GaN基功率型LED芯片散热性能测试与分析_百度文库

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

2、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 c

3、hool at S henzhen 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

4、 redO mi nance . The 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 a

5、ct Ors restri cti n 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 h

6、r Ou g h adO p ti n 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

7、g 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

8、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 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

9、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 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

10、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 +R 3 3其中 R Z 为芯片与S i 衬底间焊接层的热阻 R 3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 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Z 01m 则焊接层的热阻R Z 约为0.8KW S i 衬底的热导率取150W m K假定其面积和厚度

11、分别取1.4mm >1.4mm 和1601m 则其热阻R 3约为0.54KW 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R chi 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源PN 结到金属底座的热阻R J-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

12、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P d 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

13、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 衬底之间焊接层的影响 由于目前所

14、用焊接材料 铅锡焊料的热导率只有约50W 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Z 01m 以下 使得这一层的热阻难83Z SE M I CoNDUCToR oPToELECTRoNI CS Vol . 27No.3June 2006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

15、 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1>180.15Z607.891.96Z Z 00.751.96Z 04.081Z .7Z注 面积厚度和热阻R 的单位分别为mm Z 1m 和K W对于正装LED R J-S =R 1+R 4 对于倒装焊结构LED 芯片 R J-S =R Z +R 3+R 4表3不同芯片结构封装的LED

16、的温度和热阻测试值芯片来源测试样品数P W P L W P d W T 1 C T Z CT 3 C J-S C W -151.10.071.036Z .45Z .745.316.60注 表3中R J-S 表示芯片上表面对热沉的热阻 P L 为光辐射功率T 1为芯片上表面温度 T Z 为Si 衬底上表面温度 T 3为金属底部上表面温度 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

17、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Z 01m 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

18、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"1 Hsi an g W P Nen g Y K Per n g C T et al . et hOd Ofm aki n g hi g h-p O Wer LED R . T ai Wan Chi na United E 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 Z 003 Z 35-39.3 马庆芳 方荣生 项立成 等. 实用热物理性质手册K . 北京 中国农业机械出版社 1986.145. 4 王维 张金山

19、陈静. 电力半导体器件热阻及测量 J . 信息技术 Z 000 6 Z 5-Z 6. 5 吴慧颖 钱可元 胡飞 等. 倒装大功率白光LED 热场分析与测试 J . 光电子 激光 Z 005 16 5 511-514.6 W u H Oi an K LuO Y. Research On te m p erat ure distri buti On OfG a N -based hi g h p O WerLED A .Inter nati Onal FOr u m On S e m icOnduct Or L i g hti n g C . Shenzhen Chi na COS.Z 004.作

20、者简介"钱可元(1957- 9男9江苏无锡人9高级工程师9硕士O 主要从事光电器件和半导体发光器件的研究O E -m ail C C i ank y sz .tsi n g hua .edu .cn93Z 半导体光电 Z 006年6月第Z 7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

21、,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 Y Research on temperature distribution of GaN-based high power LED 20042. 吴慧颖;钱可元;胡飞 倒装大功率白光LED热场分析与测试期刊论文-光电子·激光 2005(053. 王维;张金山;陈静 电力半导体器件热阻及测量 2000(064. 马庆芳;方荣生;项立成 实用热物理性质手册 19865. 蒋荣华;肖顺珍 GaN基材料的特性及光