全世界可接受的LED光源推動這項(xiàng)節(jié)能技術(shù)進(jìn)入大量市場與最終應(yīng)用，包括高功率照明市場。應(yīng)用例子包括汽車外部的前照燈，道路/街道照明燈，工業(yè)用高頂棚燈，建筑和娛樂照明。因此，客戶對維護(hù)效率、管理規(guī)定、安全性，以及降低整個系統(tǒng)/替換成本的期望對提升采用率非常重要。

對于這些高可靠性要求和使用壽命要求，具備良好的組件互連可靠性對解決上述問題至關(guān)重要。

在LED Level 1（芯片連接）和Level 2（把封裝固定在電路板上）的焊錫互連的基本作用是：

l 在額定使用壽命期內(nèi)可靠并高效地傳輸功率和信息。

l 熱管理——在額定使用壽命期內(nèi)迅速可靠地散熱。

l 在封裝和系統(tǒng)尺寸相同情況下，在更長時(shí)間內(nèi)，持續(xù)發(fā)出更亮的光。

l 能夠在更穩(wěn)定的處理?xiàng)l件下進(jìn)行處理加工，例如多次回流組裝。

焊錫中的空洞是在焊接過程中由助焊劑產(chǎn)生的氣體滯留在焊錫中形成的，這些空洞可能會引起各種電信號問題，在需要散熱時(shí)可能會起到熱阻的作用，而且它們還會成為裂紋擴(kuò)展和組件早期失效的根源。圖1是在厚的焊錫層中的大面積空洞。出現(xiàn)空洞的現(xiàn)象是一個復(fù)雜的機(jī)制；有許多因素會導(dǎo)致焊錫中形成不同程度的空洞。形成空洞的因素包括：助焊劑的化學(xué)成分，回流溫度曲線，材料的體積，可焊接的焊盤表面層和元件焊盤（熱屬性和電屬性）的設(shè)計(jì)。

翻譯：元件主體、元件上的銅層、焊錫

圖1：滯留在焊錫層中的氣體形成空洞。

對于Level 1的LED芯片貼裝組件，從易于處理和成本的角度看，使用傳統(tǒng)的焊錫是它的優(yōu)勢。但是，對于高功率和超高功率的LED，熱管理的重要性非常突出。在LED中的結(jié)合點(diǎn)的溫度將隨著驅(qū)動電流的增大而上升。因?yàn)樵贚ED中驅(qū)動電流在非常高時(shí)散熱效率下降，從而造成超過50%電輸入功率以熱量的形式耗散，在連接點(diǎn)中的溫度上升，通過增加無輻射重組，減少光的輸出，導(dǎo)致發(fā)光效率下降，額定使用壽命變短。因此，為了保持高功率LED封裝的光轉(zhuǎn)換效率和光輸出，必須把熱量從連接點(diǎn)中散發(fā)出去。高功率LED封裝中構(gòu)成熱流路徑的各個部分如圖2所示。

翻譯：焊錫/互連、發(fā)出的光、LED、電路板、散熱片、周圍的空氣、從LED傳導(dǎo)出的熱量

圖2：高功率LED里的傳熱路徑

此外，對于Level 1，使用焊錫基芯片來處理LED封裝需要貼裝到電路板上，而Level 2組裝需要具備進(jìn)行多次回流焊的能力。對同一個厚的焊錫層進(jìn)行多次回流，這可能會提高空洞水平，從而影響Level 1焊錫的整體可靠性。

對于在電路板上Level 2封裝組裝件，開始逐步更多地把LED和各種傳統(tǒng)的IC元件，例如BGA、D-Pak和MLF，集成起來，直接安裝到同一塊電路板上。對LED照明系統(tǒng)的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出通用照明的要求，需要提供更復(fù)雜的功能，例如控制、傳感和調(diào)制功能。大面積空洞可能會造成電信號問題，或者因熱循環(huán)/熱疲勞產(chǎn)生裂縫，因而在第二層上需要更牢固、少空洞的互相連接。

從設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)、尺寸到封裝材料，比如陶瓷和塑料，在LED行業(yè)中使用的LED設(shè)計(jì)多種多樣。這個實(shí)驗(yàn)的目的是觀察三種不同結(jié)構(gòu)形成空洞的效果，這些結(jié)構(gòu)中最主要的差別是焊盤的幾何尺寸。例如，2號焊盤設(shè)計(jì)的陽極和陰極是對稱的，3號焊盤設(shè)計(jì)是大高寬比，中央熱焊盤的總面積比陽極和陰極的面積略大，3號焊盤設(shè)計(jì)的中央熱焊盤的總面積比陽極和陰極的面積大很多。表2說明LED焊盤的總面積和結(jié)構(gòu)。

在這項(xiàng)研究中使用的基板是定制設(shè)計(jì)的鋁芯電路板。這塊PCB的具體情況見表1。

表1：測試樣本的具體情況。

在這個研究中，我們選擇了三種幾何尺寸不同的商用大功率LED。LED的陽極、陰極和熱焊盤尺寸的參數(shù)見表2。所有尺寸都以毫米為單位。選擇這些LED的目的是模擬在高功率和超高功率LED組件中經(jīng)常會選擇的封裝。

表2：LED的焊盤尺寸（毫米）

這項(xiàng)研究使用一種商用免洗焊錫膏，這種焊錫膏的合金是一種四型粒度的SAC基合金（粒度為38-20微米（至少80%在此粒度范圍里））。

使用DEK Horizon 03iX印刷機(jī)印刷焊錫膏，使用厚度為4密爾的激光切割不銹鋼模板，模板孔尺寸與焊盤尺寸的比為1比1。對所有焊錫膏使用的模板印刷參數(shù)見表3。

表3：印刷條件。

在這項(xiàng)研究中使用的浸泡回流溫度曲線如圖2所示，溫度變化見表4。

表4：在這項(xiàng)研究中使用的回流溫度曲線。

圖3：回流溫度曲線的視圖。

為衡量和量化改變焊錫膏和不同LED焊盤設(shè)計(jì)的空洞性能，把經(jīng)過組裝和回流的電路板載入X光分析單元，并且通過編程來量化每個空洞的面積占焊盤總面積的百分比和在封裝下面的空洞數(shù)量。

這項(xiàng)研究的結(jié)果如圖4所示。

翻譯：不同LED封裝設(shè)計(jì)的空洞面積百分率、空洞的百分率

圖4：不同LED封裝設(shè)計(jì)的空洞百分比。

表5：LED設(shè)計(jì)中熱焊盤與電焊盤的尺寸差別。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，焊盤設(shè)計(jì)對確定封裝的空洞水平的影響非常明顯。對于選定的封裝中，物理焊盤面積差別最大和不對稱設(shè)計(jì)，產(chǎn)生空洞水平最高。對于特定的LED封裝，這會直接關(guān)系到涂布的焊錫總體積。表5說明確定設(shè)計(jì)的焊盤的尺寸變化情況。眾所周知，在同一塊電路板上的焊錫體積不同，通過調(diào)整回流溫度曲線設(shè)置來平衡助焊劑成分的活化作用與蒸發(fā)作用會變得非常困難。焊錫體積較少時(shí)活化劑的消耗速度要比焊錫體積較大的要快一些，而且當(dāng)焊錫體積較大，也需要非常長的浸泡溫度曲線來消除掉助焊劑系統(tǒng)中的稀釋劑、溶劑。

為了優(yōu)化空洞水平，最常用的做法是調(diào)整回流曲線。在第一組實(shí)驗(yàn)中，采用各種不同的回流溫度曲線，觀察不同的焊錫膏配方對空洞水平的影響?；亓鳒囟惹€的變化包括改變預(yù)熱浸泡時(shí)間和處在液相線之上的時(shí)長。使用同一臺有七個溫區(qū)的對流焊爐在不使用氮?dú)獾那闆r下產(chǎn)生所有的回流溫度曲線。使用內(nèi)部開發(fā)的測試樣本、0.062厚的FR4層壓板，表面層是OSP/銅的焊盤。測試的樣本包括BGA、D-Pak和MLF器件。

使用Nikon Metrix XT V160 2-D X光機(jī)測量空洞。在每一種情況中，改變溫度曲線都會影響觀察到的空洞水平。

我們使用兩條預(yù)熱設(shè)置不同的回流溫度曲線進(jìn)行測試。第一條溫度曲線是常見的直斜坡溫度曲線，在使用這條溫度曲線時(shí)，測試樣本的表面溫度以接近每秒+1.5°C的速率升高到245°C的峰值溫度。第二條溫度曲線的溫度以稍微快一些的速率（+ 1.56°C /秒）升高到約160°C，然后讓組件在溫度160°C到184°C之間“浸泡”約60秒，接著以中等速率（0.96°C /秒）升高到240°C的峰值溫度。

如圖5所示，在BGA 256器件上使用一種焊錫膏時(shí)這兩種回流溫度曲線的效果。焊錫膏的合金和BGA的焊錫球都是用SAC 305合金制作。

使用浸泡溫度曲線的結(jié)果是超過30%的265 BGA的I-O沒有空洞。使用直坡度上升溫度曲線時(shí)，沒有空洞的I-O不到10%。

圖5：形成空洞的結(jié)果。

使用浸泡溫度曲線沒有空洞面積超過8%的BGA焊點(diǎn)，而使用直斜坡溫度曲線的結(jié)果是超過10%焊點(diǎn)的空洞面積在12%到16%之間。與溫度快速上升到峰值溫度相比，有一定預(yù)熱浸泡時(shí)間和在浸泡后溫度以比較慢的速率上升至峰值溫度，可以顯著減少BGA元件中的空洞。

另一個經(jīng)過證明的可以減少空洞的回流溫度曲線調(diào)整方法是延長停留在液相線溫度之上的時(shí)間。這種方法對像MLF、DPAK、TO-252和其他底部終端元件（BTC）這類表面積很大的元件特別有效。

要驗(yàn)證延長停留在液相線溫度之上的時(shí)間的效果，可以用攝像機(jī)拍攝在模擬回流焊中形成空洞的過程。

把焊錫膏涂布在一個大的金屬化表面上。將一片玻璃放在涂布的焊錫膏上。用攝像機(jī)拍攝焊錫膏在經(jīng)歷回流溫度曲線過程中的圖像。在回流溫度曲線達(dá)到關(guān)鍵溫度時(shí)拍攝的圖像可以解釋空洞的形成和消除。

我們可以很容易觀察到有機(jī)溶劑在蒸發(fā)/沸騰時(shí)形成的氣泡。在合金到達(dá)液相線溫度之前，這種排氣現(xiàn)象可以解釋為在用浸泡預(yù)熱溫度曲線替代直線斜坡預(yù)熱溫度曲線時(shí)，空洞減少。形成溶劑的大量氣體在焊錫球熔化之前被趕出來，凝結(jié)成液相；參見圖6。

圖6：在直線斜坡溫度曲線達(dá)到155°C期間排氣。

在溫度曲線的下一個階段，空洞明顯改變；參見圖7。

在155°C時(shí)，空洞不是更小，而是出現(xiàn)空洞的頻率很高，這時(shí)在元件和電路板之間的焊錫中有相當(dāng)大的氣泡。如果讓焊錫冷凝，氣泡將留在大塊的焊錫里。如圖7所示，當(dāng)元件、焊錫、電路板堆疊起來，當(dāng)溫度高于焊錫的液相線溫度時(shí)，從回流模擬器輸入的熱量產(chǎn)生的布朗運(yùn)動力的作用，使這些蒸汽氣泡移動。如果這些氣泡到達(dá)頂部元件的外緣，氣體就會釋放出來，空洞消失?？斩匆坏┫?，就不會有新的氣體滯留在焊錫中（只要在堆疊中的銅的峰值溫度仍然保持在242°C以下）。這就是為什么延長停留在液相線溫度之上的時(shí)間可以大幅度減少在底部終端元件下面的空洞數(shù)量。從圖8中可以看到這個結(jié)果。

圖8：延長停留在液相線溫度以上的時(shí)間后空洞減少。

調(diào)整回流溫度曲線是一種非常簡單用來減少空洞的方法。使用浸泡預(yù)熱溫度曲線可以減少在BGA器件中的空洞。保持峰值溫度低于241°C可以減少在BGA和BTC元件中的空洞。延長停留在液相線之上溫度的時(shí)間也可以很好地減少BTC中的空洞。

焊錫膏中的助焊劑化學(xué)成分是一個很專業(yè)化的課題。不管怎么樣，有大量的實(shí)驗(yàn)證據(jù)證明，在焊錫膏中助焊劑的各種不同的有效成分確實(shí)對形成空洞有或者沒有重要影響，從圖9中可以看到這樣的例子。下面的例子考察兩種焊錫膏的化學(xué)成分和它們在相同工藝和條件下對空洞形成的影響。

翻譯：助焊劑A的化學(xué)成分 、助焊劑B的化學(xué)成分

圖9：焊錫膏的助焊劑的化學(xué)成分與空洞的關(guān)系。

在這項(xiàng)研究中使用的基板是一塊定制設(shè)計(jì)的鋁芯印刷電路板。下面的表6說明這塊基板的具體參數(shù)。

表6：測試樣本的詳細(xì)情況。

LED元件

這項(xiàng)研究選擇一種商用陶瓷LED。這個LED的詳細(xì)信息如圖10所示。

圖10：商用陶瓷LED封裝。

這項(xiàng)研究使用兩種商用免洗Lumet焊錫膏。用碾成粉狀的材料配成焊錫膏A，得到低空洞水平，而焊錫膏B是作為標(biāo)準(zhǔn)焊錫膏。

使用DEK Horizon 03iX印刷機(jī)印刷焊錫膏，使用4毫米厚的激光切割不銹鋼模板，模板孔尺寸與焊盤尺寸的比率是1比1。所有焊錫膏的模板印刷參數(shù)見表7。

表7：印刷條件。

使用來自工藝案例學(xué)到的知識生成一條浸泡回流溫度曲線，這條溫度曲線的浸泡溫度180-200°C，時(shí)長為90秒，峰值溫度為255°C，在液相線溫度之上停留時(shí)間（TAL）80秒，圖11就是這條溫度曲線。

圖11：回流溫度曲線視圖。

為了測量和量化形成空洞的性能，使用X光分析單元進(jìn)行編程來量化每個空洞的面積占焊盤總面積的百分比和封裝下面的空洞數(shù)量。圖12是這項(xiàng)研究的封裝底部區(qū)域的X光圖像。

圖12：焊接的陶瓷基LED封裝的X光圖像。

這項(xiàng)研究的結(jié)果如圖13和表8所示。

圖13：焊錫膏A與焊錫膏B的X光空洞圖像。

表8：空洞尺寸和出現(xiàn)頻率。

在相同的處理?xiàng)l件下，焊錫膏A的空洞百分率確實(shí)更好。焊錫膏A產(chǎn)生的物理空洞數(shù)量比焊錫膏B低40%，空洞占焊盤總面積的平均百分比為10%，比焊錫膏B的19%低9個點(diǎn)。從結(jié)果中可以看到，這兩種焊錫膏的各種有用的成分有或沒有影響空洞形成方向。作為通用的指南，充分理解在提供低空洞的焊錫膏和其他可能會受到影響的焊錫膏特性之間進(jìn)行取舍，這是非常重要的。這個決定將取決于特定應(yīng)用或客戶要求的可接受的空洞標(biāo)準(zhǔn)。