Low Voiding Reliable Solder Interconnects for LED Packages on Metal Core PCBs (Chinese)

低空洞，高可靠的焊接互连结构用于金属芯互连结构用于金属芯印刷电路板的LED封装

阮金全先生

爱法－技术总监

大纲/目录大纲/目录

• 简介简介

• 组装

– 组件组件

– 材料

– 工艺

• 试验结果

• 结论

• 问答

PRIVILEGED AND CONFIDENTIAL MATERIALS

简介 LED封装简介 – LED封装

• 用于商业和室外住宅照明的LED封装的光通维持用于商业和室外住宅照明的LED封装的光通维持要求是于运行35,000小时和3年保质期后，50%总体的光通维持率为70%（能源之星A；IESNA LM-80）

• 良好的散热管理是让LED灯提供长期稳定的光输出（亮度）和色温的关键。

– 低空洞焊点，低热阻


组装结构组装结构

• 本研究使用市售的LED封装、金属芯印刷电路板本研究使用市售的LED封装、金属芯印刷电路板和焊膏– Luxeon Rebel LED – 铝芯、铜电路及2种电介质的金属芯印刷电路板基板

– 4种焊膏：无铅、免清洗、完全不含卤素、 4种合金


LED 封装LED 封装

• 陶瓷基板及金属互连结构陶瓷基板及金属互连结构的表面贴装封装

• 可焊接至下一级基板：底部（ LED下方铺设了散热部（ LED下方铺设了散热垫，电气连接处铺设了2个垫子）

• LED面为硬硅胶透镜


金属芯印刷电路板（MCPCB）金属芯印刷电路板（MCPCB）

• 铝芯、铜电路和2种电介铝铜电路和种电介质– 电介质A：高导热，可将热

传导至金属芯传导至金属芯

– 电介质B：低模量，以减少焊点应变，特别是当封装与电路板之间大型CTE不匹配电路板之间大型CTE不匹配时


焊膏焊膏

所有焊膏均是3号无铅粉末，免清洗、完全不含卤素所有焊膏均是3号无铅粉末，免清洗、完全不含卤素

编号合金属性

A SAC305 应用范围广泛

B Maxrel 优越的抗蠕变性，B Maxrel 优越的抗蠕变性，

温度循环 / 振动性能

C SACX PlusTM 银含量低，成本降低0807

银含量低成本降低

D SnBiAg 熔点低（<140°C）


组装工艺及测试组装工艺及测试

• 每块电路板安装36个LED；每种焊膏和电介质用每块电路板安装36个LED；每种焊膏和电介质用于5块电路板

• 标准SMT设备：印刷、P/P、回流标准S 设备：印刷、 / 、回流

• 焊膏印刷：5mil 网板，接触印刷速度为2.54cm/sec；压力为268gf/cm；网板脱模速度为g0.051cm/sec

• 高保温曲线空气回流

• 通过X射线检查空洞百分比；每块电路板测量50%焊点


回流曲线测试回流曲线测试

SAC305焊膏及B类电介质的金属芯印刷电路板

Boxplot of % Voids - MCPCB with Type B Dielectric; SAC305 Paste

焊膏及类电介质的金属印刷电路板

预检测试的高保温及直线式回流曲线

空洞百分比箱线图－B类电介质金属心印刷电路板；SAC305合金焊膏

25

20

p yp ;

15

10% V

oids

5

0

5.875.71


Str RampHigh SoakProfile

高保温直线式

回流焊温度曲线 SAC及M l合金焊膏回流焊温度曲线－SAC及Maxrel合金焊膏

150-200°C，115秒保温；峰值240°C；67秒 TAL150 200 C，115秒保温；峰值240 C；67秒 TAL


回流温度曲线 S BiA 合金焊膏回流温度曲线－SnBiAg 合金焊膏

100-110°C，75秒保温；峰值175°C；60秒 TAL100 110 C，75秒保温；峰值175 C；60秒 TAL


测试结果


电介质和焊膏合金的主要效应图电介质和焊膏合金的主要效应图

Main Effects Plot for % Voids空洞百分比主要效应图：

20.0 Board Dielectric Paste Alloy

Data Means具体平均值

17.5

15.0

n

12.5

10.0

Mea

n

7.5

5 0


BA5.0

SnBiAgSACX0807SAC305Maxrel

空洞百分比与电介质空洞百分比与电介质

Boxplot of % Voids空洞率百分比箱线图

35

30

25

20

Voi

ds

15

10

% V

10.80510.465

BA

5

0


Board Dielectric

空洞率与焊膏合金及电介质空洞率与焊膏合金及电介质

Boxplot of % Voids空洞百分比箱线图

35

30

25

20

Voi

ds 20

15

10

% V

Board Dielectric BABABABA

5

0


Paste AlloyBoard Dielectric

SnBiAgSACX0807SAC305MaxrelBABABABA

空洞尺寸空洞尺寸

LED Assembly Voids SizesLED组装空洞尺寸

80%

90%

100%B Diel/ SAC305A Diel/ SAC305A Diel/ SnBiAgB Diel/ SnBiAg

LED组装空洞尺寸

50%

60%

70%

80%

Join

ts

B Diel/ SnBiAgA Diel/ MaxrelB Diel/ MaxrelA Diel/ SACX0807B Diel/ SACX0807

20%

30%

40%

50%

% o

f J

0%

10%

20%

ZERO 0-4% 4-8% 8-12% 12-16% 16-20% >20%


Void Size as % of Joint Area

平均空洞尺寸平均空洞尺寸

LED Assembly Average Void SizeLED组装平均空洞尺寸

0.6

0.7

area

) Dielectric ADielectric B

0.4

0.5

e (%

join

t a

0.2

0.3

e Vo

id S

ize

0

0.1

SAC305 M l SACX0807 S BiA

Ave

rg


SAC305 Maxrel SACX0807 SnBiAgPaste Alloy

最大空洞尺寸最大空洞尺寸

LED Assembly Max. Void SizeLED组装最大空洞尺寸

25.0

30.0

area

) Dielectric ADielectric B

最尺寸

15.0

20.0

e (%

join

t a

10.0

15.0

x. V

oid

Size

0.0

5.0

SAC305 Maxrel SACX0807 SnBiAg

Max


g

Paste Alloy

典型X射线空洞图像典型X射线空洞图像

焊膏合金 / SAC305 Maxrel SACXTM SnBiAg焊膏合金 /电介质类型

SAC305 Maxrel SACX0807

SnBiAg

电介质A的金属芯印刷电路板

空洞百分比 9.3 15.8 10.0 11.6

电介质B的金属芯印金属芯印刷电路板

空洞百分比


空洞百分比 7.2 12.6 12.3 12.3

总结/结论总结/结论

• 在LED表面贴装和2种不同电介质的金属芯印刷电路板基板之间形成的回流焊点处对种不同的金属合金焊膏的空洞百分比进行评成的回流焊点处，对4种不同的金属合金焊膏的空洞百分比进行评估

• 整体而言，电介质类型对焊点的空洞百分比影响很小，而焊料合金对其影响更为重要金对其影响更为重要

• 所有焊膏中，A类电介质的电路板产生了最低平均空洞尺寸和最大空洞尺寸，SnBiAg焊膏产生的空洞尺寸是最小

整体而言超过90％的焊点的空洞尺寸是小于或等于焊点面积的4• 整体而言，超过90％的焊点的空洞尺寸是小于或等于焊点面积的4％，以及平均空洞面积小于20％

• SAC305合金焊膏结合B类电路板电介质产生了最低空洞面积（<8 5%）（<8.5%）

• 本研究的电路板将会进行进一步的测试，包括通过切片分析来进行电气／光学、芯片剪切、热循环/冲击和焊点特征测试


谢谢！


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