GaN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
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
2．1 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。
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