大功率LED结温测量及发光特性研究

By | 2020年7月24日

  1 引 言


  与白炽灯、荧光灯等传统光源相比,年夜功率白光LED固体光源具备节能以及环保等优点。如今白光LED出光效率的最高程度曾经达到70lm/W,正在芯片尺寸放弃1妹妹×1妹妹没有变的前提下,跟着LED功率的进步,LED芯片到热沉的热流密度也正在添加,假如散热处理欠好,芯片外部热量凑集,结温一直降低,就会惹起发光波长漂移、出光效率降落、荧光粉减速老化以及应用寿命缩短等一系列成绩。热阻是权衡年夜功率LED散热情况的次要参数,没有同构造以及粘结工艺的器件热阻存正在显著差异。


  确定热阻起首要丈量器件的结温。因为化合物半导体器件的发烧层一般为位于其外部nm量级的量子阱有源区,温度丈量艰难。微电偶接触丈量法普通只可以接触到芯片电极外表或许出光面,猎取的是芯片外表袒露正在空气中、与热电偶间接接触的均匀温度,而且对曾经封装荧光粉以及透镜的LED无奈进行丈量。采纳红外成像法,则因为芯片没有同条理热红外信息相互滋扰构成噪声,也无奈精确感到外部有源层温度,一样关于封装后的白光器件更难丈量。


  本文彩用正向电压法的原理自行研制的丈量零碎完成了年夜功率LED结温的准确丈量,对改善年夜功率LED散热特点及进行寿命评估等都具备很年夜的参考代价。同时行使该零碎对没有同芯片构造以及没有同封装工艺的年夜功率LED进行了热阻比拟,并对没有同结温下年夜功率LED发光特点进行了丈量与对照剖析。


  2 丈量原理与安装


  2.1 正向电压法丈量结温的原理及丈量进程


  正在肯定注入电流I下,LED的正向工作电压Vf能够表白为


  


  此中:Vfjunction为PN结的结电压;Rconductor为注入电流门路上各体资料的电阻;Rcontact为电流门路上没有同资料间的接触电阻。


  从最根本的Shockby方程,失去结电压Vfjunction与结温T的关系为


  


  此中:k为玻尔兹曼常数;e为电子能量;ND为檀越杂质浓度;NA为受主杂质浓度;NC为导带底的状态密度;NV为价带顶的状态密度;α、β为半导体禁带宽度随温度变动关系中的2个失常数。化合物半导体器件普通工作正在本征激起孕育发生的载流子浓度ni远小于檀越受主杂质离化浓度的强电离区间,能够以为ND与NA根本没有随温度变动,而NC与NV与结温的关系为


  


  此中:mn为电子的态密度无效品质,mp为空穴的态密度无效品质。从式(3)可知,式(2)中的第1项为负值。式(2)中,α、β为2个失常数,它们与资料相干。因而,式(2)中的结电压对结温的导数为负常数,这一数值与半导体资料、掺杂相干。关于GaN资料,α=0.77meV/K2,β=600K,若檀越与受主杂质的掺杂浓度NA=ND=2×1016cm3,则可较量争论患上出结电压Vfjunction的温度系数为1.74mV/K。而从式(1)可见,正向电压不只包罗结电压Vfjunction,还与电流门路上各体资料的电阻Rconductor、没有同资料间的接触电阻Rcontact无关,这些要素也随温度存正在肯定的变动,对温度电压关系具备肯定的奉献。没有同芯片构造下,Rconductor与Rcontact的组成资料以及接触情况没有同,温度电压系数K可能存正在差别。


  试验标明,正在输出电流恒定状况下,绝年夜少数半导体器件的正向电压与其结温具备精良的线性关系,只要要丈量某结温下的电压,依据线性关系以及某一结温电压基点便可求出该结温的精确值,因而起首要丈量温度电压系数K。抉择正在小电流下动态定标(要求该电流不克不及对结温造成较年夜的影响,通常正在失常工作电流的1%如下),取得正在小电流前提下的K值,而后静态丈量功率LED器件正在工作年夜电流向小定标电流转换的霎时正向电压的变动趋向,进而取得结温的精确值。


  丈量进程为:


  1)定标。这是结温定量丈量的要害,目的是要失去各种器件的温度电压特点。正在选定定标电流Is后,放弃器件的PN结处于没有同的恒定温度场中,丈量没有同结温下器件的正向电压,拟合出K。


  2)静态丈量。将LED通电放弃正在工作状态,达到热均衡时的结温为待测工作状态下的结温。断电使LED脱离工作状态,同时接通定标电流,正向电压随工夫呈指数回升,高速精细采样丈量LED正在冷却进程中正向电压的变动,失去结温的静态变动曲线。



  图1 正向电压法丈量LED结温进程


  3)数据解决。剖析电压随工夫的指数变动趋向反向求出断电时辰LED正向电压,行使线性关系较量争论结温精确值。依据结温、发烧功率及相应热沉部位的温度,能够较量争论结到热沉地位的热阻。


  2.2 丈量安装


  自行研制的基于正向电压法的结温测试零碎可以取得没有同芯片的K,可以准确丈量没有同环境温度、没有同工作电流下LED工作状态的结温,结温丈量精度达到±0.5℃,并根据结温较量争论芯片有源区到热沉的热阻,同时可以丈量LED从工作状态降温到稳固状态的整个静态进程中LED结温的变动法则。本零碎对具备PN结构造的化合物半导体器件都可以进行结平和热阻的丈量。



  图2 丈量零碎框图

 

  3 年夜功率LED热特点测试及探讨


  3.1 没有同构造芯片的温度电压系数


  温度电压系数K丈量,表1为测患上的后果。从表1能够看出,同一批次、同种构造的芯片,其K参数比拟靠近,分歧性好,而没有同构造的芯片,K参数相差很年夜,辨别正在-1.30/-1.85以及-2.70mV/K左近,与实践较量争论比拟合乎。


  没有同构造的芯片,电流流经的条理是没有同的,条理间的接触情况均可能具备肯定的温度系数,因而芯片的K没有同。Si衬底的倒装芯片采纳倒装焊技巧焊接电极与pGaN、NGaN,存正在pGaN的电阻率、金属化层、倒装焊焊料层的电阻率和接触界面等要素都随温度的变动,此中倒装焊焊料层的影响很年夜,招致其K较年夜;SiC衬底的垂直构造芯片,电流流经具备负温度系数SiC衬底,惹起K变年夜,但相比倒装焊构造不了焊料层的影响,因而K居中;而正装芯片仅具备3种构造独特的条理,即电极与pGaN、NGaN的接触条理,K最小。


  表1 没有同芯片构造的温度电压系数



  3.2 没有同芯片构造的器件热阻比拟


  对蓝宝石衬底的正装、Si衬底的倒装以及SiC衬底芯3种片采纳相反的银胶粘结工艺封装成器件的热阻Rθ进行了丈量,表2为丈量失去的后果。从表2能够看出,即便扫除封装的影响,没有同芯片构造器件的Rθ差异依然较年夜,最高约为27K/W,最低约13K/W。


  表2 相反银胶粘结工艺下没有同芯片构造的器件热阻



  没有同构造的芯片,热量从有源层到热沉的通报门路没有同。芯片的总热阻既包罗热量通报门路上各条理的热阻,也包罗各层间的接触热阻。扫除粘结资料层的影响,SiC衬底芯片次要有反射层、金属化焊接层等,金属以及SiC的热导率十分高,正在300W/m·K以上,因而SiC衬底芯片热阻最小;正装芯片次要有蓝宝石衬底层,其热导率约为35~46W/m·K,相比各条理资料中热导率较低,因而正装芯片热阻偏偏年夜[6];倒装芯片次要有倒装焊料层、金属化焊接层以及Si衬底层等,倒装芯片尽管用Si衬底层庖代了蓝宝石衬底层,然而因为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,因而热阻也绝对偏偏年夜[7,8]。因为采纳的封装工艺为银胶粘结,其热导率较低(约为2.5W/m·K),以是热阻值普遍绝对偏偏高。


  3.3 没有同粘结资料以及粘结工艺的器件热阻比拟


  对没有同粘结资料以及没有同粘结工艺的器件热阻Rθ进行了丈量比拟。


  1)表3为采纳Si衬底倒装芯片,辨别应用热导率没有同的银胶粘结成器件,对热阻的丈量后果。此中银胶1热导率为2.5W/m·K,银胶2热导率为25W/m·K。从表3能够看出,热导率年夜的银胶粘结的器件热阻明显升高。


  表3 相反芯片下,没有同粘结资料热阻比拟



  2)表4为采纳SiC衬底芯片,辨别用银胶热导率为25W/m·K)以及金锡共晶焊工艺Au∶Sn为8∶2,热导率靠近50W/m·K)粘结成器件,对热阻的丈量后果。从表4能够看出,共晶焊工艺的热阻显著低于银胶粘结的热阻。这是由于共晶焊工艺不只AuSn焊料热导率高,并且接触热阻更低。


  表4 相反芯片下,没有同粘结工艺热阻比拟



  试验标明:应用热导率更高的粘结资料以及共晶焊工艺能够无效地升高总热阻。


  4 年夜功率LED结温对发光特点的影响


  对白光芯片的光通量随结温的变动趋向进行了丈量,这样扫除了封装热阻的影响。图3为将3种没有同构造蓝光芯片用同种黄色荧光粉封装成白光器件,正在恒定电流驱动下进行丈量失去的光通量随结温变动的趋向。从图3能够看出,蓝宝石衬底正装芯片的器件结温每一回升10℃,光通量衰减2.7%;Si衬底倒装芯片的器件结温每一回升10℃,光通量衰减1.9%;SiC衬底垂直构造芯片的器件结温每一回升10℃,光通量衰减1.4%。



  图3 白光LED光通量随结温变动


  白光LED器件结温回升,一方面影响到芯片出光效率降落,另外一方面跟着温度的回升荧光粉效率也会有肯定的衰减。蓝宝石衬底的正装芯片有源区距荧光粉较近,热量比拟容易传导至荧光粉涂敷层,结温对荧光粉层的影响更年夜。因而,这类构造的芯片光通量随结温回升的衰减相比其余两种构造更为重大。


  思考到热阻的影响,对蓝光LED光辐射功率与驱动电流的关系进行了丈量。图4为没有同热阻的器件,正在内部散热前提肯定的状况下,驱动电流从200mA到600mA变动时对光辐射功率的丈量。从图能够看出,LED的光辐射功率随电流添加而增年夜的趋向逐步变慢,偏偏离了线性关系,而变慢的速度则与器件的热阻相干,热阻越年夜,光辐射功率随电流添加而增年夜的减慢趋向越为显著。



  图4 光辐射功率随电流的变动


  当驱动电流从300mA添加到600mA的进程中,扭转内部散热前提从而放弃结温恒定正在某一温度,再对蓝光芯片光辐射功率的丈量。从图5可见,假如放弃结温恒定,光辐射功率随电流的添加放弃近似线性的添加,并无图4所示光辐射功率增年夜趋向变慢的景象。但跟着结温的回升,曲线斜率正在一直减小,即光效也正在减小。图6所反映的是光效随结温变动的关系,曲线显示,结温从40℃回升到120℃,该芯片光效从45lm/W升高到33.7lm/W。



  图5 相反结温下光辐射功率与随电流的变动



  图6 光效随结温的变动


  综合上述两组试验后果可见,结温是影响LED光效的间接要素,当放弃结温没有变时,LED驱动电流增年夜其光效根本放弃没有变;但随结温回升,LED非辐射跃迁添加,光效将一直降落;热阻年夜的器件,随电流添加其外部热量积攒较快,结温回升更快,因而存正在图4所示的光辐射功率随电流的变动曲线偏偏离线性景象。


  5 结 论


  引见了基于正向电压法原理自行研制的结温丈量零碎,并行使其对没有同芯片构造以及没有同封装工艺的LED结平和热阻进行了丈量比照。试验标明:同种构造芯片的温度系数K尽管离散但比拟靠近,没有同构造芯片K显著没有同;采纳热导率更高的粘接资料以及共晶焊工艺固定LED芯片,这样会显著升高封装条理引入的热阻。年夜功率白光LED的光通量以及年夜功率蓝光LED的光辐射功率跟着结温的降低城市存正在肯定水平的衰减,没有同芯片、没有同封装热阻的LED器件衰加速率没有同。结温对光辐射功率有间接影响,若放弃结温恒定,光辐射功率随电流增年夜线性添加;若放弃内部散热前提没有变,热阻年夜的芯片外部热量积攒较快,招致结温回升速率更快,光效随电流添加而降落的趋向也更为重大。因而,为顺应年夜功率使用,应尽可能缩小封装引入的热阻,同时使LED处于精良的内部散热前提下,缩小结温回升惹起的光效衰减效应。


 


  编纂:Cedar