大功率LED结温测量及发光特性研究[2]

　　3　大功率LED热特性测试及讨论

　　3.1　不同结构芯片的温度电压系数

　　温度电压系数K测量,表1为测得的结果。从表1可以看出,同一批次、同种结构的芯片,其K参数比较接近,一致性好,而不同结构的芯片,K参数相差很大,分别在-1.30/-1.85和-2.70mV/K附近,与理论计算比较符合。

　　不同结构的芯片,电流流经的层次是不同的,层次间的接触状况都可能具有一定的温度系数,因此芯片的K不同。Si衬底的倒装芯片采用倒装焊技术焊接电极与pGaN、NGaN,存在pGaN的电阻率、金属化层、倒装焊焊料层的电阻率以及接触界面等因素都随温度的变化,其中倒装焊焊料层的影响很大,导致其K较大;SiC衬底的垂直结构芯片,电流流经具有负温度系数SiC衬底,引起K变大,但相比倒装焊结构没有了焊料层的影响,因此K居中;而正装芯片仅具有3种结构共同的层次,即电极与pGaN、NGaN的接触层次,K最小。

　　表1　不同芯片结构的温度电压系数

　　3.2　不同芯片结构的器件热阻比较

　　对蓝宝石衬底的正装、Si衬底的倒装和SiC衬底芯3种片采用相同的银胶粘结工艺封装成器件的热阻Rθ进行了测量,表2为测量得到的结果。从表2可以看出,即使排除封装的影响,不同芯片结构器件的Rθ差别仍然较大,最高约为27K/W,最低约13K/W。

　　表2　相同银胶粘结工艺下不同芯片结构的器件热阻

　　不同结构的芯片,热量从有源层到热沉的传递路径不同。芯片的总热阻既包括热量传递路径上各层次的热阻,也包括各层间的接触热阻。排除粘结材料层的影响,SiC衬底芯片主要有反射层、金属化焊接层等,金属和SiC的热导率非常高,在300W/m·K以上,因此SiC衬底芯片热阻最小;正装芯片主要有蓝宝石衬底层,其热导率约为35～46W/m·K,相比各层次材料中热导率较低,因此正装芯片热阻偏大[6];倒装芯片主要有倒装焊料层、金属化焊接层和Si衬底层等,倒装芯片虽然用Si衬底层取代了蓝宝石衬底层,但是由于倒装焊工艺引入了焊料层与电极、金属化焊接层间的接触热阻,因此热阻也相对偏大[7,8]。由于采用的封装工艺为银胶粘结,其热导率较低(约为2.5W/m·K),所以热阻值普遍相对偏高。

　　3.3　不同粘结材料和粘结工艺的器件热阻比较

　　对不同粘结材料和不同粘结工艺的器件热阻Rθ进行了测量比较。

　　1)表3为采用Si衬底倒装芯片,分别使用热导率不同的银胶粘结成器件,对热阻的测量结果。其中银胶1热导率为2.5W/m·K,银胶2热导率为25W/m·K。从表3可以看出,热导率大的银胶粘结的器件热阻显著降低。

　　表3　相同芯片下,不同粘结材料热阻比较

　　2)表4为采用SiC衬底芯片,分别用银胶热导率为25W/m·K)和金锡共晶焊工艺Au∶Sn为8∶2,热导率接近50W/m·K)粘结成器件,对热阻的测量结果。从表4可以看出,共晶焊工艺的热阻明显低于银胶粘结的热阻。这是因为共晶焊工艺不仅AuSn焊料热导率高,而且接触热阻更低。

　　表4　相同芯片下,不同粘结工艺热阻比较

　　实验表明:使用热导率更高的粘结材料和共晶焊工艺可以有效地降低总热阻。

　　4　大功率LED结温对发光特性的影响

　　对白光芯片的光通量随结温的变化趋势进行了测量,这样排除了封装热阻的影响。图3为将3种不同结构蓝光芯片用同种黄色荧光粉封装成白光器件,在恒定电流驱动下进行测量得到的光通量随结温变化的趋势。从图3可以看出,蓝宝石衬底正装芯片的器件结温每上升10℃,光通量衰减2.7%;Si衬底倒装芯片的器件结温每上升10℃,光通量衰减1.9%;SiC衬底垂直结构芯片的器件结温每上升10℃,光通量衰减1.4%。

　　图3　白光LED光通量随结温变化

　　白光LED器件结温上升,一方面影响到芯片出光效率下降,另一方面随着温度的上升荧光粉效率也会有一定的衰减。蓝宝石衬底的正装芯片有源区距荧光粉较近,热量比较容易传导至荧光粉涂敷层,结温对荧光粉层的影响更大。因此,这种结构的芯片光通量随结温上升的衰减相比其他两种结构更为严重。

　　考虑到热阻的影响,对蓝光LED光辐射功率与驱动电流的关系进行了测量。图4为不同热阻的器件,在外部散热条件一定的情况下,驱动电流从200mA到600mA变化时对光辐射功率的测量。从图可以看出,LED的光辐射功率随电流增加而增大的趋势逐渐变慢,偏离了线性关系,而变慢的速率则与器件的热阻相关,热阻越大,光辐射功率随电流增加而增大的减慢趋势越为明显。

　　图4　光辐射功率随电流的变化

　　当驱动电流从300mA增加到600mA的过程中,改变外部散热条件从而保持结温恒定在某一温度,再对蓝光芯片光辐射功率的测量。从图5可见,如果保持结温恒定,光辐射功率随电流的增加保持近似线性的增加,并没有图4所示光辐射功率增大趋势变慢的现象。但随着结温的上升,曲线斜率在不断减小,即光效也在减小。图6所反映的是光效随结温变化的关系,曲线显示,结温从40℃上升到120℃,该芯片光效从45lm/W降低到33.7lm/W。

　　图5　相同结温下光辐射功率与随电流的变化

　　图6　光效随结温的变化

　　综合上述两组实验结果可见,结温是影响LED光效的直接因素,当保持结温不变时,LED驱动电流增大其光效基本保持不变;但随结温上升,LED非辐射跃迁增加,光效将不断下降;热阻大的器件,随电流增加其内部热量积累较快,结温上升更快,因此存在图4所示的光辐射功率随电流的变化曲线偏离线性现象。

　　5　结　论

　　介绍了基于正向电压法原理自行研制的结温测量系统,并利用其对不同芯片结构和不同封装工艺的LED结温和热阻进行了测量对比。实验表明:同种结构芯片的温度系数K虽然离散但比较接近,不同结构芯片K明显不同;采用热导率更高的粘接材料和共晶焊工艺固定LED芯片,这样会明显降低封装层次引入的热阻。大功率白光LED的光通量和大功率蓝光LED的光辐射功率随着结温的升高都会存在一定程度的衰减,不同芯片、不同封装热阻的LED器件衰减速率不同。结温对光辐射功率有直接影响,若保持结温恒定,光辐射功率随电流增大线性增加;若保持外部散热条件不变,热阻大的芯片内部热量积累较快,导致结温上升速度更快,光效随电流增加而下降的趋势也更为严重。因此,为适应大功率应用,应尽可能减少封装引入的热阻,同时使LED处于良好的外部散热条件下,减少结温上升引起的光效衰减效应。

　　编辑：Cedar