Manufacturing Technology

PCB板上芯片LED系统的热管理

如今，典型的照明是基于LED技术的，由于许多材料在这样的照明系统中相互作用，因此故障模式的种类也在增加。因此，设计和材料问题对于此类电子系统的可靠性至关重要。它的测试对于保证持久耐用的LED系统至关重要。

LED必须特别注意热管理，因为热应力是电子系统故障模式的主要诱因之一。要预测 LED系统的使用寿命并确保其可靠性，需要了解关键故障。在本文中，基于四个倒装芯片LED的LED模块通过使用热阻抗分析在电源开关测试 (SST) 期间的可靠性和老化现象的设计方面进行了研究。

测试设备和方法

研究的LED模块由四个蓝色倒装芯片LED组成，通过印刷电路板 (PCB) 铜电极上的 SnAgCu (SAC305) 焊点串联电连接。此处，LED模块没有底部填充。PCB通过热界面材料 (TIM) 安装在液冷散热器上。在图 1a中可以看到倒装芯片 (fc)LED模块的示意图。

电源开关测试 (SST) 用于可靠性测试。由于LED结处发生功率损耗，该 SST 会导致主动发热。LED模块安装在散热器上 (Ts=8°C)。然后使用7W的功率负载将系统加热到Tj=125°C，停留时间为30秒。之后，系统关闭，停留时间也为 30 秒。重复该循环以研究LED模块的老化现象并了解封装的预期使用寿命。LED模块的基于有源电流的加热是使用商用可编程电源完成的。在SST开始和期间，对LED 模块进行热监测以控制其热性能并分析其可靠性。LED模块的热性能评价是通过热阻抗分析进行的。根据 JESD 51-14 标准，使用商用热测试设备和随附的分析软件进行了实验研究。

使用商业有限体积软件对热路径进行了模拟。在实验和模拟中，都生成了结构函数。结构函数将LED模块中从结到散热器的热路径表示为一维热阻和热容的热等效网络。这些结构函数的比较可以验证热模型。经过验证的结构函数提供了对LED模块内热路径的理解。通过调整模拟中的一个特定参数，结构函数的变化可用于识别 LED系统热路径变化的来源 。例如，

LED的初始状态及其老化现象

在开始可靠性测试之前，LED系统的初始状态由热阻抗分析确定。结构函数是从测量和有限体积模拟中生成的。结构功能分为四个不同的部分 (dRth1-4)。dRth部分被选择为结构函数中两个重要峰之间的距离（见图 2）。每个部分都可以解释为 LED系统热路径上的不同区域。相应的经过验证的热模拟使这些部分中的每一个都能够与LED系统中的真实物理区域相关联。图 2显示了四个 dRthLED系统中的结构功能部分及其相应区域，以等温线表示。等温线的温度是每个dRth部分的最高温度。dRth4 分配给LED模块与散热器 TIM 的连接，在系统中具有最大的热阻，其次是 PCB (dRth2)。

为了分析LED系统在 SST 期间的热性能是否发生显着变化，所有LED系统都受到初始控制。在这里，15个LED系统接受了 SST，并分析了每个LED系统的初始热阻。所有15个LED系统的 dRth1-4的初始状态在图 3中显示为概率密度函数。该分析显示了 dRth1-4的高斯分布。dRth4，LED模块与散热器的连接范围最广，其次是dRth2、dRth3和dRth1。

热阻抗分析使我们能够检查LED系统在每个 SST 循环中的性能。在 SST 期间，热总热阻随着循环次数的增加而变高。这表明LED系统内部发生了结构变化。为了揭示结构变化的根本原因，在 SST 期间对 dRth截面进行了分析，并系统地改变了经过验证的模拟的材料参数。LED系统中材料的降解可归因于热路径的变化。这表明在整个 SST 运行时安装没有降级。dRth1 和dRth2 随着循环次数的增加而显着增加，表明LED芯片与 PCB 之间的连接主要受 SST 的影响。总结 SST 的 dRth分析，发现这种互连的老化会导致热阻增加，从而导致 fc LED模块中的结温增加。[11]

预测LED模块的使用寿命

互连老化是LED系统中主要可靠性问题之一的信息可用于创建可靠性模型。可靠性模型允许通过使用参数驱动的监控模型预测失效前的循环次数，从而预测剩余寿命。可靠性模型是通过使用热阻随循环次数的变化而凭经验生成的。参数驱动的监控模型可以表示为，

其中Rth是特定SST循环次数下的热阻，Rth,0是器件的初始热阻，PH是加热功率，系数ΔTpc是SST的初始设定温度摆幅，N是SST 循环的数量，C 和 B 是经验确定的幂律。

等式 1表明两个参数对于可靠性模型很重要：LED模块的初始热阻和 SST 中使用的功率负载。LED系统的应用功率和热阻越高，测试期间的温度摆动就越大。

温度波动的幅度决定了材料降解的速度。可靠性模型还表明，初始总热阻和功率负载这两个参数之间存在较小的交互作用。

图 4的左轴显示了LED系统总热阻的统计分布及其相关的西格玛水平。与具有最高 (15.6 K/W) 和最低 (12.5 K/W) 热阻的LED系统相比，失效前的循环次数最多增加 37 倍。如前所述，该初始热阻主要受LED模块与散热器的连接影响（见图 3）。

不同电力负载的可靠性模型如图 4的右侧轴所示。7W功率负载下的热阻值由实验确定；具有更高功率负载的其他值是从模型计算的。对于平均热阻为14K/W 的 LED系统，结果表明，功率从 10W 降低到 7W（相对增加 43%）会导致出现故障前的循环次数增加八倍。这是由较低的温度波动引起的，这导致互连中的机械应力较低，因此意味着疲劳较慢。

结论

热阻抗分析用于研究 fc LED模块的主要可靠性问题。深入分析阻抗测量，根据相应的结构功能及其 dRth部分，结合热模拟证实焊料疲劳是主要的老化现象。基于此，开发了 SST 的可靠性模型来描述 fc LED模块的老化。封装的寿命在很大程度上取决于 SST 期间经历的温度波动，这由初始热阻和测试期间施加的功率负载决定。