摘要：LED(Light-Emitting-Diode )以其高光效、低功耗的绿色节能优越性，成为新时期下的主流光源。目前LED主要依赖于引线键合（Wire-Bonding）的方式将芯片电极与基板互连实现电气连接，而键合线往往在冷热冲击试验过程中出现断裂问题，导致LED死灯失效，严重影响了LED的可靠性。本文针对这一问题，通过有限元数值分析，通过加载周期性的温度载荷模拟LED键合线在冷热冲击下受到的热载荷，分析了LED键合线在该热载荷条件下的应力分布情况，并探讨了不同引线线弧模式对键合线热应力的影响，为LED引线键合的工艺优化提供了参考。

 关键词：LED；引线键合；冷热冲击；热应力；数值模拟

0 序言

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。

根据线性热应力理论，微元体的总应变由两部分组成：一部分由温度变化引起，另一部分由应力引起，即：   

     根据传热学原理，一维等截面杆由温度产生的结构形变（即热应变）为： 

其中，-材料线膨胀系数，-温差，-一维方向初始长度，-长度变化。

对于各向同性的三维结构，以上应变在各个方向均相同，但并不产生剪应变，即存在： 

 因此，平面结构（即 =0时）的热应变为：
 

而弹性应变是由应力引起的：

所以在存在热应变的情况下，结构物理方程为：

式中,[D] -计算平面应力问题的弹性矩阵， [B]-应变矩阵。根据弹性力学公式：

写成矩阵形式写成：

这里的  是平面应力问题中的单元刚度矩阵和节点力矩阵。

 式中 是由于温度变化而增加的单元变温等效节点载荷矩阵。

通过求解温度方程求出各个节点的温度值以后，就可以求出温度载荷，式中单元的温升可以取各个节点的温升的平均值 ，即：
    

式中 —计算出的节点温度；

—结构的初始温度将求解域中所有单元的变温等效节点载荷叠加后，形成整个结构的温度载荷阵列，即：

最后，将得到的温度变化 视为一种温度载荷，并形成温度载荷列阵后，就可以按与静力分析相同的方法求解热变形，则求解热变形的刚度方程为：

 解上式可以求出结构的热变形 ，进而能求出相应的热应力。

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：

式中 —等效应力(Pa)；

—X 方向正应力(Pa)；

—Y 方向正应力(Pa)；

—Z 方向正应力(Pa)；

—垂直于 X 轴平面的 Y 方向剪应力(Pa)；

—垂直于 Y 轴平面的 Z 方向剪应力(Pa)；

—垂直于 X 轴平面的 Z 方向剪应力(Pa)

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]。

2  有限元数值模拟分析

2.1 有限元模型建立

 本文首先针对实际使用的小电极LED器件模型进行了三维几何构建，如图1所示。其中键合线由芯片电极植球引出，向支架焊盘处实现楔形键合。芯片、支架、键合线、封装胶一一装配约束。

(a)LED器件几何模型(b)LED键合线几何模型 

图1 LED三维几何模型

LED器件模型中的主要材料热力学特性参数如表1所示，包括密度ρ、热膨胀系数α、弹性模量E、泊松比ν和传热系数K。

 表1 材料特性参数

 为了求解LED三维模型的热应力，特别是LED键合线的热应力分布，对封装结构进行了有限元网格划分，其中芯片及电极等细微结构部分进行精细化分，如图2所示。

图2LED三维有限元模型

 以冷热冲击试验条件对LED有限元模型施加温度载荷，如图3所示。高低温温度区间为（-40℃-100℃），保温时间为30min，升/降温时间为10s，零应力参考温度为25℃。

图3 LED有限元模型温度载荷

 对LED有限元模型中心施以刚性约束，其余部分可自由发生形变。
     
       2.2LED键合线热应力分析

从有限元数值分析结果来看，对于小电极LED，在冷热冲击试验条件下，LED各封装材料发生周期性地膨胀与收缩。当温度下降至﹣40℃时， LED各材料发生收缩变形，由于封装胶热膨胀系数明显大于金线，因此键合线受到封装胶收缩产生的向内压应力，如图4所示，键合线线弧呈向内倾倒趋势。

图4 -40℃LED键合线压缩变形图

键合线线弧内侧最大压应力位于直线段与线弧段的过渡拐点，外侧最大压应力位于直线段与焊球之间的键合点，线弧外侧受到的压应力大于线弧内侧受到的压应力，如图5所示。

（a）线弧内侧（b）线弧外侧

图5 -40℃键合线线弧压应力分布图

当温度上升至100℃时， LED各材料发生膨胀变形，同样由于胶体的膨胀变形较大，对键合线造成向外的拉伸应力，如图6所示，键合线向外侧倾倒。

图6  100℃LED键合线拉伸变形图

键合线线弧内侧最大拉应力位于直线段与线弧段的过渡拐点，外侧最大拉应力位于直线段与焊球之间的键合点，线弧外侧受到的拉应力大于线弧内侧受到的拉应力，如图7所示。

     

（a）线弧内侧（b）线弧外侧

图7  100℃键合线线弧拉应力分布图

 总体而言，冷热冲击过程中金属线的最大热应力如表2所示。可以看到：

       LED键合线在100℃高温段受到的热应力最大，应力最大点位于线弧直线段与焊球之间的键合点。

表2冷热冲击过程金属线最大热应力表

为了进一步分析该键合点应力最大的原因，我们将键合线拆分为以下几个关键位置点：金属球与小电极的键合点（A点）、直线与金属球过渡点（B点）、线弧任一位置（C点）、弧线与鱼尾过渡点（D点）、鱼尾与支架键合点（E点），如图8所示。以各点所在界面为分界面，通过分析界面处应力情况及界面两侧部件受力情况，对界面处的综合受力情况进行分析。

图8键合线关键位置点示意图

 对各点受温度变化产生的热应力进行逐一比较：A点所在界面为芯片电极、金属球界面。如表1所示，界面处两种材料的热膨胀系数差微小，即可同时进行收缩膨胀，应力较小。另A界面的金球一侧同时受到来自胶体收缩膨胀的切向力，但由于：

       A界面面积较大且为刚性连接面，因此在应力牵扯下应变小，不易断裂。

B点所处界面为小直径金属线、大直径金属球界面。当外部环境发生温度变化，界面两侧材料相同，热膨胀系数相同，因此应力主要来源于胶体。相比于A界面，B点界面要小的多，极易出现应力集中尖角，产生极大热应力，冷热反复下出现疲劳断裂。

C点界面为金属线与金属线界面，由于界面处及界面两侧空间受力完全一致，且其界面为挠性接触面，金属线不论沿径向还是法向都可与封装胶同步发生伸缩形变，因此相对A、B点应力要显著减小。

D点界面为金属线、鱼尾界面，其中金属线与鱼尾部分为刚性连接，且界面面积小，同B点类似，也是应力尖角位置。在小电极LED中，D点金属线平滑过渡到鱼尾，金属线与鱼尾之间的面积差相对较小，因此D点的应力要次于B点的应力，这从图5（b）、图7（b）中也可以看出。

E点界面与A点类似，为鱼尾、支架焊盘与封装胶的三界面，虽然鱼尾与支架焊盘存在刚性连接，但界面面积大，受温度变化产生的热应力相对较小。

综合来看，在冷热冲击过程中，键合线B点受到的热应力最大，D点次之，C点再次之，A、E两点受到的热应力最小。

2.3不同引线线弧模式对热应力的影响

键合线线弧通常由直线段和弧线段组成，而不同直线段长度与弧线段高度组成了不同的线弧模式。为了分析不同引线线弧模式对键合线的热应力影响，以冷热冲击下的最大等效热应力作为依据，通过有限元数值模拟，针对不同直线长度和弧线高度作正交计算对比，得到了小电极LED不同引线线弧模式下的最大热应力，如表3所示，以直线长度100mm，弧线高度160mm线弧最大应力值为基准进行归一化处理。

表3不同引线线弧模式下的键合线相对热应力对比表

更直观地，从图9中可以看到：存在直线段时，同直线长度条件下，随着弧高的增加，键合线热应力先减小后增大，因此弧线高度存在一最佳值。无直线段时，随着弧高的增加，键合线的热应力增加。

图9同直线长度不同弧高的键合线热应力
 

   从图10中可以看到：同弧高条件下，随着直线长度的增加，键合线热应力先增大后减小。然而在实际制程中，离键合位置较近的材料受高温、超声等影响会发生脆化，在较小应力的条件下同样会发生断裂，因此需一定长度的直线段进行保护。

图10同弧高不同直线长度的键合线热应力
 

综合来看，不同直线长度和弧线段高度所组成的不同引线线弧模式对LED键合线在冷热冲击下所承受的热应力存在影响。匹配优化直线长度和弧线高度，可以有效减小LED键合线热应力，减小键合点位置因长期应力集中造成的疲劳断裂，提高键合线热稳定性，进而提高LED的产品可靠性。
 

3 结论

本文从材料的热应力基础理论出发，针对冷热冲击下的小电极LED键合线热应力分布做了数值模拟分析。结论如下：

（1）由热应力基础理论模型来看，温差越大、材料的热膨胀系数相差越大、材料的弹性模量越大，LED材料受到热应力越大，随着时间增加，材料界面应力集中容易产生疲劳断裂，因此在LED封装中应着重考虑各封装材料之间的材料匹配性。

（2）冷热冲击下，LED引线周期性地受到收缩压应力和膨胀拉应力。对于小电极LED而言，最大应力出现在高温时键合线与焊球之间的过渡位置。

（3）不同引线线弧模式对LED键合线的热应力存在影响；对于小电极LED而言，当直线段较短时，随着弧高的增大，热应力逐渐增大；当直线段较长时，随着弧高的增大，热应力先减小后增大。当弧高一定时，随着直线段的增高，热应力先增大后减小，但由于键合点附近材料易脆化，因此需综合考虑以上因素选取最佳直线段长度。

参考文献

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 [3]. 李景涌. 有限元法[M]. 北京：机械工业出版社,1998:5

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