gan基功率型led芯片散熱性能測試與分析

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1、GaN基功率型LED芯片散熱性能測試與分析　　摘要：與正裝LED相比，倒裝焊芯片技術(shù)在功率型LED的散熱方面具有潛在的優(yōu)勢。對各種正裝和倒裝焊功率型LED芯片的表面溫度分布進(jìn)行了直接測試，對其散熱性能進(jìn)行了分析。研究表明，焊接層的材料、焊接接觸面的面積和焊接層的質(zhì)量是制約倒裝焊LED芯片散熱能力的主要因素；而對于正裝LED芯片由于工藝簡單，減少了中間熱沉，通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，工藝的改進(jìn)，完全可以達(dá)到與倒裝焊LED芯片相同的散熱能力?！　￡P(guān)鍵詞：功率型LED；倒裝焊結(jié)構(gòu)；散熱性能；熱阻　　1、引言　　對于功率型LED，目前的電光能量轉(zhuǎn)換效率約為

2、15，即85的能量將轉(zhuǎn)化為熱能。在GaN基功率型LED中，由于Ⅲ族氮化物的P型摻雜受限于Mg受主的溶解度和空穴的較高激活能，熱量特別容易在P型區(qū)域中產(chǎn)生。如果熱量集中在尺寸很小的芯片內(nèi)，會使芯片溫度升高，引起熱應(yīng)力分布不均、芯片發(fā)光效率和熒光粉轉(zhuǎn)換效率下降。當(dāng)溫度超過一定值時，器件失效率呈指數(shù)規(guī)律升高。因此在芯片制作和封裝設(shè)計方面要設(shè)法降低熱阻，以保證功率型LED能高效且可靠地工作。本文在對各種功率型LED芯片的表面溫度分布進(jìn)行直接測試的基礎(chǔ)上，分析了正裝和倒裝焊芯片結(jié)構(gòu)LED的散熱性能，以及制約因素和改進(jìn)的途徑?！　?、功率型LED芯片

3、散熱物理模型　　2．1芯片結(jié)構(gòu)與基本參數(shù)　　與傳統(tǒng)的白熾燈相比，LED器件的溫度一般低于200℃，其熱輻射非常弱。同時由于封裝結(jié)構(gòu)和材料的因素，芯片側(cè)表面和上表面的散熱能力極差。因此，LED產(chǎn)生的熱量絕大部分是通過熱傳導(dǎo)的方式傳到芯片底部的熱沉，再以熱對流的方式耗散掉。表1給出了幾種不同材料的熱導(dǎo)率[1]。由表1可以看出，目前在功率型LED的制備中，技術(shù)最為成熟、用得最多的藍(lán)寶石襯底的熱導(dǎo)率只有35～46W/(m·K)，不足Si材料的1/4。　　為了提高功率型LED器件的散熱能力和出光效率，產(chǎn)生了倒裝焊芯片(flip-chip)結(jié)構(gòu)。圖1

4、分別給出了目前常用的正裝與倒裝焊功率型LED芯片結(jié)構(gòu)的示意圖?！　〉寡b焊結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于以熱導(dǎo)率較高的Si(或陶瓷)材料作為器件熱傳導(dǎo)的介質(zhì)，通過倒裝焊技術(shù)將LED芯片鍵合在Si襯底上?！　∨c正裝結(jié)構(gòu)的LED相比，倒裝焊芯片結(jié)構(gòu)使器件產(chǎn)生的熱量不必經(jīng)由藍(lán)寶石襯底，而是由焊接層傳導(dǎo)至Si襯底，再經(jīng)Si襯底和粘結(jié)材料傳導(dǎo)至金屬底座。由于Si材料的熱導(dǎo)率較高，可有效降低器件的熱阻，提高其散熱能力?！　?．2功率型LED芯片散熱模型　　圖2分別給出了正裝與倒裝焊結(jié)構(gòu)LED芯片的熱阻構(gòu)成示意圖?！　D2正裝與倒裝焊結(jié)構(gòu)LED芯片熱阻構(gòu)成示意圖假定LE

5、D芯片結(jié)構(gòu)中某材料層的熱導(dǎo)率為五，厚度為d，面積為S，在忽略材料層的邊界效應(yīng)時，該材料層的熱阻(單位為℃/W或K/W)可表示為　　該定義假定了器件耗散功率產(chǎn)生的全部熱流流經(jīng)熱阻?！　?1)正裝結(jié)構(gòu)LED芯片熱阻估算由于不同結(jié)構(gòu)的芯片都有和金屬底座的粘結(jié)材料層，在此我們只比較芯片的熱阻，另外GaN外延層的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)高于藍(lán)寶石，而其厚度與藍(lán)寶石相比幾乎可忽略不計。因此，正裝芯片的熱阻主要決定于藍(lán)寶石層的熱阻?！　∧壳八{(lán)寶石層典型厚度約為80m。面積為1mm，其熱導(dǎo)率取46W/(m·K)，則其熱阻約為1．74K/W?！　?2)倒裝焊結(jié)構(gòu)LED芯片

6、熱阻估算同樣忽略P型GaN及金屬電極層的熱阻。于是倒裝焊結(jié)構(gòu)LED芯片的熱阻可表示為：　　其中，為芯片與Si襯底間焊接層的熱阻，為Si襯底材料層的熱阻。　　假定芯片與Si襯底之間以使用較廣的鉛錫焊料焊接，其熱導(dǎo)率取50W/(m·K)，焊接接觸面積取0．5mm(但目前多數(shù)flip—chip芯片與Si襯底之間的焊接接觸面積要小于這一數(shù)值)，設(shè)焊接層厚度為20m，則焊接層的熱阻約為0．8K/W。　　Si襯底的熱導(dǎo)率取150W/(m·K)，假定其面積和厚度分別取1．4mm×1．4mm和160m，則其熱阻約為0．54K/W?！　∫虼死碚撋希瑢τ诘寡b

7、焊結(jié)構(gòu)的LED，以目前的材料和工藝，其芯片熱阻最低可做到約1．34K/W。由此可見，在散熱方面，倒裝焊芯片結(jié)構(gòu)具有潛在的優(yōu)勢。　　在實(shí)驗中，所有器件都是我們自行封裝的，但芯片的各項指標(biāo)都與上述假定有偏差，倒裝焊芯片中焊接層面積各不相同，參見圖3(圖中尺寸單位為mm)。芯片和金屬底板所用粘結(jié)材料的熱導(dǎo)率也只有約2．5W/(m·K)，根據(jù)芯片的物理尺寸可估算得到芯片中各層的熱阻，以及熱源PN結(jié)到金屬底座的熱阻的理論計算值，如表2所示　　3、測試結(jié)果與討論　　實(shí)驗中先對各種LED芯片的光輻射功率進(jìn)行測試，對比輸入的電功率P，就可求出芯片熱耗散功

8、率。然后在熱平衡狀態(tài)下，用自行設(shè)計的溫度微區(qū)測量裝置直接測量不同芯片的表面溫度分布。測試的示意圖如圖4所示。測得器件各點(diǎn)的表面溫度后，再由式(2)得到LED芯片表面對熱沉的熱阻，結(jié)果如表3所示