摘要：通過對不同驅(qū)動電流下各種顏色LED結(jié)溫和熱阻測量，發(fā)現(xiàn)各種顏色LED的熱阻值均隨驅(qū)動電流的增加而變大，其中基于InGaN材料的藍光和白光LED工作在小于額定電流下時，熱阻上升迅速；驅(qū)動電流大于額定電流時，熱阻上升速率變緩。其他顏色LED熱阻隨驅(qū)動電流變化速率基本不變。結(jié)溫也隨驅(qū)動電流的增加而變大。相同驅(qū)動電流下，基于AlGaInP材料的1W紅色、橙色LED的結(jié)溫要低于基于InGaN材料的藍色、綠色、白色LED的結(jié)溫。分別用正向電壓法和紅外熱像儀法測量了實驗室自制的1mm×1mm藍光芯片結(jié)溫，比較了兩種方法的優(yōu)缺點。結(jié)果表明，電學法測量簡單快捷，測量結(jié)果可以滿足要求。
引言
全球照明協(xié)會表示在不遠的將來，大功率發(fā)光二極管(Powerlight-emittingdiodes)將在普通照明領域起到至關重要的作用。自1994年以來，大功率LED得到迅猛發(fā)展，已經(jīng)在諸多領域(如路燈、汽車尾燈、LCD背光源等)取代了傳統(tǒng)光源。近年來，LED技術的發(fā)展更是日新月異，其光效的提升和器件成本的下降服從類似于摩爾定律的海茨(Haitz)定律，即LED價格每10年降低為原來的1/10，性能則提高20倍。
國際上LED技術正在向大功率、高亮度、高效率、低成本方向發(fā)展。功率LED的光學特性和電學特性強烈依賴于結(jié)溫。隨著LED功率的增大，過高的結(jié)溫會影響LED的壽命和可靠性，散熱問題變得日益嚴峻。因此，了解功率LED結(jié)溫和熱阻的變化特性就變得尤為重要。文中通過正向電壓法和紅外熱像儀法，對功率LED的結(jié)溫和熱阻隨電流的變化特性進行了研究。
1、功率LED結(jié)溫測量方法
按標準，熱阻的一般定義是：在熱平衡的條件下，兩規(guī)定點(或區(qū)域)溫度差與產(chǎn)生這兩點溫差的耗散功率之比(單位°C/W或K/W)。熱阻的大小直接影響LED的壽命、出光率、發(fā)光強度等。對于LED，由于熱源在pn結(jié)處，其最高溫度通常指pn結(jié)的溫度，即結(jié)溫Tj，它也是影響LED可靠性的重要參數(shù)。目前比較成熟的結(jié)溫測量方法有紅外熱像儀法和正向電壓法(又稱標準電學法)。紅外熱像儀法通過測量器件工作時芯片表面的紅外輻射給出芯片表面的二維溫度分布，以此來表征結(jié)溫及其分布，這種方法只能測量未封裝的器件，對成品器件則需要開封才能測量。正向電壓法是一種非破壞性的芯片溫度測量方法，與紅外熱像法相比正向電壓法具有靈敏度高、測量迅速、試驗成本低廉等優(yōu)點。
2、實驗樣品
所測試的樣品，均為路燈和夜景照明用功率LED，包括1WInGaN藍色、綠色LED、1WAl-GaInP紅色、橙色LED以及1W、3W藍寶石襯底InGaN白光LED，所有顏色芯片均用金屬鋁做散熱基板材料。1W樣品為一個1mm×1mm芯片。3WLED為兩個1W芯片并聯(lián)結(jié)構(gòu)，白光是通過在In-GaN藍光LED表面涂敷YAG熒光粉實現(xiàn)。
3、實驗及結(jié)果分析
測試時環(huán)境溫度設置為25°C，驅(qū)動電流從100mA上升到1A，增長間隔為100mA。
摘要：通過對不同驅(qū)動電流下各種顏色LED結(jié)溫和熱阻測量，發(fā)現(xiàn)各種顏色LED的熱阻值均隨驅(qū)動電流的增加而變大，其中基于InGaN材料的藍光和白光LED工作在小于額定電流下時，熱阻上升迅速；驅(qū)動電流大于額定電流時，熱阻上升速率變緩。其他顏色LED熱阻隨驅(qū)動電流變化速率基本不變。結(jié)溫也隨驅(qū)動電流的增加而變大。相同驅(qū)動電流下，基于AlGaInP材料的1W紅色、橙色LED的結(jié)溫要低于基于InGaN材料的藍色、綠色、白色LED的結(jié)溫。分別用正向電壓法和紅外熱像儀法測量了實驗室自制的1mm×1mm藍光芯片結(jié)溫，比較了兩種方法的優(yōu)缺點。結(jié)果表明，電學法測量簡單快捷，測量結(jié)果可以滿足要求。
引言
全球照明協(xié)會表示在不遠的將來，大功率發(fā)光二極管(Powerlight-emittingdiodes)將在普通照明領域起到至關重要的作用。自1994年以來，大功率LED得到迅猛發(fā)展，已經(jīng)在諸多領域(如路燈、汽車尾燈、LCD背光源等)取代了傳統(tǒng)光源。近年來，LED技術的發(fā)展更是日新月異，其光效的提升和器件成本的下降服從類似于摩爾定律的海茨(Haitz)定律，即LED價格每10年降低為原來的1/10，性能則提高20倍。
國際上LED技術正在向大功率、高亮度、高效率、低成本方向發(fā)展。功率LED的光學特性和電學特性強烈依賴于結(jié)溫。隨著LED功率的增大，過高的結(jié)溫會影響LED的壽命和可靠性，散熱問題變得日益嚴峻。因此，了解功率LED結(jié)溫和熱阻的變化特性就變得尤為重要。文中通過正向電壓法和紅外熱像儀法，對功率LED的結(jié)溫和熱阻隨電流的變化特性進行了研究。
1、功率LED結(jié)溫測量方法
按標準，熱阻的一般定義是：在熱平衡的條件下，兩規(guī)定點(或區(qū)域)溫度差與產(chǎn)生這兩點溫差的耗散功率之比(單位°C/W或K/W)。熱阻的大小直接影響LED的壽命、出光率、發(fā)光強度等。對于LED，由于熱源在pn結(jié)處，其最高溫度通常指pn結(jié)的溫度，即結(jié)溫Tj，它也是影響LED可靠性的重要參數(shù)。目前比較成熟的結(jié)溫測量方法有紅外熱像儀法和正向電壓法(又稱標準電學法)。紅外熱像儀法通過測量器件工作時芯片表面的紅外輻射給出芯片表面的二維溫度分布，以此來表征結(jié)溫及其分布，這種方法只能測量未封裝的器件，對成品器件則需要開封才能測量。正向電壓法是一種非破壞性的芯片溫度測量方法，與紅外熱像法相比正向電壓法具有靈敏度高、測量迅速、試驗成本低廉等優(yōu)點。
2、實驗樣品
所測試的樣品，均為路燈和夜景照明用功率LED，包括1WInGaN藍色、綠色LED、1WAl-GaInP紅色、橙色LED以及1W、3W藍寶石襯底InGaN白光LED，所有顏色芯片均用金屬鋁做散熱基板材料。1W樣品為一個1mm×1mm芯片。3WLED為兩個1W芯片并聯(lián)結(jié)構(gòu)，白光是通過在In-GaN藍光LED表面涂敷YAG熒光粉實現(xiàn)。
3、實驗及結(jié)果分析
測試時環(huán)境溫度設置為25°C，驅(qū)動電流從100mA上升到1A，增長間隔為100mA。
3.1 正向電壓法測量熱阻分析
圖1是環(huán)境溫度為25°C，1WAlGaInP紅色和橙色LED的熱阻隨驅(qū)動電流的變化趨勢圖。由圖1可知，功率為1W的AlGaInP紅色和橙色LED熱阻均隨驅(qū)動電流的增加而增大，在相同驅(qū)動電流下，橙色AlGaInPLED的熱阻值要高于紅色LED。在驅(qū)動電流的變化過程中，橙色LED的熱阻值從10.28°C·W-1上升到15.05°C·W-1，紅色LED熱阻值從9.85°C·W-1增大到13.25°C·W-1。造成此種差異的原因是由于在相同的輸入功率下，橙色LED的電光轉(zhuǎn)化效率低于紅色LED造成的，亦即在相同注入電流時，AlGaInP橙色LED比紅色LED有更高的結(jié)溫。
圖1：AlGaInP紅色和橙色LED熱阻變化趨勢圖
圖2是環(huán)境溫度為25°C，1WInGaN綠色和藍色LED的熱阻隨驅(qū)動電流的變化趨勢圖。從圖中可以看出，InGaN綠色和藍色LED的熱阻一樣隨驅(qū)動電流的增加而變大，其中藍光LED的熱阻值由10.02°C·W-1上升為21.57°C·W-1，而綠光的熱阻值由13.74°C·W-1上升為17.68°C·W-1，其變化幅度較藍光LED要小。藍光LED在大于額定工作電流350mA的驅(qū)動電流下工作時，熱阻的變化趨于緩和，由于器件在大于額定電流下工作時，器件內(nèi)部的各種缺陷、材料的不匹配度等達到了穩(wěn)定值，電流的增加對他們的影響不像小電流階段那么明顯了(除非電流加到足以使LED內(nèi)電極翹起、金線熔斷)，導致隨驅(qū)動電流的增加，器件內(nèi)部阻礙熱流傳導到外部的障礙并沒有太大變化。文中認為熱阻的升高可能是由于大電流導致的電流擁擠效應，電流擁擠效應又導致了電光轉(zhuǎn)換效率的減少(輻射復合區(qū)域減少)，雖然輸入的電功率有所增加，但隨著電流增加，輸出的光功率卻減少了，并最終導致了熱阻的上升。
圖2：InGaN綠色和藍色LED熱阻變化趨勢圖
圖3是環(huán)境溫度為25°C，1WInGaN白色和藍色LED的熱阻隨驅(qū)動電流的變化趨勢圖。雖然白光LED要比藍光LED多出一層YAG熒光粉，但如圖3所示，二者的熱阻值差異不大，表明YAG熒光粉并未嚴重影響1W白光LED的散熱，功率LED的內(nèi)部熱量靠輻射散發(fā)的很少，主要還是靠芯片傳導到襯底，襯底傳導到鋁基板的方式散發(fā)到外部的。
圖3：InGaN基白色和藍色LED熱阻變化趨勢圖
圖4是3W白光LED熱阻隨驅(qū)動電流變化的趨勢圖，其中，圖4(a)是美國照明研究中心的Jayasinghe等人在環(huán)境溫度25°C時測得的3W白光LED熱阻在不同驅(qū)動電流下的變化趨勢圖，圖4(b)是在相同環(huán)境溫度下測得的3WInGaN基白光LED熱阻趨勢圖。兩種試驗用的LED芯片大小相同，但美國照明研究中心所測量的管子比筆者的封裝要大些。圖4(a)中驅(qū)動電流從100～800mA變化時，熱阻值由8°C·W-1上升到15°C·W-1，在相同的電流變化范圍內(nèi)，圖4(b)熱阻值由7.5°C·W-1上升至19°C·W-1，差異較小，說明我國大功率白光LED發(fā)展迅速，其散熱性能已經(jīng)比較好。
圖4：(a)美國照明研究中心測量的3W白色LED熱阻隨電流變化趨勢圖；(b)3W白色LED熱阻隨輸入電流變化趨勢圖
3.2 正向電壓法測量結(jié)溫分析
表1是環(huán)境溫度25°C，驅(qū)動電流變化范圍從100～1000mA時，不同顏色1W功率LED在相應電流下的結(jié)溫。從表中可以看出，各種顏色的功率LED結(jié)溫均隨驅(qū)動電流的增加而上升。分析認為，隨著驅(qū)動電流的加大，會導致LED內(nèi)部產(chǎn)生電流擁擠效應，電流擁擠會導致光輸出效率的減少(輻射復合減少)，因此導致結(jié)溫上升，而結(jié)溫的升高會導致LED材料熱導率的變化。一些小組研究得出GaN導熱系數(shù)在25～175°C時從2.50W/(cm·K)下降到1.75W/(cm·K)[4]；其他人研究說溫度從25～125°C時，GaN導熱系數(shù)由2.0W/(cm·K)下降至1.6W/(cm·K)[5]。反過來，材料導熱系數(shù)的下降又會制約LED的熱傳導，進一步提高LED結(jié)溫，如此相互制約，甚至會形成惡性循環(huán)。另外，過大的電流還會導致LED各接觸層之間失配度的變化、焊料的退化等，也會導致LED溫度的升高。
表1：正向電壓法測得的各種顏色1W功率LED在不同驅(qū)動電流下的結(jié)溫值
其次，從表中可以看出，由AlGaInP材料制作的紅色、橙色LED結(jié)溫在相同驅(qū)動電流下結(jié)溫差距不大，由InGaN材料制作的藍色、綠色、白色LED的結(jié)溫也很相似，而由AlGaInP材料制作的LED的結(jié)溫要遠遠低于InGaN材料制作的LED。這是由于材料禁帶寬度差異，在相同輸入電流下InGaN材料制作的LED電壓值要高于AlGaInP材料制作的紅色、橙色LED，雖然InGaN材料LED的光電轉(zhuǎn)換效率要高些，但其電功率轉(zhuǎn)換成熱功率的值仍要大于Al-GaInP紅色、橙色LED。即在相同驅(qū)動電流下，In-GaN材料LED產(chǎn)生的熱功率要大于AlGaInP材料的紅色、橙色LED。而且，由于InGaN材料的P型摻雜濃度低于AlGaInP材料，導致InGaN芯片的串聯(lián)歐姆電阻要大于AlGaInP材料的串聯(lián)歐姆電阻，大電流條件下串聯(lián)歐姆電阻產(chǎn)生的熱量[7]也是導致兩種芯片LED結(jié)溫不同的重要因素。
再次，AlGaInP材料制作的紅色LED的結(jié)溫要低于相同芯片材料的橙色LED，反證了文中關于圖2
的解釋是合理的。
3.3 正向電壓法、紅外熱像儀法比較
采用實驗室自制的1mm×1mm芯片進行了正向電壓法和紅外熱像儀法測量結(jié)溫的方法比較。圖5是兩種方法測得的1W藍光LED在不同驅(qū)動電流下的結(jié)溫變化曲線。由圖可以看出，兩種方法測得的結(jié)溫值基本相同，無論哪種方法，結(jié)溫均隨驅(qū)動電流的增加而增大。正向電壓法得到的是平均溫度效應。相比之下，紅外熱像儀法能夠快捷地獲取器件表面的溫度分布圖像，展現(xiàn)芯片質(zhì)量的全局概況，并能清晰顯示出可能導致器件熱失效主要因素——熱斑的分布密度，尤其近些年來，通過結(jié)合現(xiàn)代高速發(fā)展的計算機技術、微電子技術和圖像處理技術，光學測溫技術的靈敏度、精度、穩(wěn)定性和自動化程度都得到了大幅度提高，其應用領域也越來越廣泛。但其缺點是只能測量未封裝的裸露芯片，封裝后的芯片必須拆封后才能進行測量，并且測量儀器昂貴。
圖5：正向電壓法和紅外熱像儀法測得的藍光LED結(jié)溫
圖6是利用紅外熱像儀測得的藍光LED在驅(qū)動電流為800mA時的表面溫度分布圖。由圖可以看出，該種倒裝結(jié)構(gòu)的大面積區(qū)域溫度分布比較均勻，最高溫度為79.37°C，主要集中在N型電極壓焊點附近的P區(qū)。最低溫度為70.43°C，溫差較小，主要原因是這種LED芯片采用了環(huán)形插指電極結(jié)構(gòu)減小了電流擴展路徑，使電流在N型區(qū)流動的橫向電阻減小，產(chǎn)生熱量降低，所以器件溫升小。
圖6：1W 藍光LED表面溫度分布
4、結(jié)論
通過對不同驅(qū)動電流下各種顏色LED結(jié)溫和熱阻的測量發(fā)現(xiàn)，任何顏色LED的熱阻均隨驅(qū)動電流的增加而變大，其中InGaN材料的藍光、白光LED在小于額定電流下工作時，熱阻上升迅速；驅(qū)動電流高于額定電流時，熱阻上升速率變緩。其他顏色LED熱阻隨驅(qū)動電流變化速率基本不變。結(jié)溫也會隨驅(qū)動電流的增加而變大。相同驅(qū)動電流下，由AlGaInP材料制作的紅色、橙色LED結(jié)溫要低于In-GaN材料的藍色、綠色、白色LED的結(jié)溫。比較了正向電壓法和紅外熱像儀法測得的藍光LED結(jié)溫值，分析了兩種方法的優(yōu)缺點。結(jié)果表明，紅外熱像儀法能夠直觀地反映芯片的最高溫度區(qū)域，器件的失效最終還是由最高溫度決定的；但正向壓降法測得的結(jié)溫與紅外法差別不大，作為一種快捷方便非破壞性的方法，可以首先被普遍采用。