Ag含量对SnBi焊料LED封装可靠性的影响-深圳福英达
Ag含量对SnBi焊料LED封装可靠性的影响-深圳福英达
发光二极管(LED)作为一种新型照明和显示技术，具有高效能、体积小、寿命长和低功耗等特性，广泛应用于家用照明、汽车指示灯、航空电子和显示器背光单元等多个领域。LED技术的发展需要实现高功率密度和高温能力。然而，高功率LED只有20-30%的电能转化为光能，其余的电能以热能散失，导致LED芯片过热，影响其寿命。因此，LED的发光效率和寿命与结温密切相关，工作温度是决定其可靠性和耐用性的关键因素。另外，高温还会给材料带来巨大的热应力。
LED封装的可靠性直接决定了其光效、寿命和稳定性。这种可靠性主要取决于焊料的性能，因为焊料是连接LED芯片和PCB的重要材料，需要承受LED工作时的热应力、电应力和机械应力。过去，常用的焊料材料是SnPb合金，但由于其含有有毒的Pb元素，不符合环保要求，所以需要寻找替代品。目前，业界较为认可的无铅焊料以SnAg3Cu0.5为代表，但其熔点较高，导致组装温度上升，对元器件和基板的耐温性能提出了更高的要求。SnBi合金是一种低熔点、低成本、低毒性的焊料材料，有一定的应用潜力，但其力学性能和电学性能较差，需要通过添加其他元素来改善。Ag是一种常用的添加元素，可以提高焊料的熔点、强度和导电性，但也会增加焊料的成本和脆性。因此，研究添加Ag对SnBiAg焊料在LED封装中的可靠性影响，对于优化焊料性能、选择合适的焊料配比具有重要意义。
图1. SMD表面贴装LED封装结构
为了研究添加Ag对SnBiAg焊料LED封装可靠性的影响，Myung等人采用了SnBi58、SnBi57.6Ag0.4和SnBi57Ag1三种焊料，将LED元件封装连接在具有OSP表面处理的Cu垫的PCB上，然后在85°C下进行了100、300、500和1000h的老化试验，分别测试了焊点的剪切强度和电流-电压特性，并对焊点的微观结构和组成进行了观察和分析。
焊点的微观结构直接影响了焊点的机械性能和电学性能，主要取决于焊料的成分、熔化和凝固过程、界面反应和老化条件等因素。图2展示了85°C老化后焊点的SEM照片。回流焊后形成Cu6Sn5 IMC层。在SnBi57.6Ag4焊料中，存在小于1μm的Ag3Sn颗粒，而SnBi焊料中加入1%Ag后，在Cu6Sn5层上形成大的Ag3Sn IMC。
图2. 不同老化时间的焊点的截面扫描电镜显微照片
IMC层的厚度对焊点的可靠性有重要影响，一般来说，过厚的IMC层会增加焊点的脆性和应力集中，导致焊点的失效。图3显示了CuSn65 IMC厚度随老化时间的变化。老化300小时后，SnBi58焊料的Cu6Sn5 IMC厚度明显高于SnBi57.6Ag0.4和SnBi57Ag1焊料。这是由于焊料中添加的Ag与Sn反应形成了Ag3Sn IMC，消耗了焊料基体中的Sn，因此Cu没有与Sn充分反应而导致IMC的厚度相对低于SnBi58焊料。
图3. 焊点中的 IMC 厚度与老化时间的函数关系
图4显示了不同时间的热老化对结合强度和断裂性能的影响。结合强度和断裂性能都随着老化时间的增加而降低，这可能是由于随着老化时间的增加，Cu6Sn5 IMC层的生长以及富锡相和富铋相的粗化所致。当Ag含量为1wt%时，结合强度和断裂性能的值更高，即焊点的可靠性更高。
图4.不同焊料合金成分焊点的结合强度(a)和断裂性能(b)
图5显示LED封装I-V曲线与老化时间的关系。通过斜率计算焊点电阻，添加Ag后，SnBi58和SnBi57Ag1焊点电阻相差约4%。然而，随老化时间增加而导致IMC层生长，SnBi58和SnBi57Ag1焊点电阻分别增加了3.4%和2.2%，即随着老化时间增加，焊点电阻率增加。焊点的电阻率对LED封装的性能有重要影响，一般来说，电阻率越低，焊点的导电性越好，LED封装的性能越好。
图5. LED封装的 I-V 曲线与老化时间的关系；a SnBi58 和 b SnBi57Ag1 焊点
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Myung, W.-R., Ko, M.-K., Kim, Y., & Jung, S.-B. (2015). Effects of Ag content on the reliability of LED package component with Sn–Bi–Ag solder. Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 26(11), 8707–8713. doi:10.1007/s10854-015-3546-6
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