摘要 隨著發(fā)光二極管(LED)功率的提高，散熱的挑戰(zhàn)性也越來(lái)越高，而熱量的集聚會(huì)引起LED 結(jié)溫的上升。過(guò)高的結(jié)溫不但會(huì)影響LED 的光功率和光通量等性能參數(shù)，還會(huì)使器件壽命急劇衰減。因此掌握LED 器件的溫升規(guī)律成為提高器件可靠性的關(guān)鍵。實(shí)驗(yàn)中選取了不同封裝結(jié)構(gòu)的LED 器件，對(duì)不同驅(qū)動(dòng)電流、不同基板溫度和不同封裝材料的LED 器件分別進(jìn)行了熱阻、光功率等性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著電流的增加或者基板溫度的升高，LED 器件的熱阻呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，不同封裝基板的器件變化幅度有所不同；升高基板溫度時(shí)，鋁基板封裝的LED 器件由于結(jié)溫高光功率衰減快熱阻呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。結(jié)果表明互連材料層、基板的導(dǎo)熱能力是影響LED 器件熱阻差異的關(guān)鍵。
關(guān)鍵詞 光學(xué)器件; 大功率發(fā)光二極管; 熱阻; 光功率; 互連材料
1 引言
隨著大功率發(fā)光二極管(LED)大規(guī)模和應(yīng)用，散熱對(duì)其可靠性的影響日益重要。結(jié)溫和熱阻是表征器件散熱性能的重要熱學(xué)參數(shù)[1]，功率型LED 的光學(xué)特性和電學(xué)特性很大程度依賴于結(jié)溫，結(jié)溫過(guò)高將會(huì)引起LED 內(nèi)量子效率降低、芯片壽命縮短、封裝材料老化等問(wèn)題。因此，對(duì)于大功率LED 來(lái)說(shuō)，散熱性能的好壞決定其性能的優(yōu)劣，掌握LED 器件的結(jié)溫和熱阻變化特性便成為了提高器件可靠性的關(guān)鍵所在[2]。影響LED 器件散熱性能的因素有很多，使用高熱導(dǎo)率的封裝材料、成熟的封裝工藝以及合適的環(huán)境條件等都能有效地降低器件的熱阻。本文研究發(fā)現(xiàn)，使用高熱導(dǎo)率的基板材料和芯片互連材料可以有效地改善器件的散熱問(wèn)題，同時(shí)，改變驅(qū)動(dòng)電流和基板溫度也會(huì)影響LED 器件的熱阻[3-4]。
2 實(shí)驗(yàn)樣品和實(shí)驗(yàn)方法
LED 熱阻定義為L(zhǎng)ED 散熱通道上的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間熱功率流的阻值，熱阻單位為℃/W 或K/W，通常用Rθ表示，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
式中P 為L(zhǎng)ED 的總輸入功率功率，Po 為L(zhǎng)ED 的光輸出功率。由于儀器功能的原因，在測(cè)量LED 熱阻時(shí)，如果直接忽略了LED 的光功率Po，或者僅對(duì)LED 的光功率進(jìn)行粗略的估計(jì)[5- 6]，這對(duì)于輸入電能約有10%~30% 轉(zhuǎn)化為光能的大功率LED 來(lái)說(shuō)將導(dǎo)致較大的測(cè)量偏差。研究發(fā)現(xiàn)為了得到LED 熱阻的精確值，必須準(zhǔn)確測(cè)量并扣除LED 的光功率[7]。實(shí)驗(yàn)中用T3Ster 熱阻儀測(cè)試熱阻，用HAAS-2000 高精度快速光譜輻射計(jì)測(cè)出不同條件下的光功率，在進(jìn)行瞬態(tài)熱處理的時(shí)候從總功率中扣除光功率。
實(shí)驗(yàn)所用的器件為實(shí)驗(yàn)室自己封裝的LED 器件，如圖1 所示。器件結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示，為簡(jiǎn)單的芯片-互連層-銅線路板-基板結(jié)構(gòu)。
T3Ster 設(shè)備測(cè)熱阻租用的計(jì)算是假定熱量沿Z 軸一維傳輸。測(cè)試中為了盡量避免有熱量沿X、Y 方向傳輸，通過(guò)溫控臺(tái)對(duì)LED 器件的基板進(jìn)行強(qiáng)制制冷，以保證盡量多的熱量沿Z 方向傳輸。
實(shí)驗(yàn)中所用芯片為Cree 公司的EZ900 芯片，額定工作電流為350 mA。芯片分別基于銀膠(三種型號(hào))、錫膏和金錫粘結(jié)，基板使用陶瓷基板和鋁基板，具體封裝規(guī)格如表1 所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)在LED 器件底面涂覆導(dǎo)熱硅脂，并粘結(jié)在T3Ster 設(shè)備的溫控臺(tái)上，改變溫控臺(tái)的溫度實(shí)現(xiàn)LED 器件基板的控制，從而測(cè)試不同溫度條件下LED 器件熱阻值。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
3.1 驅(qū)動(dòng)電流對(duì)LED 器件熱阻的影響
圖3 是基板溫度為25 ℃時(shí)，分別用鋁基板和陶瓷基板封裝的LED 器件熱阻(從芯片至基板)隨驅(qū)動(dòng)電流的變化趨勢(shì)圖。由圖3 中可知，在電50mA 到1000 mA 的變化過(guò)程中，器件熱阻隨著驅(qū)動(dòng)電流的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。分析認(rèn)為L(zhǎng)ED 器件在小于350 mA 電流下工作時(shí)，器件內(nèi)的各種缺陷、材料的不匹配度比較穩(wěn)定，對(duì)散熱影響不大，熱量從芯片傳導(dǎo)到基板比較容易，芯片的電光轉(zhuǎn)換效率較高，芯片內(nèi)集聚的熱量不多，芯片pn 結(jié)與基板的溫差增加量相對(duì)于熱功率的增加量較小[見(jiàn)(1)式]，此時(shí)LED 器件的熱阻隨電流增加呈現(xiàn)輕微下降趨勢(shì)。當(dāng)電流超過(guò)350 mA 的額定電流時(shí)，從圖4 中可知，光功率隨著電流的變大而增加趨于緩慢，說(shuō)明越來(lái)越多的電功率轉(zhuǎn)換成熱量，而且結(jié)溫的升高會(huì)導(dǎo)致LED 材料熱導(dǎo)率的下降。研究表明，隨著溫度從25 ℃上升，GaN 的熱導(dǎo)率會(huì)明顯下降[8-9]，而且過(guò)大的電流還會(huì)導(dǎo)致LED 各接觸層之間失配度的變化、焊料的退等[10]，這些原因會(huì)導(dǎo)致LED 芯片熱量積聚并達(dá)到飽和，隨著驅(qū)動(dòng)電流繼續(xù)增加，繼續(xù)增加的熱量來(lái)不及傳遞到基板從而引起pn 結(jié)結(jié)溫的迅速升高，導(dǎo)致pn 結(jié)與基板的溫差升高，芯片pn 結(jié)與基板的溫差增加量相對(duì)于熱功率的增加量較大，從而熱阻開(kāi)始呈現(xiàn)升高趨勢(shì)。相對(duì)于陶瓷基板，鋁基板封裝的LED 器件，由于鋁基板上表面導(dǎo)熱性能略差，所以積累的熱量更多，從而在350 mA 之后的上升趨勢(shì)明顯高于陶瓷基板熱阻上升趨勢(shì)。
從圖3 中可以發(fā)現(xiàn)，在相同驅(qū)動(dòng)電流下，鋁基板封裝的LED 器件熱阻值比陶瓷基板封裝的LED 器件大很多。在驅(qū)動(dòng)電流從50 mA 逐漸升高到1000 mA 的過(guò)程中，鋁基板封裝的LED 器件的熱阻值從18.79 ℃/W 上升到26.86 ℃/W，而陶瓷基板封裝的LED 器件熱阻值從10.88 ℃/W 上升到12.64 ℃/W，相比鋁基板封裝的器件變化較小。造成此種差異的原因是鋁基板表面覆蓋一層絕緣層，該絕緣層的熱導(dǎo)率極低，成為鋁基板的散熱瓶頸，影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的散熱效果。由于兩種基板封裝的LED 器件熱功率比較接近，但熱阻差異比較大，所以驗(yàn)證了在基板溫度25 ℃時(shí)熱阻的差異性及變化主要是由于熱量的積累并逐步飽和導(dǎo)致的結(jié)溫升高引起的。圖4是兩種基板封裝的LED 器件光功率、電光轉(zhuǎn)換效率隨著驅(qū)動(dòng)電流增加的變化趨勢(shì)，隨著驅(qū)動(dòng)電流的增加，鋁基板封裝的LED 器件光功率增加趨勢(shì)變緩，電光轉(zhuǎn)化率降低的趨勢(shì)相對(duì)于陶瓷封裝的LED 器件快的現(xiàn)象，驗(yàn)證了結(jié)溫的升高導(dǎo)致了LED 器件光功率增幅變緩，電光轉(zhuǎn)換率降低，從而引起了熱阻的變化。
3.2 基板溫度對(duì)LED 器件熱阻的影響
圖5 是驅(qū)動(dòng)電流為350 mA，基板溫度從25 ℃變化至85 ℃(每10 ℃設(shè)置一個(gè)測(cè)量點(diǎn))，得到的鋁基板和陶瓷基板封裝的LED 器件的熱阻隨基板溫度的變化熱阻變化趨勢(shì)圖。由圖5 可知，鋁基板封裝的LED 器件熱阻隨著基板溫度的增加，LED 器件的熱阻呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，開(kāi)始時(shí)熱阻變化較快，溫度高時(shí)變化緩慢，陶瓷基板封裝的LED 器件熱阻在基板溫度65 ℃以下是減小趨勢(shì)，而在65 ℃以上會(huì)有一段回升。分析認(rèn)為原因與不同電流下的熱阻變化規(guī)律類似，如表2 所示，基板溫度在65 ℃以下時(shí)，芯片的結(jié)溫在80 ℃左右，此時(shí)，器件的工作狀態(tài)良好，器件內(nèi)各種缺陷達(dá)到穩(wěn)定，熱阻較小，溫度的增加引起的電光轉(zhuǎn)換效率降低趨勢(shì)略緩(相對(duì)于基板溫度65 ℃以上時(shí))，而此時(shí)LED 芯片的溫升相對(duì)較大(如表2 所示，溫升呈現(xiàn)降低趨勢(shì))，參考(1)式，可以認(rèn)為熱耗散功率的增加量相對(duì)于溫升的增加量較小，所以熱阻呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。而基板溫度大于65 ℃時(shí)，芯片結(jié)溫在80 ℃~110 ℃，GaN 的熱導(dǎo)率會(huì)明顯下降[9]，從圖6 也可以發(fā)現(xiàn)，電光轉(zhuǎn)換效率逐漸降低趨勢(shì)加快（熱耗散功率升高率變大），而溫升變化趨勢(shì)減緩，所以鋁基板封裝的LED 器件熱阻繼續(xù)下降，而陶瓷基板封裝的LED 器件電光轉(zhuǎn)換效率變化幅度較小，而此時(shí)器件處于高溫度狀態(tài)，陶瓷橫向?qū)崮芰^強(qiáng)，熱量容易沿X、Y 軸方向散熱，從而降低了計(jì)算中的熱耗散功率，所以陶瓷基板的LED 器件熱阻有略微上升的趨勢(shì)。
圖6 為兩種基板封裝的LED 器件隨著基板溫度變化得到的光功率、電光轉(zhuǎn)換效率的變化圖。由圖6 可以看出，光功率隨著基板溫度的上升呈現(xiàn)線性減小趨勢(shì)，而電光轉(zhuǎn)換效率隨著基板溫度的升高下降趨勢(shì)加快。鋁基板封裝的LED 器件斜率比陶瓷基板封裝的LED 器件大得多，分別為-0.54 mW/℃和-0.36 mW/℃，說(shuō)明陶瓷基板封裝的LED 在溫度升高時(shí)光性能略穩(wěn)定，原因?yàn)樘沾苫鍖?dǎo)熱能力更強(qiáng)，使芯片的結(jié)溫略小(如表2 所示)，LED 芯片的光輸出高。表2 還可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)現(xiàn)象，就是LED 器件熱阻隨著基板溫度的升高而降低，但是此時(shí)結(jié)溫是上升的，所以在評(píng)估工作條件對(duì)LED 器件的熱學(xué)性能影響時(shí)，需要綜合評(píng)估熱阻、結(jié)溫的變化。
3.3 互連材料對(duì)LED 器件熱阻的影響
芯片互連材料是LED 器件熱阻中重要的一環(huán)，實(shí)驗(yàn)中使用的LED 器件分別使用銀膠(三種型號(hào))、金錫和錫膏互連，均采用陶瓷基板封裝，每種器件選擇3 個(gè)樣本，測(cè)試基板溫度25 ℃和工作電流350 mA 條件下的熱阻，取其平均值，得到不同互連材料封裝的LED 器件的熱阻值，如表3 所示。從表中可以看出，互連層的熱導(dǎo)率對(duì)LED 器件的熱阻有明顯的影響。使用熱導(dǎo)率為14 W/(m ·K)的銀膠封裝的LED 器件熱阻為13.79 ℃/W，而用熱導(dǎo)率為67 W/(m·K)的錫膏封裝的LED 器件熱阻大大降低，為9.57 ℃/W。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明在LED 器件的封裝結(jié)構(gòu)中，芯片與基板之間的互連材料是影響LED 器件熱阻的一個(gè)重要因素。
4 結(jié)論
分別研究了驅(qū)動(dòng)電流(50~1000 mA)和基板溫度(25 ℃~85 ℃)對(duì)鋁基板、陶瓷基板封裝的LED 器件的熱阻影響趨勢(shì)。結(jié)果顯示，LED 器件的熱阻隨著驅(qū)動(dòng)電流、基板溫度的增加分別呈現(xiàn)先下降后上升、下降的趨勢(shì)，其中使用鋁基板封裝的LED 器件熱學(xué)性能和光學(xué)性能變化幅度明顯高于陶瓷基板封裝的LED 器件，原因?yàn)殇X基板的導(dǎo)熱性能差，容易造成LED 芯片的熱飽和，從而引起結(jié)溫的變化幅度大，造成光學(xué)性能相應(yīng)的變化幅度略大。同時(shí)還測(cè)試了多組熱導(dǎo)率不同的芯片互連材料封裝的LED 器件的熱阻，測(cè)試結(jié)果表明，芯片互連材料是影響LED 器件熱阻的一個(gè)重要因素，發(fā)現(xiàn)互連層材料熱導(dǎo)率越大，器件的熱阻越低。