大功率LED芯片抗过电应力能力研究[2]

　　3.2 SiC倒装结构LED芯片抗浪涌测试

　　选用市场上一款尺寸为40mil*40mil大小的SiC衬底倒装结构芯片做抗过电应力测试。灯珠在650V浪涌电压下失效，其失效时承受的浪涌波形如图7所示。

　　实验共测试5颗SiC衬底倒装结构LED芯片，其失效时的脉冲峰值电流分别为：29.22A、29.68A、33.57A、35.68A、35.39A。通过对比发现，以上峰值电流比测试过的水平结构芯片抗浪涌峰值电流高出一倍。

　　对浪涌后灯珠分析发现，灯珠完全短路，如图8所示：

　　图9、图10分别为SiC衬底正装结构芯片在1mA和150mA下芯片表面亮度分布图。

　　观察测试SiC衬底的倒装芯片结构的灯珠在1mA与150mA下芯片表面亮度分布图，发现在小电流下芯片亮度分布较均匀，表明芯片电流分布均匀。同时随着电流的增大(150mA)，芯片中没有出现明显的电流分布不均匀现象。

　　对于GaN基蓝光LED，SiC与GaN之间的晶格失配率仅3.4%，远小于蓝石衬底与GaN之间17%的晶格失配，SiC衬底上外延生长的GaN薄膜具有更低的位错缺陷密度，意味着SiC衬底的GaN LED具有更高的内量子效率，适合在大电流密度下工作。另外，SiC的热导率很高(420W/m.K)，是蓝宝石(23-25W/m.K)的十五倍以上[9]，有利于LED器件的散热，提高LED的可靠性。

　　3.3蓝宝石剥离衬底倒装LED芯片抗过电应力测试

　　选用市场上一款尺寸为55mil*55mil以蓝宝石剥离衬底的倒装结构灯珠做过电应力测试。芯片在350V浪涌电压下失效，其失效浪涌波形如图11所示。

　　实验测试的5颗蓝宝石剥离衬底倒装结构灯珠失效时承受的脉冲电流峰值分别为：16.2A、16.59A、12.23A、14.49A、14.53A。

　　图12蓝宝石倒装LED光源浪涌失效后的芯片表面，芯片表面可以明显观察到由于电流拥挤产生的局部温度过高造成的击穿。

　　3.4 SiC衬底垂直结构LED芯片抗过电应力测试

　　选用市场上一款尺寸为55mil*55mil，以SiC为衬底的垂直结构芯片做雷击浪涌测试，芯片在600V浪涌电压下失效。其失效的浪涌波形如图13所示。

　　实验测试5颗SiC衬底垂直结构灯珠失效时承受的脉冲电流峰值分别为：24.4A、28A、25.2A、24.6A、26.0A。

　　对失效灯珠进行分析发现，其失效区域集中在电极附近，如图14所示。

　　3.5 Si衬底转移垂直结构LED芯片抗过电应力测试

　　选用市场上一款尺寸为45mil*45mil，Si衬底转移垂直结构芯片做过电应力测试，芯片在350V浪涌电压下失效。其失效时承受的浪涌波形如图15所示。

　　实验测试的5颗Si衬底垂直结构芯片失效时承受的脉冲电流峰值分别为：16.6A、16.6A、16.4A、16.2A、16.5A。

　　对失效芯片进行分析，可明显观察到N电极附近金属化电极击穿，如图16所示。

　　将以上测试结果记录如表1所示：

　　4、结论

　　通过对市场上常见的大功率LED芯片的抗过电应力能力测试，发现不同结构不同工艺LED芯片的抗过电应力能力差别很大。其失效时承受的单次脉冲电流峰值范围在12A到35A之间。对于LED驱动电源，其在遭受雷击浪涌时在保证自身正常工作的前提下，还需要保证其输出端的浪涌波形峰值电流小于12A，这样才能保护LED灯珠，避免其立即失效。当然，还需要考虑另一种情况，即LED灯珠在承受过电应力时，失效初期仅仅表现为灯珠漏电，需要老化一段时间后才出现光通量的明显下降或死灯现象。这种情况对于LED驱动电源的抗雷击能力有更高的要求，我们在后期将增加浪涌冲击后灯珠漏电检测及加速老化的实验内容，完善这部分的研究工作。

　　提高LED灯具抗雷击能力的另一个方面即提高灯具使用的LED光源的抗过电应力能力，在表1中可以看到倒装结构SiC衬底(图形化处理衬底，未完全剥离衬底)能承受的脉冲电流峰值达到32A，在抗过电应力上有很好的表现，与抗雷击浪涌能力强的驱动电源结合使用可以提升灯具的整体抗雷击性能。当然，大功率LED芯片制作工艺(如芯片结构、外延制造等)对芯片抗过电应力能力起决定性作用的方面在表1中没有充分反映，这也是我们下一阶段的课题方向。

编辑：Cedar