文档介绍：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Ⅲ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
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35~46 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。
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), 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), mm (但目前多数flip—chip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, K/W。
Si衬底的热导率取150 W/(m ·K), mm× mm和160 m, 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, 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)。 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