GaN基功率型LED芯片散热性能测试与分析.doc

GaN基功率型LED芯片散热性能测试与分析摘要： 与正装LED相比，倒装焊芯片技术在功率型LED的散热方面具有潜在的优势。对各种正装和倒装焊功率型LED芯片的表面温度分布进行了直接测试，对其散热性能进行了分析。研究表明，焊接层的材料、焊接接触面的面积和焊接层的质量是制约倒装焊LED芯片散热能力的主要因素；而对于正装LED芯片由于工艺简单，减少了中间热沉，通过结构的优化，工艺的改进，完全可以达到与倒装焊LED芯片相同的散热能力。 关键词： 功率型LED；倒装焊结构；散热性能；热阻 1、引言 对于功率型LED，目前的电光能量转换效率约为15 ，即85 的能量将转化为热能。在GaN基功率型LED中，由于族氮化物的P型掺杂受限于Mg受主的溶解度和空穴的较高激活能，热量特别容易在P型区域中产生。如果热量集中在尺寸很小的芯片内，会使芯片温度升高，引起热应力分布不均、芯片发光效率和荧光粉转换效率下降。当温度超过一定值时，器件失效率呈指数规律升高。因此在芯片制作和封装设计方面要设法降低热阻，以保证功率型LED能高效且可靠地工作。本文在对各种功率型LED芯片的表面温度分布进行直接测试的基础上，分析了正装和倒装焊芯片结构LED的散热性能，以及制约因素和改进的途径。 2、 功率型LED芯片散热物理模型 21 芯片结构与基本参数 与传统的白炽灯相比，LED器件的温度一般低于200 ，其热辐射非常弱。同时由于封装结构和材料的因素，芯片侧表面和上表面的散热能力极差。因此，LED产生的热量绝大部分是通过热传导的方式传到芯片底部的热沉，再以热对流的方式耗散掉。表1给出了几种不同材料的热导率1 。由表1可以看出，目前在功率型LED的制备中，技术最为成熟、用得最多的蓝宝石衬底的热导率只有3546 W/(m K)，不足Si材料的1/4。 为了提高功率型LED器件的散热能力和出光效率，产生了倒装焊芯片(flip-chip)结构。图1分别给出了目前常用的正装与倒装焊功率型LED芯片结构的示意图。 倒装焊结构的特点在于以热导率较高的Si(或陶瓷)材料作为器件热传导的介质，通过倒装焊技术将LED芯片键合在Si衬底上。 与正装结构的LED相比，倒装焊芯片结构使器件产生的热量不必经由蓝宝石衬底，而是由焊接层传导至Si衬底，再经Si衬底和粘结材料传导至金属底座。由于Si材料的热导率较高，可有效降低器件的热阻，提高其散热能力。 22 功率型LED芯片散热模型 图2分别给出了正装与倒装焊结构LED芯片的热阻构成示意图。 图2 正装与倒装焊结构LED芯片热阻构成示意图 假定LED芯片结构中某材料层的热导率为五， 厚度为d，面积为S，在忽略材料层的边界效应时， 该材料层的热阻(单位为/W 或K/W)可表示 为该定义假定了器件耗散功率产生的全部热流流经热阻。 (1)正装结构LED芯片热阻估算由于不同结构的芯片都有和金属底座的粘结材料层，在此我们只比较芯片的热阻，另外GaN外延层的热导率远高于蓝宝石，而其厚度与蓝宝石相比几乎可忽略不计。因此，正装芯片的热阻主要决定于蓝宝石层的热阻。目前蓝宝石层典型厚度约为80 m。面积为1mm ，其热导率取46 W/(m K)，则其热阻约为174 K/W 。 (2)倒装焊结构LED芯片热阻估算同样忽略P型GaN 及金属电极层的热阻。于是倒装焊结构LED芯片的热阻可表示为：其中， 为芯片与Si衬底间焊接层的热阻，为Si衬底材料层的热阻。 假定芯片与Si衬底之间以使用较广的铅锡焊料焊接，其热导率取50 W/(m K)，焊接接触面积取05 mm (但目前多数flipchip芯片与Si衬底之间的焊接接触面积要小于这一数值)，设焊接层厚度为20 m，则焊接层的热阻 约为08 K/W。 Si衬底的热导率取150 W/(m K)，假定其面积和厚度分别取14 mm14 mm和160 m，则其热阻约为054 K/W。 因此理论上，对于倒装焊结构的LED，以目前的材料和工艺，其芯片热阻最低可做到约134 K/W 。由此可见，在散热方面，倒装焊芯片结构具有潜在的优势。 在实验中，所有器件都是我们自行封装的，但芯片的各项指标都与上述假定有偏差，倒装焊芯片中焊接层面积各不相同，参见图3(图中尺寸单位为mm)。芯片和金属底板所用粘结材料的热导率也只有约25 W/(m K)，根据芯片的物理尺寸可估算得到芯片中各层的热阻，以及热源PN结到金属底座的热阻 的理论计算值，如表2所示 3、测试结果与讨论 实验中先对各种LED芯片的光辐射功率进行测试，对比输入的电功率P，就可求出芯片热耗散功率。然后在热平衡状态下，用自行设计的温度微区测量装置直接测量不同芯片的表面温度分布。测试的示意图如图4所示。 测得器件各点的表面温度后，再由式(2)得到LED芯片表面对热沉的热阻，结果如表3所 示。 31 影响LED芯片热阻计算的因素 比较表2和表3可以发现，测试结果与其理论计算值基本符合，但存在一定的偏差。误差的来源主要有以下几个方面： (1)温度测试本身带来的误差：由于测量探头体积很小，在温度测试过程中容易引起温度值的起伏，由于采取多次测试统计平均取值，各点的测量相对误差应在1左右。 (2)焊接面和焊接质量对倒装焊LED芯片热阻的影响：个别焊点处焊接不良，使得凸焊点的接触面过小甚至不接触，必然导致该焊点处热阻增大，在实验中确实发现个别凸焊点处的温度有不正常的升高现象。 (3)焊接层面积的误差：在计算中采用的是透过sapphire看到的焊盘底部的最大截面积，但其实际焊接面要小于最大截面积，这导致焊接层的热阻的计算值要小于其真实值。 32 制约倒装焊结构热阻的主要因素实验中发现，不管是理论估算还是实测，目前多数商业化的倒装焊结构LED产品在散热方面的优势并不明显，甚至热阻还大于正装的芯片。主要因素如下： (1)芯片与Si衬底之间焊接层的影响。由于目前所用焊接材料 铅锡焊料的热导率只有约50W/(m K)，并不比sapphire高很多，同时焊接层的整体面积小于sapphire层。此外，如果由于焊接质量不高，使得金属化层和Si衬底之间存在虚焊，这些都增大了倒装焊LED器件的热阻。 (2)Si衬底与金属底座之间粘结层的影响。目前普遍使用的导电银胶其热导率很低，而且粘结层的厚度难以减到20m 以下，使得这一层的热阻难以大幅度降低。 (3)衬底材料和工艺的影响。在倒装焊LED芯片中，用得较多的是Si材料，其优点是工艺成熟。但Si的机械强度不高，使其厚度无法进一步减小，同时Si的导热性能也不是很强，这也制约了倒装焊芯片性能的提高。 因此，如果不能有效地解决焊接层的热导率、焊接质量和优化工艺参数等问题，不但不能够体现倒装焊技术在散热方面的优势，甚至还会比正装芯片t更差。 4、 结论 本文结合正装和倒装焊功率型LED芯片在热平衡状态下的温度分布测试，研究了GaN基功率型LED芯片的散热性能。理论分析表明，倒装焊结构在降低LED芯片热阻，提高器件散热能力方面具有潜在的优势，但这一优势能否充分体现出来则取决于芯片结构中各层材料的选取及工艺参数的优化。 目前制约倒装焊LED芯片散热能力的主要因素表现在焊接层和粘结材料层。采用热导率更高的焊接和粘结材料，同时增大焊接层的面积而减小焊接层和粘结材料层的厚度，改善倒装焊LED芯片的焊接质量，可以显著降低倒装焊LED的热阻，提高器件的散热能力。 对于正装LED芯片，其优势在于结构简单和制作工艺相对容易。在实验中，我们采用同样的正装LED芯片和同样的导热银胶，但是在对银胶的处理和芯片粘结固化过程中采用了特殊的工艺流程，将粘结材料层的厚度从20m 减小到15m 以下，并提高粘结质量，从而将器件热阻从10.18 K/W 降低到6.96 K/W。 由此可见，通过芯片结构的优化和芯片粘结工艺的改进，正装芯片LED可以达到与倒装焊LED芯片相当的散热能力。大功率LED的热量分析与设计 新闻出处：IC交易网 发布时间：2011-4-6 10:42:57随着LED超高亮度的出现及LED色彩的丰富，LED的应用也由最初的指示扩展到交通、大屏幕显示、汽车刹车灯、转向灯、工程建筑装饰灯、特种照明领域并正在向普通照明积极推进。阻碍这一发展的最大敌害是LED的热量管理，因此从事热阻、结温、热参数匹配等问题的研究和改进具有深远的意义。如何降低大功率LED的热阻、结温，使PN结产生的热量能尽快的散发出去，不仅可提高产品的发光效率，提高产品的饱和电流，同时也提高了产品的可靠性和寿命。据有关资料分析，大约70的故障来自LED的温度过高，并且在负载为额定功率的一半的情况下温度每升高200C故障就上升一倍。为了降低产品的热阻，首先封装材料的选择显得尤为重要，包括晶片、金线，硅胶、热沉、粘结胶等,各材料的热阻要低即要求导热性能好；其次结构设计要合理，各材料间的导热性能和膨胀系数要连续匹配。避免导热通道中产生散热瓶颈或因封装物质的膨胀或收缩产生的形变应力，使欧姆接触、固晶界面的位移增大，造成LED开路和突然失效。目前测量半导体器件工作温度及热阻的主要方法有：红外微象仪法，电压参数法，还有光谱法，光热阻扫描法及光功率法。其中电压法测量LED热阻最常用。 一 LED热的产生、传导和疏散与传统光源一样，半导体发光二极管（LED）在工作期间也会产生热量，其多少取决于整体的发光效率。在外加电能量作用下，电子和空穴的辐射复合发生电致发光，在P-N结附近辐射出来的光还需经过晶片（chip）本身的半导体介质和封装介质才能抵达外界（空气）。综合电流注入效率、辐射发光量子效率、晶片外部光取出效率等，最终大概只有30-40的输入电能转化为光能，其余60-70的能量主要以非辐射复合发生的点阵振动的形式转化热能。而晶片温度的升高，则会增强非辐射复合，进一步消弱发光效率。大功率LED一般都有超过1W的电输入功率，其产生的热量相当可观，解决散热问题乃当务之急。通常来说，大功率LED照明光源需要解决的散热问题涉及以下几个环节： 1. 晶片PN结到外延层 ； 2. 外延层到封装基板 ； 3. 封装基板到外部冷却装置再到空气。这三个环节构成大功率LED光源热传导的主要通道，热传导通道上任何薄弱环节都会使热导设计毁于一旦。热的传播方式可分为三种：（1）传导热量是通过逐个原子传递的，所以不能采用高热阻的界面材料；（2）对流热量通过流转的介质（空气、水）扩散和对流，从散热器传递到周围环境中去，故不要限制或阻止对流；（3 ）辐射热量依靠电磁波经过液体、气体或真空传递。对大功率LED照明光源而言传导方式起最主要的作用，为了取得好的导热效果，三个导热环节应采用热导系数高的材料，并尽量提高对流散热。二大功率LED热阻的计算1.热阻是指热量传递通道上两个参点之间的温度差与两点间热量传输速率的比值：RthT/qx（1）其中：Rth=两点间的热阻（/W或K/W），T=两点间的温度差（），qx=两点间热量传递速率（W）。2.热传导模型的热阻计算RthL/S（2）其中： L为热传导距离（m），S为热传导通道的截面积（m2），为热传导系数（W/mK）。越短的热传导距离、越大的截面积和越高的热传导系数对热阻的降低越有利，这要求设计合理的封装结构和选择合适的材料。3.大功率LED的热阻计算（1） 根据公式（1），晶片上P-N结点到环境的总热阻：Rthja = Tja/Pd = (Tj-Ta)/Pd其中： Pd = 消散的功率（W）正向电流If * 正向电压Vf,Tja=Tj-Ta= 结点温度 - 环境温度。（2）设定晶片上P-N结点生成的热沿着以下简化的热路径传导：结点热沉铝基散热电路板空气/环境（见图1），则热路径的简化模型就是串联热阻回路，如图2表示：P-N结点到环境的总热阻：Rthja = Rthjs + Rthsb + Rthba图2中所示散热路径中每个热阻抗所对应的元件介于各个温度节点之间，其中：Rthjs(结点到热沉) 晶片半导体有源层及衬底、粘结衬底与热沉材料的热阻；Rthsb(热沉到散热电路板) 热沉、连结热沉与散热电路板材料的热阻；Rthba（散热电路板到空气/环境）散热电路板、表面接触或介于降温装置和电路板之间的粘胶和降温装置到环境空气的组合热阻。根据公式（2），如果知道了个材料的尺寸及其热传导系数，可以求出以上各热阻，进而求得总热阻Rthja。以下是几种常见的1W大功率LED的热阻计算：以Emitter(1mm1mm晶片)为例，只考虑主导热通道的影响，从理论上计算P-N结点到热沉的热阻Rthjs。A、正装晶片/共晶固晶B、正装晶片/银胶固晶C、si衬底金球倒装焊晶片/银胶固晶（见图3所示）图3 倒装焊晶片/银胶固晶 大功率LED剖面图三、大功率LED热阻的测量1. 原理半导体材料的电导率具有热敏性，改变温度可以显著改变半导体中的载流子的数量。禁带宽度通常随温度的升高而降低，且在室温以上随温度的变化具有良好的线性关系，可以认为半导体器件的正向压降与结温是线性变化关系：Vf=kTj（K：正向压降随温度变化的系数）则从公式（1）及其推导可知，大功率LED的热阻（结点到环境）为：RthjaVf /（K*Pd ）式中， Pd热消散速率，目前约有6070的电能转化为热能，可取Pd0.65*If*Vf计算。只要监测LED正向压降Vf的改变，便可以求得K值并算出热阻。2. 测量系统热阻测试系统如图4，要求测试中采用的恒温箱控温精度为1，电压精度1mv。图中R1是分流电阻，R2用来调整流过LED的电流大小，通过电阻R1、R2和恒流源自身的输出调节，可以精确控制流过LED的电流大小，保证整个测试过程中流过LED的电流值恒定。3. 测试过程（1）测量温度系数K：a. 将LED置于温度为Ta的恒温箱中足够时间至热平衡,此时Tj1= Ta ；b. 用低电流（可以忽略其产生的热量对LED的影响，如If = 10mA）快速点测LED的Vf1；c. 将LED置于温度为Ta(TaTa)的恒温箱中足够时间至热平衡，Tj2=Ta；d. 重复步骤2，测得Vf2；e. 计算K：K(Vf2-Vf1)/(Tj2-Tj1)(Vf2-Vf1)/( Ta- Ta)（2）测量在输入电功率加热状态下的变化：a. 将LED置于温度为Ta的恒温箱中，给LED输入额定If使其产生自加热；b. 维持恒定If足够时间至LED工作热平衡，此时Vf达至稳定，记录If ,Vf；c. 测量LED热沉温度（取其最高点）Ts；d. 切断输入电功率的电源，立即（10ms）进行（1）之b步骤，测量Vf3。（3）数据处理：Vf Vf3Vf1，取Pd0.65*If*Vf计算：RthjaVf/（K*Pd）Rthsa（TsTa）/Pd（TsTa）/（0.65*IF*Vf）RthjsRthjaRthsa四、讨论1.Tj （P-N结点温度）一般而言，温度会影响P-N结禁带宽度，结点温度升高造成禁带宽度变窄，使得发光波长偏移，并引发更多的非可见光辐射导致发光效率降低。另外，晶片温度过高会对晶片粘结胶及四周的保护胶造成不良影响，加快其老化速度，甚至可能引起失效。Lumileds公司提出的失效计算公式如下：其中， 是结点温度为T2时的失效概率，是结点温度为T1时的失效概率，EA 0.43eV，K8.617*10-5 eV/K。根据此公式，失效概率随着Tj的升高会愈来愈槽糕。大功率LED产品的最高结点温度（Tjmax）的高低主要取决于晶片的性能，若是封装材料受温度限制则Tjmax需适当降低，通常Tjmax不能大于125。但是，随着晶片技术的进步和封装技术的提高，目前可见到的K2系列产品之Tjmax已经能达到150。1.计算、测量热阻的意义1）为LED封装散热设计提供理论和实践依据a.选择合适的晶片：对晶片不能只要求出光效率高，必需针对制程中解决散热的能力采用足够高Tjmax的晶片。在实践中我们发现，某些种类的晶片只经过24H老化就有较大衰减，这与其耐高温性能比较差相关。b.评估/选择支架、散热铝基板：依Rthsa或Rthba作为目标值，查对物料供应商提供的物料资料并计算其热阻，剔除不合要求的物料。通过试样，测试、对比不同物料的热阻，可