银修饰多壁碳纳米管对LED封装改善作用-深圳市福英达
银修饰多壁碳纳米管对LED封装改善作用-深圳市福英达
由于电子封装界对焊料强度和热可靠性提出了越来越高的要求，不少焊料从业人员将目光投入了改善锡膏综合性能中来。纳米材料以其优秀的物理化学性质一直以来都受到人们的关注，将纳米材料应用到锡膏中被视作改善锡膏特性的重点。碳纳米管（CNT）因其优异的柔韧性，热导率和电导率得到了许多研究人员的注意。
尽管对于CNT的研究很多，但是将CNT与锡膏结合起来则是一个新颖的话题。为了探究CNT对锡膏特性的影响，Park等人制备了10-20nm银修饰多壁碳纳米管(Ag-MWCNT)，并将Ag-MWCNT掺杂到Sn42Bi58锡膏中。最后验证该纳米复合锡膏对LED封装可靠性的影响。
图1. Ag-MWCNT制备流程。
1. 焊接过程
掺杂Ag-MWCNT的Sn42Bi58锡膏被沉积到Al金属PCB的Cu焊盘。然后在190℃下通过热压方式将GaN型ENIG-LED芯片键合到了Cu焊盘上。
2. 实验结果
由于Sn42Bi52锡膏含有大量的Bi原子，因此在回流后会形成富锡相和富铋相。随着Cu焊盘原子的扩散，焊料和焊盘界面处会形成Cu6Sn5 IMC。在ENIG表面处理的LED芯片和焊料一侧则会由于Ni的扩散形成(Cu，Ni）3Sn4 IMC。
2.1 IMC厚度
IMC厚度是判断焊盘可靠性的重要指标。焊料层和LED芯片界面处的IMC厚度会随着老化时间增加而增加。不同Ag-MWCNT添加量会造成不同的IMC厚度。当Ag-MWCNT添加量为0.3wt%时，老化1000小时后的IMC厚度最小（图2a）。类似的，Ag-MWCNT也能有效减少焊盘一侧的IMC的厚度（图2b）。
图2. 85℃老化后IMC厚度。a: 倒装LED芯片侧, b:焊盘一侧。
2.2 键合强度
尽管在老化过程中焊点键合强度基本在减小，但与普通Sn42Bi52锡膏相比，添加了0.05wt%和0.1wt%Ag-MWCNT的Sn42Bi58焊点的键合强度更强，这得益于Ag-MWCNT在焊料基体中分散并起到焊点增强作用。不同的是，添加0.3wt%S Ag-MWCNT的Sn42Bi58焊点老化后键合强度反而最低，这是因为过量的Ag-MWCNT会在焊料基体中团聚。
图3. 85℃老化后焊点键合强度。a: 倒装LED芯片侧, b:焊盘一侧。
2.3 LED芯片温度分布
在老化过程中，使用普通的Sn42Bi58锡膏的LED芯片内部温度逐渐升高。更高的温度意味着热应力的增加，这不利于焊点的寿命。添加了0.05wt%Ag-MWCNT的Sn42Bi58焊点老化1000小时候后的内部温度是最低的，大约比普通Sn42Bi58焊点低10°C。但是，过多的Ag-MWCNT添加量由于团聚现象使得焊点内部温度较高，0.3%添加量的锡膏与普通Sn42Bi58锡膏的内部温度已经较为接近。
图3. LED芯片温度。
3 福英达纳米复合锡膏
纳米、微米材料的添加会对锡膏造成多方面的影响，而这需要大量的研究工作。福英达公司有多年微纳米材料增强锡膏的研究经验，研发了一种微纳米材料复合锡膏，即在Sn42Bi58锡膏导电基础上进行微纳米增强，更好地保证了合金组分平衡、减缓富铋相的生成，提高了低温锡膏机械性能和抗老化性能。欢迎与我们联系了解更多产品信息。
4. 参考文献
Park, B.G., Myung, W.R., Lee, C.J. & Jung, S.B. (2020). Mechanical, electrical, and thermal reliability of Sn-58wt.%Bi solder joints with Ag-decorated MWCNT for LED package component during aging treatment. Composites Part B: Engineering, vol.182.
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