功率型LED结温和热阻在不同电流下性质研究

　　引言

　　全球照明协会表示在不远的将来，大功率发光二极管(Powerlight-emittingdiodes)将在普通照明领域起到至关重要的作用。自1994年以来，大功率LED得到迅猛发展，已经在诸多领域(如路灯、汽车尾灯、LCD背光源等)取代了传统光源。近年来，LED技术的发展更是日新月异，其光效的提升和器件成本的下降服从类似于摩尔定律的海茨(Haitz)定律，即LED价格每10年降低为原来的1/10，性能则提高20倍。

        国际上LED技术正在向大功率、高亮度、高效率、低成本方向发展。功率LED的光学特性和电学特性强烈依赖于结温。随着LED功率的增大，过高的结温会影响LED的寿命和可靠性，散热问题变得日益严峻。因此，了解功率LED结温和热阻的变化特性就变得尤为重要。文中通过正向电压法和红外热像仪法，对功率LED的结温和热阻随电流的变化特性进行了研究。

　　1、功率LED结温测量方法

　　按标准，热阻的一般定义是：在热平衡的条件下，两规定点(或区域)温度差与产生这两点温差的耗散功率之比(单位°C/W或K/W)。热阻的大小直接影响LED的寿命、出光率、发光强度等。对于LED，由于热源在pn结处，其最高温度通常指pn结的温度，即结温Tj，它也是影响LED可靠性的重要参数。目前比较成熟的结温测量方法有红外热像仪法和正向电压法(又称标准电学法)。红外热像仪法通过测量器件工作时芯片表面的红外辐射给出芯片表面的二维温度分布，以此来表征结温及其分布，这种方法只能测量未封装的器件，对成品器件则需要开封才能测量。正向电压法是一种非破坏性的芯片温度测量方法，与红外热像法相比正向电压法具有灵敏度高、测量迅速、试验成本低廉等优点。

　　2、实验样品

　　所测试的样品，均为路灯和夜景照明用功率LED，包括1WInGaN蓝色、绿色LED、1WAl-GaInP红色、橙色LED以及1W、3W蓝宝石衬底InGaN白光LED，所有颜色芯片均用金属铝做散热基板材料。1W样品为一个1mm×1mm芯片。3WLED为两个1W芯片并联结构，白光是通过在In-GaN蓝光LED表面涂敷YAG荧光粉实现。

　　3、实验及结果分析

　　测试时环境温度设置为25°C，驱动电流从100mA上升到1A，增长间隔为100mA。

   3.1　正向电压法测量热阻分析

　　图1是环境温度为25°C，1WAlGaInP红色和橙色LED的热阻随驱动电流的变化趋势图。由图1可知，功率为1W的AlGaInP红色和橙色LED热阻均随驱动电流的增加而增大，在相同驱动电流下，橙色AlGaInPLED的热阻值要高于红色LED。在驱动电流的变化过程中，橙色LED的热阻值从10.28°C·W-1上升到15.05°C·W-1，红色LED热阻值从9.85°C·W-1增大到13.25°C·W-1。造成此种差异的原因是由于在相同的输入功率下，橙色LED的电光转化效率低于红色LED造成的，亦即在相同注入电流时，AlGaInP橙色LED比红色LED有更高的结温。

图1：AlGaInP红色和橙色LED热阻变化趋势图

　　图2是环境温度为25°C，1WInGaN绿色和蓝色LED的热阻随驱动电流的变化趋势图。从图中可以看出，InGaN绿色和蓝色LED的热阻一样随驱动电流的增加而变大，其中蓝光LED的热阻值由10.02°C·W-1上升为21.57°C·W-1，而绿光的热阻值由13.74°C·W-1上升为17.68°C·W-1，其变化幅度较蓝光LED要小。蓝光LED在大于额定工作电流350mA的驱动电流下工作时，热阻的变化趋于缓和，由于器件在大于额定电流下工作时，器件内部的各种缺陷、材料的不匹配度等达到了稳定值，电流的增加对他们的影响不像小电流阶段那么明显了(除非电流加到足以使LED内电极翘起、金线熔断)，导致随驱动电流的增加，器件内部阻碍热流传导到外部的障碍并没有太大变化。文中认为热阻的升高可能是由于大电流导致的电流拥挤效应，电流拥挤效应又导致了电光转换效率的减少(辐射复合区域减少)，虽然输入的电功率有所增加，但随着电流增加，输出的光功率却减少了，并最终导致了热阻的上升。

图2：InGaN绿色和蓝色LED热阻变化趋势图

图3是环境温度为25°C，1WInGaN白色和蓝色LED的热阻随驱动电流的变化趋势图。虽然白光LED要比蓝光LED多出一层YAG荧光粉，但如图3所示，二者的热阻值差异不大，表明YAG荧光粉并未严重影响1W白光LED的散热，功率LED的内部热量靠辐射散发的很少，主要还是靠芯片传导到衬底，衬底传导到铝基板的方式散发到外部的。

图3：InGaN基白色和蓝色LED热阻变化趋势图

　　图4是3W白光LED热阻随驱动电流变化的趋势图，其中，图4(a)是美国照明研究中心的Jayasinghe等人在环境温度25°C时测得的3W白光LED热阻在不同驱动电流下的变化趋势图，图4(b)是在相同环境温度下测得的3WInGaN基白光LED热阻趋势图。两种试验用的LED芯片大小相同，但美国照明研究中心所测量的管子比笔者的封装要大些。图4(a)中驱动电流从100～800mA变化时，热阻值由8°C·W-1上升到15°C·W-1，在相同的电流变化范围内，图4(b)热阻值由7.5°C·W-1上升至19°C·W-1，差异较小，说明我国大功率白光LED发展迅速，其散热性能已经比较好。

　　图4：(a)美国照明研究中心测量的3W白色LED热阻随电流变化趋势图；(b)3W白色LED热阻随输入电流变化趋势图

    3.2　正向电压法测量结温分析

　　表1是环境温度25°C，驱动电流变化范围从100～1000mA时，不同颜色1W功率LED在相应电流下的结温。从表中可以看出，各种颜色的功率LED结温均随驱动电流的增加而上升。分析认为，随着驱动电流的加大，会导致LED内部产生电流拥挤效应，电流拥挤会导致光输出效率的减少(辐射复合减少)，因此导致结温上升，而结温的升高会导致LED材料热导率的变化。一些小组研究得出GaN导热系数在25～175°C时从2.50W/(cm·K)下降到1.75W/(cm·K)[4]；其他人研究说温度从25～125°C时，GaN导热系数由2.0W/(cm·K)下降至1.6W/(cm·K)[5]。反过来，材料导热系数的下降又会制约LED的热传导，进一步提高LED结温，如此相互制约，甚至会形成恶性循环。另外，过大的电流还会导致LED各接触层之间失配度的变化、焊料的退化等，也会导致LED温度的升高。

表1：正向电压法测得的各种颜色1W功率LED在不同驱动电流下的结温值

　　其次，从表中可以看出，由AlGaInP材料制作的红色、橙色LED结温在相同驱动电流下结温差距不大，由InGaN材料制作的蓝色、绿色、白色LED的结温也很相似，而由AlGaInP材料制作的LED的结温要远远低于InGaN材料制作的LED。这是由于材料禁带宽度差异，在相同输入电流下InGaN材料制作的LED电压值要高于AlGaInP材料制作的红色、橙色LED，虽然InGaN材料LED的光电转换效率要高些，但其电功率转换成热功率的值仍要大于Al-GaInP红色、橙色LED。即在相同驱动电流下，In-GaN材料LED产生的热功率要大于AlGaInP材料的红色、橙色LED。而且，由于InGaN材料的P型掺杂浓度低于AlGaInP材料，导致InGaN芯片的串联欧姆电阻要大于AlGaInP材料的串联欧姆电阻，大电流条件下串联欧姆电阻产生的热量[7]也是导致两种芯片LED结温不同的重要因素。

　　再次，AlGaInP材料制作的红色LED的结温要低于相同芯片材料的橙色LED，反证了文中关于图2
的解释是合理的。

    3.3　正向电压法、红外热像仪法比较

　　采用实验室自制的1mm×1mm芯片进行了正向电压法和红外热像仪法测量结温的方法比较。图5是两种方法测得的1W蓝光LED在不同驱动电流下的结温变化曲线。由图可以看出，两种方法测得的结温值基本相同，无论哪种方法，结温均随驱动电流的增加而增大。正向电压法得到的是平均温度效应。相比之下，红外热像仪法能够快捷地获取器件表面的温度分布图像，展现芯片质量的全局概况，并能清晰显示出可能导致器件热失效主要因素——热斑的分布密度，尤其近些年来，通过结合现代高速发展的计算机技术、微电子技术和图像处理技术，光学测温技术的灵敏度、精度、稳定性和自动化程度都得到了大幅度提高，其应用领域也越来越广泛。但其缺点是只能测量未封装的裸露芯片，封装后的芯片必须拆封后才能进行测量，并且测量仪器昂贵。

图5：正向电压法和红外热像仪法测得的蓝光LED结温

        图6是利用红外热像仪测得的蓝光LED在驱动电流为800mA时的表面温度分布图。由图可以看出，该种倒装结构的大面积区域温度分布比较均匀，最高温度为79.37°C，主要集中在N型电极压焊点附近的P区。最低温度为70.43°C，温差较小，主要原因是这种LED芯片采用了环形插指电极结构减小了电流扩展路径，使电流在N型区流动的横向电阻减小，产生热量降低，所以器件温升小。

图6：1W 蓝光LED表面温度分布

　　4、结论

　　通过对不同驱动电流下各种颜色LED结温和热阻的测量发现，任何颜色LED的热阻均随驱动电流的增加而变大，其中InGaN材料的蓝光、白光LED在小于额定电流下工作时，热阻上升迅速；驱动电流高于额定电流时，热阻上升速率变缓。其他颜色LED热阻随驱动电流变化速率基本不变。结温也会随驱动电流的增加而变大。相同驱动电流下，由AlGaInP材料制作的红色、橙色LED结温要低于In-GaN材料的蓝色、绿色、白色LED的结温。比较了正向电压法和红外热像仪法测得的蓝光LED结温值，分析了两种方法的优缺点。结果表明，红外热像仪法能够直观地反映芯片的最高温度区域，器件的失效最终还是由最高温度决定的；但正向压降法测得的结温与红外法差别不大，作为一种快捷方便非破坏性的方法，可以首先被普遍采用。