一体化封装LED结温测量与发光特性研究[1]

　　引　言

　　LED因其亮度高、能耗低、体积小、寿命长和安全可靠等特点而被广泛应用于照明、显示及背光领域，被认为是可取代白炽灯、荧光灯和高压气体放电灯的第4代光源[1～4]。但是大功率LED依然存在着光衰、色衰等老化问题及外量子效率不高、封装结构热阻大等散热问题[5，6]。散热问题所造成的结温升高将会引起发光效率降低，寿命缩短[7，8]。所以，作为与LED老化及散热问题息息相关的结温成为整个问题的出发点。

　　LED芯片是整个LED的核心，由于半导体自身特性其与温度紧密相关。环境温度、驱动电流、封装结构、芯片功率和点亮时间等都会造成LED结温的显著变化。而P-N结结温的变化将会影响其光通量、色坐标、光效、相对光谱及正向电压等光电参数[9，10]。因此，如何方便地测量LED结温成为普遍关注的问题。随着结温的升高，LED发光效率和寿命会大幅衰减，所以对LED结温的研究对LED光源的评价、热设计和寿命预测等具有重要意义。

　　2　实　验

　　2.1　封装材料及设备

　　LED芯片购于武汉迪源光电科技有限公司。荧光粉为彩虹LED　YAG　MLY-02D型。荧光粉胶及封装胶分别采用广州杰果电子科技有限公司的8866AB胶和5212AB硅胶。扩晶机和焊线机分别

　　为深圳三合发光电设备有限公司的SH2002型和SH2012型。真空干燥箱为北京科伟永兴仪器有限公司的DZF型。

　　2.2　一体化封装LED的制备

　　实验材料为工业纯铝，切割尺寸为50mm×50mm×5mm。在其表面制造反光杯凹槽，再对其进行氧化绝缘处理。处理步骤为：脱脂→冷水洗→碱蚀(NaOH 浓度为45g/L，50℃，30s)→热水洗→冷水洗→表面光化(HNO3，130g/L，室温，3min)。在反光杯凹槽处固定电极，再在电极上焊接漆包线完成一体化封装基板的制备。用一体化封装基板代替传统封装中的支架、铝基板、热沉，直接将LED芯片固晶到一体化封装基板上。

　　2.3　器件性能表征

　　器件测试在室温下，光谱特性测试使用杭州远方光电信息公司生产的PMS-50紫外-可见-近红外光谱分析系统。热电偶为深圳欣宝科仪仪表研制中心的DM6801A 型;电源为MATRIX 的MPS-3303L-3型线性直流电源;调压器为上海电压调整器厂的TDGC-6型接触调压器;制冷片为天津中环电子制冷技术应用所的TEC1-12706型半导体制冷片;加热片使用华田CTC型220V-41W 加热片。

　　2.4　结温测量

　　一体化封装基板的热阻很低，相当与纯铝热阻。基于其导热快的特点，在LED光源上固定制冷片，5～10min之内热电偶读数稳定，LED光源出现热平衡状态，此时进行其光谱特性的测量。调整制冷片电压，以得到多组数据。热平衡时一体化封装基板温度恒定，而一体化封装基板热阻很低，LED结温与其动态平衡，则可近似认为一体化封装基板温度就是LED结温，误差不会超过0.5℃。

　　3　结果与讨论

　　图1为器件的结温与正向电压的关系。器件为恒流驱动，电流为0.34A。从图可知，随着结温的升高，正向电压出现近似线性的降低，电压从3.428V下降到3.179V。即LED结温与正向电压具有负温度系数特性。这是因为，在高温下，结区缺陷和杂质大量增殖与聚集，其将造成额外复合电流的增加，从而使正向电压下降[14]。

　　图2为器件结温与发光效率及光通量的关系。光效总体较低的原因是器件未添加透镜。由图可知，随着结温的升高，光效及光通量都出现下降趋势。其中光通量的下降速度高于光效的下降速度，而随着结温的升高，电流不变，正向电压降低，即功率也在降低。这说明，功率的下降速度小于光通量的下降速度，即正向电压的下降速度小于光效的下降速度。光通量随着结温升高而出现下降的主要原因是各外延层之间存在一定的晶格失配，从而在界面上形成大量的诸如位错等结构缺陷。高温时，这些缺陷会快速繁衍、增殖，直到侵入发光区，大量的非辐射复合中心的形成将会使器件的注入效率及发光效率降低[15，16]。