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

1. 低空洞，高可靠的焊接
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

2. 大纲/目录
• 简介
• 组装
– 组件
– 材料
– 工艺
• 试验结果
• 结论
• 问答
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3. 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
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
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4. 组装结构
• 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
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5. LED 封装
• 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
垫，电气连接处铺设了2
个垫子）
• LED面为硬硅胶透镜
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6. 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
– 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
时
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7. 焊膏
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，
温度循环 / 振动性能
C SACX PlusTM 银含量低 成本降低
银含量低，成本降低
0807
D SnBiAg 熔点低（<140°C）
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8. 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
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
g
0.051cm/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
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9. 回流曲线测试
焊膏及 类电介质的金属 印刷电路板
SAC305焊膏及B类电介质的金属芯印刷电路板
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
Boxplot of % Voids - MCPCB with Type B Dielectric; SAC305 Paste
p yp ;
25
20
15
% Voids
10
5.71 5.87
5
0
High Soak
高保温 Str Ramp
直线式
Profile
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10. 回流焊温度曲线－SAC及Maxrel合金焊膏
回流焊温度曲线 SAC及M l合金焊膏
150 200 C，115秒保温；峰值240 C；67秒
150-200°C，115秒保温；峰值240°C；67秒 TAL
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11. 回流温度曲线－SnBiAg
回流温度曲线 S BiA 合金焊膏
100 110 C，75秒保温；峰值175 C；60秒
100-110°C，75秒保温；峰值175°C；60秒 TAL
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12. 测试结果
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13. 电介质和焊膏合金的主要效应图
空洞百分比主要效应图：
Main Effects Plot for % Voids
Data Means
具体平均值
Board Dielectric Paste Alloy
20.0
17.5
15.0
Mean
n
12.5
10.0
7.5
5.0
50
A B Maxrel SAC305 SACX0807 SnBiAg
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14. 空洞百分比与电介质
空洞率百分比箱线图
Boxplot of % Voids
35
30
25
20
% Voids
V
15
10.465 10.805
10
5
0
A B
Board Dielectric
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15. 空洞率与焊膏合金及电介质
空洞百分比箱线图
Boxplot of % Voids
35
30
25
20 20
% Voids
V
15
10
5
0
Board Dielectric A B A B A B A B
Paste Alloy Maxrel SAC305 SACX0807 SnBiAg
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16. 空洞尺寸
LEDLED组装空洞尺寸 Sizes
Assembly Voids
100%
B Diel/ SAC305
90% A Diel/ SAC305
A Diel/ SnBiAg
80% B Diel/ SnBiAg
A Diel/ Maxrel
70% B Diel/ Maxrel
A Diel/ SACX0807
% of Joints
60%
B Diel/ SACX0807
50%
J
40%
30%
20%
10%
0%
ZERO 0-4% 4-8% 8-12% 12-16% 16-20% >20%
Void Size as % of Joint Area
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17. 平均空洞尺寸
LED Assembly Average Void Size
LED组装平均空洞尺寸
0.7
Dielectric A
Averge Void Size (% joint area)
0.6 Dielectric B
a
0.5
0.4
e
0.3
0.2
0.1
0
SAC305 Maxrel
M l SACX0807 SnBiAg
S BiA
Paste Alloy
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18. 最大空洞尺寸
LED Assembly Max. Void Size
最
LED组装最大空洞尺寸 尺寸
30.0
Dielectric A
Max Void Size (% joint area)
25.0 Dielectric B
a
20.0
15.0
e
10.0
x.
5.0
0.0
SAC305 Maxrel SACX0807 g
SnBiAg
Paste Alloy
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19. 典型X射线空洞图像
焊膏合金 / SAC305 Maxrel SACXTM SnBiAg
电介质类型 0807
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
刷电路板
空洞百分比 7.2 12.6 12.3 12.3
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20. 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4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 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
• 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
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21. 谢 谢！
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