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随着发光二极管(LED)输出光功率的增加,其在照明领域得到广泛应用。在发光效率一定的限制下,输出光功率的增加主要依靠输入电功率的增加,导致其结温也随之升高。芯片的热量主要经由焊料层热传导至散热板,高结温至使焊料层承受更高热应力。功率LED要维持稳定的光输出和正常的寿命,需焊料层具有良好的抗疲劳特性。目前国内缺少对功率LED焊料层热疲劳研究。因此,本论文主要围绕功率LED焊料层的可靠性展开深入的研究。
本文将功率循环的试验方法应用于功率LED芯片与基板之间焊料层的可靠性研究。通过导通和断开电流的方式使功率LED产生升温、降温实现对焊料层的热冲击,从而评判焊料层承受热疲劳的能力。利用上述的试验方法,以及搭建的试验平台对功率LED进行热疲劳老化试验,结果表明:在功率LED的I-V曲线无退化,输出光通量退化较小的情况下,热阻退化明显。通过测得管壳温度与光通量的关系,判定光通量的退化主要来源于热阻的增加。功率LED热阻在试验初期基本不变,随着循环次数的增加,热阻呈线性退化。利用加热响应曲线和结构函数法求得其热阻构成,发现热阻退化的主要原因是焊料层热阻的增加。由上述试验数据的分析结果,可得本论文提出的功率循环法可用于功率LED焊料层的可靠性研究。
在650mA、675mA、700mA电流应力下,完成了金锡共晶样品和银浆焊料样品的功率循环试验。通过对热阻退化曲线的初始退化次数和退化率的分析,发现在三种电流应力下均是银浆焊料退化较快,金锡共晶焊料的热疲劳性质优于银浆焊料,表明功率循环法可对不同焊接工艺的焊料进行热疲劳能力的评价。通过对三种电流条件下热疲劳寿命的分析,发现热疲劳寿命与电流呈线性关系,并由此外推出正常工作条件下银浆焊料和金锡共晶焊料的热疲劳寿命。对试验前后的样品利用超声波扫描显微镜(C-SAM)进行检测,发现试验后的样品焊料层有非常明显的空洞产生。通过样品截面显微分析,确定出失效后的焊料层有裂纹生成。
本论文通过ANSYS软件利用间接法模拟了功率LED焊料层的热应力。首先建立三维模型并模拟单个周期内功率循环引起的结温变化情况。其次进行热应力求解,得到单个周期内不同时刻焊料层的等效应力分布云图,给出了焊料层在功率循环过程中热应力的变化情况及应力集中区域。