功率型LED結(jié)溫和熱阻在不同電流下性質(zhì)研究

　　引言

　　全球照明協(xié)會表示在不遠(yuǎn)的將來，大功率發(fā)光二極管(Powerlight-emittingdiodes)將在普通照明領(lǐng)域起到至關(guān)重要的作用。自1994年以來，大功率LED得到迅猛發(fā)展，已經(jīng)在諸多領(lǐng)域(如路燈、汽車尾燈、LCD背光源等)取代了傳統(tǒng)光源。近年來，LED技術(shù)的發(fā)展更是日新月異，其光效的提升和器件成本的下降服從類似于摩爾定律的海茨(Haitz)定律，即LED價(jià)格每10年降低為原來的1/10，性能則提高20倍。

        國際上LED技術(shù)正在向大功率、高亮度、高效率、低成本方向發(fā)展。功率LED的光學(xué)特性和電學(xué)特性強(qiáng)烈依賴于結(jié)溫。隨著LED功率的增大，過高的結(jié)溫會影響LED的壽命和可靠性，散熱問題變得日益嚴(yán)峻。因此，了解功率LED結(jié)溫和熱阻的變化特性就變得尤為重要。文中通過正向電壓法和紅外熱像儀法，對功率LED的結(jié)溫和熱阻隨電流的變化特性進(jìn)行了研究。

　　1、功率LED結(jié)溫測量方法

　　按標(biāo)準(zhǔn)，熱阻的一般定義是：在熱平衡的條件下，兩規(guī)定點(diǎn)(或區(qū)域)溫度差與產(chǎn)生這兩點(diǎn)溫差的耗散功率之比(單位°C/W或K/W)。熱阻的大小直接影響LED的壽命、出光率、發(fā)光強(qiáng)度等。對于LED，由于熱源在pn結(jié)處，其最高溫度通常指pn結(jié)的溫度，即結(jié)溫Tj，它也是影響LED可靠性的重要參數(shù)。目前比較成熟的結(jié)溫測量方法有紅外熱像儀法和正向電壓法(又稱標(biāo)準(zhǔn)電學(xué)法)。紅外熱像儀法通過測量器件工作時(shí)芯片表面的紅外輻射給出芯片表面的二維溫度分布，以此來表征結(jié)溫及其分布，這種方法只能測量未封裝的器件，對成品器件則需要開封才能測量。正向電壓法是一種非破壞性的芯片溫度測量方法，與紅外熱像法相比正向電壓法具有靈敏度高、測量迅速、試驗(yàn)成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。

　　2、實(shí)驗(yàn)樣品

　　所測試的樣品，均為路燈和夜景照明用功率LED，包括1WInGaN藍(lán)色、綠色LED、1WAl-GaInP紅色、橙色LED以及1W、3W藍(lán)寶石襯底InGaN白光LED，所有顏色芯片均用金屬鋁做散熱基板材料。1W樣品為一個(gè)1mm×1mm芯片。3WLED為兩個(gè)1W芯片并聯(lián)結(jié)構(gòu)，白光是通過在In-GaN藍(lán)光LED表面涂敷YAG熒光粉實(shí)現(xiàn)。

　　3、實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

　　測試時(shí)環(huán)境溫度設(shè)置為25°C，驅(qū)動(dòng)電流從100mA上升到1A，增長間隔為100mA。

　　3.1　正向電壓法測量熱阻分析

　　圖1是環(huán)境溫度為25°C，1WAlGaInP紅色和橙色LED的熱阻隨驅(qū)動(dòng)電流的變化趨勢圖。由圖1可知，功率為1W的AlGaInP紅色和橙色LED熱阻均隨驅(qū)動(dòng)電流的增加而增大，在相同驅(qū)動(dòng)電流下，橙色AlGaInPLED的熱阻值要高于紅色LED。在驅(qū)動(dòng)電流的變化過程中，橙色LED的熱阻值從10.28°C·W-1上升到15.05°C·W-1，紅色LED熱阻值從9.85°C·W-1增大到13.25°C·W-1。造成此種差異的原因是由于在相同的輸入功率下，橙色LED的電光轉(zhuǎn)化效率低于紅色LED造成的，亦即在相同注入電流時(shí)，AlGaInP橙色LED比紅色LED有更高的結(jié)溫。

圖1：AlGaInP紅色和橙色LED熱阻變化趨勢圖

　　圖2是環(huán)境溫度為25°C，1WInGaN綠色和藍(lán)色LED的熱阻隨驅(qū)動(dòng)電流的變化趨勢圖。從圖中可以看出，InGaN綠色和藍(lán)色LED的熱阻一樣隨驅(qū)動(dòng)電流的增加而變大，其中藍(lán)光LED的熱阻值由10.02°C·W-1上升為21.57°C·W-1，而綠光的熱阻值由13.74°C·W-1上升為17.68°C·W-1，其變化幅度較藍(lán)光LED要小。藍(lán)光LED在大于額定工作電流350mA的驅(qū)動(dòng)電流下工作時(shí)，熱阻的變化趨于緩和，由于器件在大于額定電流下工作時(shí)，器件內(nèi)部的各種缺陷、材料的不匹配度等達(dá)到了穩(wěn)定值，電流的增加對他們的影響不像小電流階段那么明顯了(除非電流加到足以使LED內(nèi)電極翹起、金線熔斷)，導(dǎo)致隨驅(qū)動(dòng)電流的增加，器件內(nèi)部阻礙熱流傳導(dǎo)到外部的障礙并沒有太大變化。文中認(rèn)為熱阻的升高可能是由于大電流導(dǎo)致的電流擁擠效應(yīng)，電流擁擠效應(yīng)又導(dǎo)致了電光轉(zhuǎn)換效率的減少(輻射復(fù)合區(qū)域減少)，雖然輸入的電功率有所增加，但隨著電流增加，輸出的光功率卻減少了，并最終導(dǎo)致了熱阻的上升。

圖2：InGaN綠色和藍(lán)色LED熱阻變化趨勢圖

　　圖3是環(huán)境溫度為25°C，1WInGaN白色和藍(lán)色LED的熱阻隨驅(qū)動(dòng)電流的變化趨勢圖。雖然白光LED要比藍(lán)光LED多出一層YAG熒光粉，但如圖3所示，二者的熱阻值差異不大，表明YAG熒光粉并未嚴(yán)重影響1W白光LED的散熱，功率LED的內(nèi)部熱量靠輻射散發(fā)的很少，主要還是靠芯片傳導(dǎo)到襯底，襯底傳導(dǎo)到鋁基板的方式散發(fā)到外部的。

圖3：InGaN基白色和藍(lán)色LED熱阻變化趨勢圖

　　圖4是3W白光LED熱阻隨驅(qū)動(dòng)電流變化的趨勢圖，其中，圖4(a)是美國照明研究中心的Jayasinghe等人在環(huán)境溫度25°C時(shí)測得的3W白光LED熱阻在不同驅(qū)動(dòng)電流下的變化趨勢圖，圖4(b)是在相同環(huán)境溫度下測得的3WInGaN基白光LED熱阻趨勢圖。兩種試驗(yàn)用的LED芯片大小相同，但美國照明研究中心所測量的管子比筆者的封裝要大些。圖4(a)中驅(qū)動(dòng)電流從100～800mA變化時(shí)，熱阻值由8°C·W-1上升到15°C·W-1，在相同的電流變化范圍內(nèi)，圖4(b)熱阻值由7.5°C·W-1上升至19°C·W-1，差異較小，說明我國大功率白光LED發(fā)展迅速，其散熱性能已經(jīng)比較好。

　　圖4：(a)美國照明研究中心測量的3W白色LED熱阻隨電流變化趨勢圖；(b)3W白色LED熱阻隨輸入電流變化趨勢圖

　　3.2　正向電壓法測量結(jié)溫分析

　　表1是環(huán)境溫度25°C，驅(qū)動(dòng)電流變化范圍從100～1000mA時(shí)，不同顏色1W功率LED在相應(yīng)電流下的結(jié)溫。從表中可以看出，各種顏色的功率LED結(jié)溫均隨驅(qū)動(dòng)電流的增加而上升。分析認(rèn)為，隨著驅(qū)動(dòng)電流的加大，會導(dǎo)致LED內(nèi)部產(chǎn)生電流擁擠效應(yīng)，電流擁擠會導(dǎo)致光輸出效率的減少(輻射復(fù)合減少)，因此導(dǎo)致結(jié)溫上升，而結(jié)溫的升高會導(dǎo)致LED材料熱導(dǎo)率的變化。一些小組研究得出GaN導(dǎo)熱系數(shù)在25～175°C時(shí)從2.50W/(cm·K)下降到1.75W/(cm·K)[4]；其他人研究說溫度從25～125°C時(shí)，GaN導(dǎo)熱系數(shù)由2.0W/(cm·K)下降至1.6W/(cm·K)[5]。反過來，材料導(dǎo)熱系數(shù)的下降又會制約LED的熱傳導(dǎo)，進(jìn)一步提高LED結(jié)溫，如此相互制約，甚至?xí)纬蓯盒匝h(huán)。另外，過大的電流還會導(dǎo)致LED各接觸層之間失配度的變化、焊料的退化等，也會導(dǎo)致LED溫度的升高。

表1：正向電壓法測得的各種顏色1W功率LED在不同驅(qū)動(dòng)電流下的結(jié)溫值

　　其次，從表中可以看出，由AlGaInP材料制作的紅色、橙色LED結(jié)溫在相同驅(qū)動(dòng)電流下結(jié)溫差距不大，由InGaN材料制作的藍(lán)色、綠色、白色LED的結(jié)溫也很相似，而由AlGaInP材料制作的LED的結(jié)溫要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于InGaN材料制作的LED。這是由于材料禁帶寬度差異，在相同輸入電流下InGaN材料制作的LED電壓值要高于AlGaInP材料制作的紅色、橙色LED，雖然InGaN材料LED的光電轉(zhuǎn)換效率要高些，但其電功率轉(zhuǎn)換成熱功率的值仍要大于Al-GaInP紅色、橙色LED。即在相同驅(qū)動(dòng)電流下，In-GaN材料LED產(chǎn)生的熱功率要大于AlGaInP材料的紅色、橙色LED。而且，由于InGaN材料的P型摻雜濃度低于AlGaInP材料，導(dǎo)致InGaN芯片的串聯(lián)歐姆電阻要大于AlGaInP材料的串聯(lián)歐姆電阻，大電流條件下串聯(lián)歐姆電阻產(chǎn)生的熱量[7]也是導(dǎo)致兩種芯片LED結(jié)溫不同的重要因素。

　　再次，AlGaInP材料制作的紅色LED的結(jié)溫要低于相同芯片材料的橙色LED，反證了文中關(guān)于圖2
的解釋是合理的。

　　3.3　正向電壓法、紅外熱像儀法比較

　　采用實(shí)驗(yàn)室自制的1mm×1mm芯片進(jìn)行了正向電壓法和紅外熱像儀法測量結(jié)溫的方法比較。圖5是兩種方法測得的1W藍(lán)光LED在不同驅(qū)動(dòng)電流下的結(jié)溫變化曲線。由圖可以看出，兩種方法測得的結(jié)溫值基本相同，無論哪種方法，結(jié)溫均隨驅(qū)動(dòng)電流的增加而增大。正向電壓法得到的是平均溫度效應(yīng)。相比之下，紅外熱像儀法能夠快捷地獲取器件表面的溫度分布圖像，展現(xiàn)芯片質(zhì)量的全局概況，并能清晰顯示出可能導(dǎo)致器件熱失效主要因素——熱斑的分布密度，尤其近些年來，通過結(jié)合現(xiàn)代高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和圖像處理技術(shù)，光學(xué)測溫技術(shù)的靈敏度、精度、穩(wěn)定性和自動(dòng)化程度都得到了大幅度提高，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。但其缺點(diǎn)是只能測量未封裝的裸露芯片，封裝后的芯片必須拆封后才能進(jìn)行測量，并且測量儀器昂貴。

圖5：正向電壓法和紅外熱像儀法測得的藍(lán)光LED結(jié)溫

        圖6是利用紅外熱像儀測得的藍(lán)光LED在驅(qū)動(dòng)電流為800mA時(shí)的表面溫度分布圖。由圖可以看出，該種倒裝結(jié)構(gòu)的大面積區(qū)域溫度分布比較均勻，最高溫度為79.37°C，主要集中在N型電極壓焊點(diǎn)附近的P區(qū)。最低溫度為70.43°C，溫差較小，主要原因是這種LED芯片采用了環(huán)形插指電極結(jié)構(gòu)減小了電流擴(kuò)展路徑，使電流在N型區(qū)流動(dòng)的橫向電阻減小，產(chǎn)生熱量降低，所以器件溫升小。

圖6：1W 藍(lán)光LED表面溫度分布

　　4、結(jié)論

　　通過對不同驅(qū)動(dòng)電流下各種顏色LED結(jié)溫和熱阻的測量發(fā)現(xiàn)，任何顏色LED的熱阻均隨驅(qū)動(dòng)電流的增加而變大，其中InGaN材料的藍(lán)光、白光LED在小于額定電流下工作時(shí)，熱阻上升迅速；驅(qū)動(dòng)電流高于額定電流時(shí)，熱阻上升速率變緩。其他顏色LED熱阻隨驅(qū)動(dòng)電流變化速率基本不變。結(jié)溫也會隨驅(qū)動(dòng)電流的增加而變大。相同驅(qū)動(dòng)電流下，由AlGaInP材料制作的紅色、橙色LED結(jié)溫要低于In-GaN材料的藍(lán)色、綠色、白色LED的結(jié)溫。比較了正向電壓法和紅外熱像儀法測得的藍(lán)光LED結(jié)溫值，分析了兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。結(jié)果表明，紅外熱像儀法能夠直觀地反映芯片的最高溫度區(qū)域，器件的失效最終還是由最高溫度決定的；但正向壓降法測得的結(jié)溫與紅外法差別不大，作為一種快捷方便非破壞性的方法，可以首先被普遍采用。