，包括Philips、三星、台湾隆达等多个厂商已经开始大力推广CSP技术，重点应用于TV背光模组及手机闪光灯等领域，相信未来在消费类电子市场同样有广泛应用。

参考文献：

［1］郭大琪，华丞. CSP封装技术［J］.电子与封装，2008（4）∶14-19.

［2］Chip Scale Package（CSP）LEDs│Lumileds［EB/OL］.［2015-09-15］. http∶//www.lumileds.com/products/csp-leds.

【责任编辑：任小平renxp90@163.com】

Effect of transition substrate on the reliability of CSP LED

LI Jun-zheng
（Nationstar Opto-Electronic Co. Ltd.，Foshan 528000，China）

Abstract∶This paper introduces the transition substrate structure of CSP LED and its effect on reliability. The typical LED CSP product structure is analyzed，and the analysis results are verified. The results show that the typical structure has good effect on the thermal mismatch stress to the chip.

Key words∶CSP LED；transition substrate；reliability

中图分类号：TN406

文献标志码：A

文章编号：1008-0171（2016）03-0026-04

收稿日期：2015-10-22

作者简介：李军政（1983-），男，山东临朐人，佛山市国星光电股份有限公司工程师。