Page 40 - 電路板季刊第88期

38 專業技術 Sn/Zn/Bi/Sn LED晶片固晶接合

Sn/Zn/Bi/Sn
Sn/Zn/Bi/Sn

LED౺˪ո౺ટΥ
౺˪ո౺ટΥ
LED

李寶真、葉靜諭、唐岳凱、劉正毓教授
中央大學化材所

ɓeۃԊ
隨著高功率LED的快速發展，LED裝置的功率增加幅度已超乎預期，且會產生
大量的熱。若產生的熱無法有效的被消散至環境中，LED元件的發光效率和生命週期
將會大幅降低。因此，封裝後的熱管理對於高功率LED是重要的議題。因此，許多研
究致力於使用具有更高導熱率的新型固晶材料，來增加散熱效率，並且取代較差的银
膠。

過去在光電領域中，通常使用Au-Sn共晶接合將LED晶片和基板進行接合。然
而，高成本和高製程溫度（接近300℃）是使用Au-Sn共晶固晶接合的兩個重要問題。

再者，因為LED晶片、固晶材料和散熱基板之間的熱膨脹係數（CTE）不匹配，在晶
片接合後，裝置中會產生更大的殘餘應力，這會降低LED裝置的性能。
為了解決上述問題，我們決定使用Sn / Bi / Zn / Sn系統將LED晶片和散熱固晶接
合起來。

ɚe࿜ࠅ

低熔點焊料被認為是更好的固晶材料。因其具有良好的潤濕性以及與銅金屬化的
界面反應，其中，Sn-Bi合金系統的共晶點非常低，為139℃，且Sn-Bi合金的熱膨脹
係數非常低（15 x 10 K ），可以降低熱接合製程後裝置中潛在的熱應力。若使用的
-6
-1
Sn-Bi焊料層總厚度大於2 µm時，於長時間的回焊和老化測試之後，會形成一層易碎
的Bi層而引發可靠度問題。因此，在這篇研究中，選擇總厚度小於2 µm的Sn-Bi焊料
層作為LED晶片接合製程的固晶金屬化層。

接合界面處的脆性介金屬化合物（IMC）通常會降低晶片接合界面的可靠度。 文
獻指出，在錫基焊料中添加適量的Zn不僅可以增強其機械性質和潤濕性，亦可以抑制
界面IMC的生長速率。因此，在Sn-Bi二元系統中添加少量的Zn可以提高焊點強度。在
這篇研究中，設計了兩種多層接合結構，分別是Sn / Zn / Bi / Sn 和 Sn / Bi / Zn / Bi /
Sn，將LED晶片接合到Cu散熱基板上。使用Zn / Bi雙層焊料結構和Bi / Zn / Bi夾層焊