热应力基础理论和有限元数值模拟分析及LED键合线热应力分析

　　LED是一种直接将电能转化为光能的半导体光源，具有节能、环保、安全、寿命长、低功耗等特点，广泛应用于指示、显示、装饰、背光源、普通照明等领域［1］。其芯片与基板之间通常采用引线键合进行电气连接，即通过热、压力、超声波等能量使金属引线与被焊焊盘发生原子间扩散互溶，实现芯片电极-键合线-基板彼此之间的键合连接。

　　在LED的生产制造中，为了解、评价、分析和提高LED的环境适应性，常对LED进行相关可靠性试验［2］，冷热冲击试验即为其中一种。该实验通过对LED施加周期性瞬变的冷热温度循环，试验其所能承受的因热胀冷缩所引起的化学变化或物理伤害。在该试验中，LED键合线常成为其中的薄弱部位，其在试验中的断线与否对LED可靠性起着关键性作用。

　　为了了解LED键合线在冷热冲击试验下的断裂机理，本文从材料的热应力基础理论出发，构建冷热冲击条件下的LED键合线模型，并通过有限元数值模拟对键合线的热应力进行计算分析，进而确认键合线热应力分布情况及影响热应力的相关参数。

　　1、热应力基础理论

　　热应力又称温变应力。产生热应力的必要条件是存在温差，当温差引起的结构形变受到约束时即可产生热应力。约束有三种形式，即外部刚性约束、内部各部分之间变形约束以及不同材料之间的相互变形约束。对于LED而言，冷热冲击条件下，LED受到周期性的热胀冷缩，各材料之间热膨胀系数不同又相互约束，因此在各材料界面，极易产生应力集中。

　　2、 有限元数值模拟分析

　　2.1 有限元模型建立

　　本文首先针对实际使用的小电极LED器件模型进行了三维几何构建，如图1所示。其中键合线由芯片电极植球引出，向支架焊盘处实现楔形键合。芯片、支架、键合线、封装胶一一装配约束。

　　（a）LED器件几何模型（b）LED键合线几何模型

　　图1 LED三维几何模型