樊嘉杰， 曹建武， 劉 杰， 經(jīng) 周， 孫 博， 胡愛(ài)華

(1. 河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 江蘇 常州 213022； 2. 常州市武進(jìn)區(qū)半導(dǎo)體照明應(yīng)用技術(shù)研究院， 江蘇 常州 213161；3. 廣東工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院， 廣東 廣州 510006； 4. 福建鴻博光電科技有限公司， 福建 福州 350008)

1 引 言

隨著芯片制造和封裝技術(shù)越來(lái)越成熟，紫外發(fā)光二極管(紫外LED)在醫(yī)療、國(guó)防及傳感等超越照明領(lǐng)域展示出了特殊的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。然而，這些應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ψ贤釲ED的熱穩(wěn)定性以及長(zhǎng)期可靠性提出了更高要求。其中，溫度對(duì)紫外LED封裝器件的光-熱特性和可靠性的影響顯著，直接影響了LED的出光效率、器件壽命及發(fā)射波長(zhǎng)等[1-2]。具體而言，隨著溫度升高，紫外LED的光學(xué)性能會(huì)顯著下降。影響該熱穩(wěn)定性的因素一般包括：襯底導(dǎo)熱系數(shù)、器件電流密度以及非輻射復(fù)合效應(yīng)(如小波段多量子威爾斯偏移、注入效率、位錯(cuò)密度等[3-4])等。因此，國(guó)內(nèi)外研究人員在該方面開(kāi)展了大量研究。例如，Lee等通過(guò)分析InN/GaN近紫外LED在不同驅(qū)動(dòng)電流和散熱器溫度下的光譜特性發(fā)現(xiàn)：在高驅(qū)動(dòng)電流條件下，光致熱效應(yīng)與器件性能退化密切相關(guān)[5-6]。Cao等研究了深紫外LED的溫度和電流特性，發(fā)現(xiàn)在室溫條件下紫外LED的內(nèi)量子效率不足5%，但隨著溫度降低，量子阱輻射強(qiáng)度會(huì)逐漸增加[7]。

為了提高LED封裝器件的散熱性能，降低其結(jié)溫，現(xiàn)有研究主要采用實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法分析了LED封裝結(jié)構(gòu)和材料對(duì)結(jié)溫的影響。鄒水平等采用導(dǎo)熱性能更好的襯底材料和焊接材料來(lái)提高散熱能力[8]。王軍喜等通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)采用藍(lán)寶石襯底可以提高紫外光的透光率，而硅襯底對(duì)光的吸收能力隨溫度的上升而增強(qiáng)[9]。李楊等采用共晶鍵合方式將芯片PN結(jié)與基板正負(fù)極連接，測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)該封裝形式的散熱性能優(yōu)于傳統(tǒng)正裝型封裝[10-11]。

然而，現(xiàn)有研究大都只針對(duì)同一種特有封裝形式的紫外LED的光熱特性進(jìn)行分析研究。很少對(duì)比分析不同封裝結(jié)構(gòu)和材料對(duì)紫外LED熱穩(wěn)定性及可靠性的影響。本文采用仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究3種不同封裝結(jié)構(gòu)近紫外LED封裝器件的熱穩(wěn)定性和可靠性。具體而言，首先，測(cè)量了不同電流和不同基板溫度下，近紫外LED封裝器件的光、熱特性。其次，基于3種樣品的高溫老化可靠性測(cè)試結(jié)果，討論了具有不同封裝結(jié)構(gòu)的紫外 LED封裝器件的光-色性能隨老化時(shí)間的變化規(guī)律。

2 LED電-光-熱耦合理論模型

2.1 正向壓降與結(jié)溫的關(guān)系Vf-T

對(duì)于LED而言，其正向壓降與其結(jié)溫一般滿足線性關(guān)系，如公式(1)所示[12]：

(1)

其中，A為常數(shù)，與所摻雜質(zhì)的濃度及PN結(jié)的種類和大小有關(guān)，EG(T)是半導(dǎo)體的能帶寬度。

2.2 峰值波長(zhǎng)與結(jié)溫的關(guān)系λ-T

LED峰值波長(zhǎng)與結(jié)溫的關(guān)系如公式(2)所示[13]：

λ(T2)=λ(T1)+ΔTK，

(2)

其中，λ(T2)是結(jié)溫為T(mén)2時(shí)的波長(zhǎng)，λ(T1)是結(jié)溫為T(mén)1時(shí)的波長(zhǎng)，K是波長(zhǎng)隨溫度變化的系數(shù)。隨著結(jié)溫的升高，峰值波長(zhǎng)將發(fā)生“紅移”[14-15]。

2.3 光通量、輻射功率與結(jié)溫的關(guān)系φ,Φ-T

LED光通量、輻射功率與結(jié)溫的關(guān)系為[14]：

φ(T2)-φ(T1)=e-knΔT，

(3)

式中，φ(T2)代表結(jié)溫T2時(shí)的光通量輸出，φ(T1)代表結(jié)溫T1時(shí)的光通量輸出，kn為溫度光效系數(shù)，ΔT為結(jié)溫差值。LED光通量與輻射功率的關(guān)系為：

(4)

式中，Km代表人眼對(duì)色彩的感知能力，λ為波長(zhǎng)，V(λ)為光譜光效率函數(shù)值，Φeλ為輻射功率。

2.4 光通量維持率與結(jié)溫的關(guān)系φ-T

在恒流條件下，根據(jù)能量守恒定律，LED將輸入電能轉(zhuǎn)換為光和熱。LED輸入功率Qin等于輻射功率Qra與熱功率Qth之和[16]：

Qin=Qra+Qth，

(5)

對(duì)于LED封裝，其熱阻與結(jié)溫的關(guān)系表達(dá)式如公式(6)所示[17]：

Tj=RVfηIf+Ta,

(6)

式中，Tj為結(jié)溫，Ta為環(huán)境溫度，Qth為熱功率，η為熱轉(zhuǎn)換效率。由關(guān)系式(6)可得結(jié)溫Tj與驅(qū)動(dòng)電流If成正比關(guān)系，并隨著Ta增加而增大。

隨著LED的老化，LED光通量維持率呈指數(shù)衰減關(guān)系[18]：

φ(t)=βe-αt，

(7)

式中，φ(t)為歸一化光通量維持率，β為擬合常數(shù)，理論上等于1，α為光通量維持率衰減因子。其中LED衰減速率與結(jié)溫隨溫度符合 Arrhenius 關(guān)系：

(8)

其中，Ea為激活能，A為前指因子，k為波爾茲曼常數(shù)。

由公式(1)～(8)可知，LED的光-色性能參數(shù)及光通量維持率壽命均受結(jié)溫影響。

3 實(shí)驗(yàn)方法

本文選取了3種不同封裝結(jié)構(gòu)的近紫外LED封裝器件作為研究對(duì)象，具體信息如表1所示。各樣品的封裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。樣品1為正裝封裝形式，其芯片襯底材料為硅，電極材料為銅，熱

表1 近紫外LED封裝樣品信息

圖1 測(cè)試樣品的封裝結(jié)構(gòu)圖。(a)樣品1；(b)樣品2；(c)樣品3。

Fig.1 Packaging structures of test samples. (a) Sample 1. (b) Sample 2. (c) Sample 3.

沉材料為鋁，基板材料為鋁。樣品2也為正裝封裝形式，其芯片襯底材料為鉬，電極材料為銅，熱沉材料為氧化鋁，基板材料為鋁。樣品3為倒裝封裝形式，其芯片襯底材料為藍(lán)寶石，電極材料為銅，基板材料為陶瓷。

為了研究不同封裝結(jié)構(gòu)近紫外LED封裝器件的光-熱穩(wěn)定性，本文選取了5個(gè)溫度水平(30～70 ℃)和5個(gè)電流水平(150～550 mA)為實(shí)驗(yàn)條件，分別測(cè)量3種樣品在每種條件下的光、電、熱參數(shù)。

首先，本文采用正向電壓法測(cè)量了不同條件下樣品的結(jié)溫。結(jié)溫測(cè)試平臺(tái)如圖2所示，其中包括結(jié)溫測(cè)試儀、恒溫箱、直流電源、熱控制平臺(tái)等。本文同時(shí)采用有限元熱仿真模擬方法計(jì)算樣品的理論結(jié)溫，用以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖2 LED結(jié)溫測(cè)試平臺(tái)

其次，采用光電參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量了不同條件下樣品的光電參數(shù)。如圖3所示，該測(cè)量系統(tǒng)由積分球、可編程直流電源、溫度控制臺(tái)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。測(cè)量時(shí)，將近紫外LED樣品固定在控溫平臺(tái)上，放置在積分球內(nèi)。通過(guò)控溫平臺(tái)控

圖3 光電參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)

圖4 恒溫老化可靠性測(cè)試設(shè)備

Fig.4 Constant temperature aging reliability test equipment

制樣品的基板溫度，通過(guò)可編程電源設(shè)置樣品驅(qū)動(dòng)電流。點(diǎn)亮樣品，當(dāng)溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，通過(guò)積分球測(cè)量光電參數(shù)，包括光通量、輻射功率、正向電壓等。

最后，為了研究不同封裝器件的可靠性，本文對(duì)3種不同封裝結(jié)構(gòu)紫外LED樣品進(jìn)行了55 ℃條件下的恒溫老化實(shí)驗(yàn)。老化裝置如圖4所示。老化過(guò)程中每隔168 h取出樣品測(cè)量其光通量、輻射功率、色坐標(biāo)x和y、半波寬等參數(shù)。

4 結(jié)果分析與討論

本節(jié)通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)比分析不同封裝結(jié)構(gòu)對(duì)近紫外LED封裝器件的光-熱特性及可靠性的影響。

4.1 結(jié)溫仿真與測(cè)試結(jié)果分析

首先，采用ANSYS有限元仿真方法對(duì)近紫外LED封裝樣品進(jìn)行了熱仿真模擬分析。如圖5所示，分別構(gòu)建3種測(cè)試樣品的三維模型，該模型包括近紫外LED封裝器件和梅花形測(cè)試基板。模型中零件的材料參數(shù)如表2所示。

本文根據(jù)結(jié)溫測(cè)試中設(shè)定的測(cè)試條件選取樣品的輸入電功率?？紤]LED中大部分能量轉(zhuǎn)換為熱，本文假設(shè)80%的輸入電功率被轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)ED芯片等效熱功率，再根據(jù)芯片尺寸和等效熱功率計(jì)算芯片上的熱生成率。通過(guò)改變熱生成率命令來(lái)模擬不同輸入功率和基板溫度負(fù)荷條件下樣品的溫度分布。圖6為基板溫度為30 ℃和輸入電流為350 mA條件下3種樣品的熱仿真溫度分布圖。

然后，我們采用電壓法測(cè)量樣品在不同驅(qū)動(dòng)電流和基板溫度下的結(jié)溫值，并與有限元仿真模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。如圖7所示，實(shí)線代表有限元仿真結(jié)溫值隨電流的變化，虛線代表采用電壓法測(cè)試結(jié)溫隨電流變化。由圖可知：一方面，結(jié)溫

圖5 紫外LED樣品的三維模型。(a)樣品1；(b)樣品2；(c)樣品3。

Fig.5 3D models of UV LED samples. (a) Sample 1. (b) Sample 2. (c) Sample 3.

表2 紫外LED樣品內(nèi)部封裝材料的熱導(dǎo)率

Tab.2 Thermal conductivity of packaging materials for UV LED samples

材料熱導(dǎo)率/(W·m-2·K-1)硅1.48×102鋁2.00×102陶瓷2.00×101藍(lán)寶石5.00鉬1.40×102硅膠1.50銅3.83×102

隨著驅(qū)動(dòng)電流增加呈線性增加趨勢(shì)，這與理論模型(公式6)相符；另一方面，電壓法測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果相比，差值較小。仿真溫度比實(shí)測(cè)溫度略高的原因可能是建模過(guò)程中忽略了一些影響較小焊接材料，簡(jiǎn)化了模型。實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，焊接材料中含有金、銀等高熱導(dǎo)率材料，所以散熱性能好。綜合而言，仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果是相符的。

根據(jù)結(jié)溫的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文可以計(jì)算3種樣品從PN結(jié)到基板的熱阻值，如表3所示。從表中可以看出：首先，樣品1的熱阻最小，這說(shuō)明采用金屬鋁基熱沉有助于提高封裝散熱性能；其次，樣品3為倒裝封裝形式，封裝結(jié)構(gòu)和材料較傳統(tǒng)正裝封裝精簡(jiǎn)，導(dǎo)致熱傳導(dǎo)途徑較短，因此其熱阻值較樣品2的熱阻小。

圖6 樣品在基板溫度為30 ℃和電流為350 mA條件下的熱仿真云圖。(a)樣品1；(b)樣品2；(c)樣品3。

Fig.6 Simulated thermal distribution sample under the condition of the substrate temperature as 30 ℃ and the current as 350 mA. (a) Sample 1. (b) Sample 2. (c) Sample 3.

圖7 樣品在不同驅(qū)動(dòng)電流和基板溫度下的結(jié)溫測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比。(a)樣品1;(b)樣品2;(c)樣品3。

Fig.7 Test results of the junction temperature under different driving current and substrate temperature are compared with the simulation results. (a) Sample 1. (b) Sample 2. (c) Sample 3.

表3 熱阻的仿真和測(cè)試值

4.2 溫度對(duì)正向電壓和輻射功率的影響

圖8為本文所選3種近紫外LED的正向電壓和輻射功率測(cè)量值在不同基板溫度條件下的變化曲線。從圖中我們可以看出，隨著溫度的升高，所有樣品的正向電壓有明顯下降趨勢(shì)，且所有樣品的輻射功率也出現(xiàn)下降。該結(jié)果表明，紫外LED的光電性能受溫度影響較大。由公式(3)中溫度Droop效應(yīng)可知：結(jié)溫越高，ΔT越大，LED的輻射功率越小。引起這種溫度效應(yīng)的主要原因是溫度升高，導(dǎo)致帶隙收縮、電子與空穴分離，從而使內(nèi)部量子效率降低，并導(dǎo)致電光轉(zhuǎn)換效率下降。對(duì)比不同封裝形式，我們可以發(fā)現(xiàn)：樣品3的輻射功率比樣品1和樣品2高，這說(shuō)明采用倒裝封裝形式可以增加出光效率。隨著溫度升高，樣品1的輻射功率下降幅度最大，表明其輻射功率的熱穩(wěn)定性較差。

圖8 溫度對(duì)正向電壓和輻射功率的影響

Fig.8 Effect of temperature on forward voltage and radiation power

4.3 溫度對(duì)光譜功率分布的影響

本文還對(duì)所選3種近紫外LED在相同額定電流、不同基板溫度條件下的光譜功率分布進(jìn)行測(cè)量，并分析了峰值波長(zhǎng)和半波寬的變化。如圖9所示，隨著溫度升高，所有樣品的峰值波長(zhǎng)發(fā)生了“紅移”現(xiàn)象，這與理論模型相符(公式(2))。該“紅移”現(xiàn)象是量子限制斯塔克效應(yīng)、帶填充效應(yīng)、熱效應(yīng)和帶隙窄化等相互競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。其中，帶填充效應(yīng)和熱效應(yīng)是主要影響因素。帶填充效應(yīng)一般引起峰值波長(zhǎng)藍(lán)移，而熱效應(yīng)則引起峰值波長(zhǎng)紅移。另外，從圖9可知，所有樣品的半波寬隨著溫度的升高并沒(méi)有明顯的變化，這說(shuō)明所選近紫外LED封裝器件在該溫度條件下具有良好的色純度。

圖9 溫度對(duì)光譜功率分布的峰值波長(zhǎng)和半波寬的影響

Fig.9 Effect of temperature on peak wavelength and full width at half maximum(FWHM) of the spectral power distribution

4.4 恒溫老化測(cè)試及可靠性分析

本文對(duì)3種不同封裝結(jié)構(gòu)近紫外LED樣品進(jìn)行了55 ℃恒溫和350 mA額定電流條件下的老化實(shí)驗(yàn)，老化時(shí)間持續(xù)近1 200 h。圖10分別顯示了3種樣品的光通量和輻射功率、色坐標(biāo)x和y的平均值隨老化時(shí)間的變化規(guī)律。

圖10 (a)恒溫老化測(cè)試中平均光通量和平均輻射功率衰減；色坐標(biāo)x(b)與色坐標(biāo)y(c)隨時(shí)間的變化。

Fig.10 (a) Degradations of averaged luminous flux and averaged radiative power under the constant temperature ageing test. Shifts of color coordinatesx(b) andy(c) with time.

4 結(jié) 論

本文研究了具有不同封裝結(jié)構(gòu)的近紫外LED封裝器件性能的熱穩(wěn)定性和可靠性。首先，采用正向電壓法測(cè)量和ANSYS有限元模擬兩種方法研究了3種近紫外LED封裝器件的熱性能，結(jié)溫仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果具有較好的一致性。其次，對(duì)其進(jìn)行光電特性參數(shù)測(cè)試，研究輻射功率、正向電壓、峰值波長(zhǎng)和半波寬等參數(shù)隨結(jié)溫的變化關(guān)系。最后，通過(guò)恒溫老化試驗(yàn)研究光通量、輻射功率、色坐標(biāo)參數(shù)隨老化時(shí)間的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：(1)結(jié)溫對(duì)近紫外LED封裝器件的發(fā)光性能影響較大，在高溫高電流條件下，結(jié)溫顯著升高會(huì)導(dǎo)致輻射功率下降和峰值波長(zhǎng)紅移；(2)與正裝結(jié)構(gòu)相比，倒裝近紫外LED封裝器件的光輸出性能不僅具有較高的瞬態(tài)熱穩(wěn)定性，還具有較好的長(zhǎng)期可靠性。