GaN基功率型LED芯片散热性能测试与分析

1、收稿日期:Z 005-09-Z 1.基金项目:国家 十五 科技攻关计划重大项目 Z 003BA 316A 01-01-0Z 深圳市科技计划项目.光电器件G a N 基功率型LED 芯片散热性能测试与分析钱可元1!郑代顺1!罗毅1!Z(1.清华大学深圳研究生院半导体照明实验室广东深圳518055 2.清华大学集成光电子学国家重点实验室北京100084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

2、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 热阻中图分类号:TN31Z .8文献标识码:A 文章编号:1001-5868 Z 006 03-0Z 36-04Ther m al D is p ers i on of G a N -based Power LED sO I AN Ke-y uan 1 Z HENG D ai-shun 1 L UO Y i 1Z1.G raduate S chool at S henzhe

3、n T s i n g hua Univers it y S henzhen 518055 CHN2.S t ate K e y Laborat or y of Inte g rated o p t oelectronics T s i n g hua Univers it y B ei i n g 100084 CHNAbstract I n t he as p ect Of t her m al di s p ersi On f Or p O Wer LED s fli p -chi p cOnfi g urati On hasp Ot enti al p redO mi nance .T

4、he t e m p erat ure di stri buti On Of p O Wer LED s i s m easured and t he p erf Or m ance Of t her m al di s p ersi On i s di scussed .The anal y ti cal results shO W t hat t he sOl derm at eri al cOnt act area and p r Ocessi n g C ualit y Of sOl der l a y er W ill be m ai n f act Ors restri cti n

5、 g t he abilit y Of t her m al di s p ersi On f Or fli p -chi p cOnfi g urati On LED s .ean Whil e t he nOr m al LED chi p s e m itti n g li g ht f r O m p -si de are p Ossi bl e t O reach t he sa m e t her m al di s p ersi On p erf Or m ance as t he fli p -chi p bOnded LED s t hr Ou g h adO p ti n

6、g a pp r O p ri at e bOndi n g t echni C ue and O p ti m i zi n g chi p str uct ure .Ke y words p O Wer LED fli p -chi p cOnfi g urati On p erf Or m ance Of t her m al di s p ersi Ont her m al resi st ance1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G a N 基功率型LED 中 由于 族氮化物的P 型掺杂受限于g 受主的溶解度和空穴的较高激活能 热量

7、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63Z SE M I CoNDUCToR oPToELECTRoNI CS Vol .27No.3June 2006Z 功率型LED 芯片散热物理模型2.1芯片结构与基本参数与传统的白炽灯相比 LED

8、器件的温度一般低于Z 00C 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 13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3546W m K 不足S i 材料的1 4表1不同材料的热导率单位:W /(m *K 材料E p OX y 导热银胶蓝宝石铅锡焊料热导率0.Z Z .57.5354650材料Ga N S i A l Au 热导率130140148150Z 37317材料Cu A g

9、 S i C A l N 陶瓷热导率4014Z 9490Z 00Z 50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 fli p -chi p 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 a 正面出光大功率LED 芯片结构示意图 b 倒装焊大功率LED 芯片结构示意图图1正面出光和倒装焊LED 芯片结构示意图倒装焊结构的特点在于以热导率较高的S i 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S i 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S i 衬底 再经S

10、i 衬底和粘结材料传导至金属底座 由于S i 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 2.2功率型LED 芯片散热模型图Z 分别给出了正装与倒装焊结构LED 芯片的热阻构成示意图mm Z其热导率取46W m K则其热阻约为1.74K WZ倒装焊结构LED芯片热阻估算同样忽略P型Ga N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R chi p=R Z+R33其中RZ 为芯片与S i衬底间焊接层的热阻R3为S i衬底材料层的热阻假定芯片与S i衬底之间以使用较广的铅锡焊料焊接其热导率取50W m K焊接接触面积取0.5mm Z但目前多数fli p-chi p芯片与S

11、i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Z01m则焊接层的热阻RZ约为0.8K W S i衬底的热导率取150W m K假定其面积和厚度分别取1.4mm>1.4mm和1601m则其热阻R3约为0.54K 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Rchi p最低可做到约1.34K 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Z.5W 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

12、源PN结到金属底座的热阻RJ-S的理论计算值如表Z 所示图3不同封装焊结构LED芯片焊接面示意图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Pd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Z得到LED芯片表面对热沉的热阻R J-S结果如表3所 示图4LED芯片温度测试装置示意图3.1影响LED芯片热阻计算的因素比较表Z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

13、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1C左右Z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sa pp hire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3.2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S i衬底之间焊接

14、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50 W m K并不比sa pp hire高很多同时焊接层的整体面积小于sa pp hire层此外如果由于焊接质量不高使得金属化层和S i衬底之间存在虚焊这些都增大了倒装焊LED器件的热阻Z S i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Z01m以下使得这一层的热阻难83Z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S i材料其优点是工艺成熟但S i的机械强度不高使其厚度无法进一步减小同时S i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

15、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更差表2不同结构LED芯片中各层面积!厚度及热阻的计算值芯片来源S a pp hire和G a N量子阱凸点焊接层S i衬底材料层粘结材料层面积厚度R1面积厚度RZ面积厚度R3面积厚度R4R J-S对于正装LED RJ-S=R1+R4对于倒装焊结构LED芯片RJ-S=R Z+R3+R4表3不同芯片结构封装的LED的温度和热阻测试值芯片来源测试样品数P W P注表3中RJ-S 表示芯片上表面对热沉的热阻PL为光辐射功率T1为芯片上表面温度T Z为S i衬底上表面温度T3为金属底部上表面温度4结论本文结合正装

16、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Ga N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

17、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Z01m减小到151m以下并提高粘结质量从而将器件热阻从10.18K W降低到6.96K 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参考文献"1Hsi an g W P Nen g Y K Per n g C T et al.et hOd Of m aki n g hi g h-p O Wer LED R.T ai Wan Chi na UnitedE p itaX y CO m p an y Lt d.Z蒋荣华肖顺珍.G a N基材料的特性及光电器件应用J.世界有色金属

18、Z003Z35-39.514.6W u H O i an K LuO Y.Research On te m p erat ure distri buti On Of G a N-based hi g h p O Wer LED A.Inter nati Onal FOr u m On S e m icOnduct Or L i g hti n g C.Shenzhen Chi na COS.Z004.作者简介"93Z半导体光电Z006年6月第Z7卷第3期钱可元等C G a N基功率型LED芯片散热性能测试与分析 GaN基功率型LED芯片散热性能测试与分析作者:钱可元, 郑代顺, 罗毅, QIAN Ke-yuan, ZHENG Dai-shun, LUO Yi作者单位:钱可元,郑代顺,QIAN Ke-yuan,ZHENG Dai-shun(清华大学,深圳研究生院,半导体照明实验室,广东,深圳,518055, 罗毅,LUO Yi(清华大学,深圳研究生院,半导体照明实验室,广东,深圳,518055;清华大学,集成光电子学国家重点实验室,北京,100084刊名: 半导体光电英文刊名:SEMICONDUCTOR OPTOELECTRONICS年,卷(期:2006,27(3被引用次数:12次参考文献(6条1.Wu H;Qian K;Luo