當溫度上升至100℃時, LED各材料發生膨脹變形,同樣由於膠體的膨脹變形較大,對鍵合線造成向外的拉伸應力,如圖6所示,鍵合線向外側傾倒。
圖6 100℃ LED鍵合線拉伸變形圖
鍵合線線弧內側最大拉應力位於直線段與線弧段的過渡拐點,外側最大拉應力位於直線段與焊球之間的鍵合點,線弧外側受到的拉應力大於線弧內側受到的拉應力,如圖7所示。
(a)線弧內側(b)線弧外側
圖7 100℃鍵合線線弧拉應力分布圖
總體而言,冷熱衝擊過程中金屬線的最大熱應力如表2所示。可以看到:LED鍵合線在100℃高溫段受到的熱應力最大,應力最大點位於線弧直線段與焊球之間的鍵合點。
表2冷熱衝擊過程金屬線最大熱應力表
為了進一步分析該鍵合點應力最大的原因,我們將鍵合線拆分為以下幾個關鍵位置點:金屬球與小電極的鍵合點(A點)、直線與金屬球過渡點(B點)、線弧任一位置(C點)、弧線與魚尾過渡點(D點)、魚尾與支架鍵合點(E點),如圖8所示。以各點所在界面為分界面,通過分析界面處應力情況及界面兩側部件受力情況,對界面處的綜合受力情況進行分析。
圖8鍵合線關鍵位置點示意圖
對各點受溫度變化產生的熱應力進行逐一比較:A點所在界面為晶片電極、金屬球界面。如表1所示,界面處兩種材料的熱膨脹係數差微小,即可同時進行收縮膨脹,應力較小。另A界面的金球一側同時受到來自膠體收縮膨脹的切向力,但由於A界面面積較大且為剛性連接面,因此在應力牽扯下應變小,不易斷裂。
B點所處界面為小直徑金屬線、大直徑金屬球界面。當外部環境發生溫度變化,界面兩側材料相同,熱膨脹係數相同,因此應力主要來源於膠體。相比於A界面,B點界面要小的多,極易出現應力集中尖角,產生極大熱應力,冷熱反覆下出現疲勞斷裂。
C點界面為金屬線與金屬線界面,由於界面處及界面兩側空間受力完全一致,且其界面為撓性接觸面,金屬線不論沿徑向還是法向都可與封裝膠同步發生伸縮形變,因此相對A、B點應力要顯著減小。
D點界面為金屬線、魚尾界面,其中金屬線與魚尾部分為剛性連接,且界面面積小,同B點類似,也是應力尖角位置。在小電極LED中,D點金屬線平滑過渡到魚尾,金屬線與魚尾之間的面積差相對較小,因此D點的應力要次於B點的應力,這從圖5(b)、圖7(b)中也可以看出。
E點界面與A點類似,為魚尾、支架焊盤與封裝膠的三界面,雖然魚尾與支架焊盤存在剛性連接,但界面面積大,受溫度變化產生的熱應力相對較小。
綜合來看,在冷熱衝擊過程中,鍵合線B點受到的熱應力最大,D點次之,C點再次之,A、E兩點受到的熱應力最小。