熱應(yīng)力基礎(chǔ)理論和有限元數(shù)值模擬分析及LED鍵合線熱應(yīng)力分析

　　LED是一種直接將電能轉(zhuǎn)化為光能的半導(dǎo)體光源，具有節(jié)能、環(huán)保、安全、壽命長(zhǎng)、低功耗等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于指示、顯示、裝飾、背光源、普通照明等領(lǐng)域［1］。其芯片與基板之間通常采用引線鍵合進(jìn)行電氣連接，即通過(guò)熱、壓力、超聲波等能量使金屬引線與被焊焊盤(pán)發(fā)生原子間擴(kuò)散互溶，實(shí)現(xiàn)芯片電極-鍵合線-基板彼此之間的鍵合連接。

　　在LED的生產(chǎn)制造中，為了解、評(píng)價(jià)、分析和提高LED的環(huán)境適應(yīng)性，常對(duì)LED進(jìn)行相關(guān)可靠性試驗(yàn)［2］，冷熱沖擊試驗(yàn)即為其中一種。該實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)LED施加周期性瞬變的冷熱溫度循環(huán)，試驗(yàn)其所能承受的因熱脹冷縮所引起的化學(xué)變化或物理傷害。在該試驗(yàn)中，LED鍵合線常成為其中的薄弱部位，其在試驗(yàn)中的斷線與否對(duì)LED可靠性起著關(guān)鍵性作用。

　　為了了解LED鍵合線在冷熱沖擊試驗(yàn)下的斷裂機(jī)理，本文從材料的熱應(yīng)力基礎(chǔ)理論出發(fā)，構(gòu)建冷熱沖擊條件下的LED鍵合線模型，并通過(guò)有限元數(shù)值模擬對(duì)鍵合線的熱應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析，進(jìn)而確認(rèn)鍵合線熱應(yīng)力分布情況及影響熱應(yīng)力的相關(guān)參數(shù)。

　　1、熱應(yīng)力基礎(chǔ)理論

　　熱應(yīng)力又稱溫變應(yīng)力。產(chǎn)生熱應(yīng)力的必要條件是存在溫差，當(dāng)溫差引起的結(jié)構(gòu)形變受到約束時(shí)即可產(chǎn)生熱應(yīng)力。約束有三種形式，即外部剛性約束、內(nèi)部各部分之間變形約束以及不同材料之間的相互變形約束。對(duì)于LED而言，冷熱沖擊條件下，LED受到周期性的熱脹冷縮，各材料之間熱膨脹系數(shù)不同又相互約束，因此在各材料界面，極易產(chǎn)生應(yīng)力集中。

　　2、 有限元數(shù)值模擬分析

　　2.1 有限元模型建立

　　本文首先針對(duì)實(shí)際使用的小電極LED器件模型進(jìn)行了三維幾何構(gòu)建，如圖1所示。其中鍵合線由芯片電極植球引出，向支架焊盤(pán)處實(shí)現(xiàn)楔形鍵合。芯片、支架、鍵合線、封裝膠一一裝配約束。

　?。╝）LED器件幾何模型（b）LED鍵合線幾何模型

　　圖1 LED三維幾何模型