大功率LED芯片抗过电能力研究

　　LED作为一种新型的照明技术，具有耗能低、寿命长、体积小、可调光、控制灵活和环保等优点，其应用前景举世瞩目。随着LED价格的下降，市场逐渐打开，越来越多的照明产品使用LED作为光源。特别是在道路照明领域，大功率LED产品成为市场的主角，LED在户外照明领域大放异彩[2]。然而，随着LED灯具应用的增加，户外LED灯具受雷击浪涌影响失效的数量也在增加。据调查，在正常使用年限内受损的LED户外灯具大多是因为雷击浪涌产生的过电应力失效了灯具电源及LED光源。这不仅影响灯具的使用寿命，而且增加企业的维护成本。鉴于此，LED户外灯具的抗雷击浪涌能力应引起足够的重视。

　　LED灯具的抗雷击浪涌能力主要取决于两方面：(1)LED驱动电源的抗雷击浪涌能力及保护机制。(2)LED芯片的抗过电应力能力。对于LED驱动电源，应该以两点判断其抗雷击浪涌能力的好坏：(1)自身元器件的抗雷击浪涌能力，保证电源在雷击浪涌后依旧正常工作。(2)电源对浪涌电流电压波形的衰减能力，保证浪涌经过电源后衰减的峰值电流电压在LED芯片可承受的范围内。天津大学张金建[3]等对LED驱动电源的抗雷击浪涌进行研究，根据雷击浪涌的特性，利用气体放电管、压敏电阻、瞬态抑制二极管等浪涌器件设计了一种适合LED电源的浪涌保护电路，并采用雷击浪涌发生器进行抗扰度实验以测试其抗雷击性能。实验结果表明，能够抗击差模1kV和共模2kV的雷击高压，保证LED电源正常工作。然而，LED驱动电源的抗雷击浪涌要求是由LED芯片的抗过电应力能力决定的。因此，对LED芯片的抗过电应力能力的研究是十分必要的。

　　基于此，本文针对几种类型不同的大功率LED芯片进行雷击浪涌实验，以探讨不同大功率LED芯片抗过电应力能力，为LED户外灯具的驱动电源与LED芯片的选择，以及抗雷击浪涌浪涌能力的设计研发提供参考，具有重要的实际意义。

　　2、LED芯片抗过电应力能力的影响因素

　　首先，LED芯片可承受的电流密度决定其抗过电应力能力，LED芯片能承受的单位横截面积上的电流越大，其抗过电应力能力越强。对于常规电导体电流密度必须足够低，以防止导体熔化或熔断，或者绝缘材料被击穿[4]。在大电流密度下LED芯片内部会发生电迁移现象。导电金属材料在通过较高电流密度时，金属原子会沿着电子运动方向进行迁移扩散。在LED中电迁移使金属原子从一个晶格自由扩散到另一个晶格空位上。以倒装结构芯片为例，当电子流从互连引线流入共晶合金凸点时，由于互连引线到凸点的几何形状产生了突变，因此会在界面上产生电流密度聚集和局部焦耳热效应[5]。电流密度聚集使得凸点和芯片及基板引线里的电流密度分布不均匀，导致电流密度聚集处局部产生了复杂的电迁移力，加速了电迁移的过程，同时加速了LED的失效。

　　其次，电流聚集效应影响芯片的抗过电应力能力。电流聚集是电流密度在芯片上的不均匀分布，尤其在芯片接触点附近和P-N接点上方。LED芯片的电流聚集现象在芯片上形成局部过热形成热点，加剧电迁移效应使电流密度局部分布不均匀，不均匀的电流密度使得芯片局部温度上升，而温度上升又引起电阻率降低，从而导致局部载流子的俄歇复合增加[6]，影响芯片的内量子效率。少数载流子通过异质结的电荷区时发生渗漏，会引起电流的注入效率下降，从而造成LED芯片局部发光不均、过热，影响芯片的发光性能和使用寿命，最终导致LED芯片短路或开路。当芯片尺寸和注入电流较大时，这种现象尤为严重。

　　最后，LED芯片键合线的载流能力是影响LED芯片抗过电应力能力的一个因素。虽然由于键合线的熔断导致LED失效在实际应用中不常见，但是键合线的直径、长度、键合类型、金属的物理材质性质、电阻性都对金线的载流能力有影响。当过电应力较大时，导体熔断使LED开路。

　　以上因素共同影响LED芯片的抗过电应力能力。通过不同的芯片技术工艺可以改善芯片的电迁移及电流聚集效应。例如，优化的插指电极可以改善电流拥挤现象;垂直结构芯片使电流在芯片内纵向流动可以改善电流聚集现象。同时倒装芯片的电极和Bump的数目[5]、位置以及欧姆接触的加工制作对于芯片的电流扩展有显著的影响，通过优化电极、Bump的几何及电学参数等可以较大程度的减弱电流拥挤效应，改善电流密度分布的不均匀性，促进电流扩展，降低芯片总的等效电阻。

　　可见不同结构不同工艺的LED芯片在相同的浪涌脉冲下，抗过电应力的表现不同。下面通过实验找到市场上常见大功率LED芯片的抗单次脉冲电流峰值的范围。

　　3、不同大功率LED芯片抗单次脉冲电流的实验

　　为了模拟实际雷击对LED灯具及芯片的影响，采用杭州远方EMS61000-5A[7]智能型雷击浪涌发生器，模拟雷击过程中电网中产生的浪涌波形。

　　EMS61000-5A的输出波形为：电压综合波1.2/50μs和电流综合波8/20μs的标准组合波[8]，其中电压综合波(如图1所示)波前时间：T1=1.67T=1.2μs±0.36μs，半峰值时间：T2=50μs±10μs。

　　电流综合波(如图2所示)波前时间：T1=1.25T=8μs±1.6μs，半峰值时间：T2=20μs±4μs。

　　当使用LED整灯(包含灯珠和驱动电源)作为浪涌测试对象时，发现标准浪涌波形经过LED电源后其输出浪涌电流是不确定的，由于不同生产厂家的驱动电源抗雷击设计不同，造成电源输出端即灯珠输入端浪涌波形的形态及峰值电流大小不可控，增加了实验过程中的不确定因素。

　　为解决以上问题，本实验使用直流供应器直接对单颗LED供电，将浪涌波形加在直流电路中。通过调节设备输出的脉冲电压峰值大小和与单颗LED相串联的电阻阻值，来改变灯珠输入端电流脉冲峰值的大小。这样就做到了浪涌波形的确定及脉冲峰值电流大小的可控。

　　实验时首先将灯珠在350mA工作电流下点亮，在串联有电阻和LED灯珠的电路中施加以上脉冲波形。脉冲电压由250V开始逐步增加，增加间隔为50V。每个电压档进行浪涌冲击5次，每个波形间隔10s。如果测试完成后灯珠正常工作，就进入下一个电压档继续测试。同时使用示波器观察灯珠两端的峰值电流波形，当灯珠失效击穿时记录其脉冲波形，确定其失效时脉冲峰值电流(为排除灯珠保护电极对实验影响，实验前将灯珠保护电极去除)。

　　3.1蓝宝石衬底水平结构芯片抗浪涌测试

　　对市场上一款尺寸为45mil*45mil尺寸的水平结构LED芯片进行浪涌测试。由250V浪涌开始，灯珠在300V第二次浪涌冲击时失效。记录到灯珠失效时其两端的电流浪涌波形如图3所示。

　　实验共测试5颗水平结构LED灯珠，其失效时脉冲电流峰值分别为：15.55A、15.88A、15.00A、15.62A、15.22A。

　　对浪涌后灯珠分析发现，灯珠完全短路，芯片电极处完全击穿熔断，如图4所示：

　　图5、图6分别为蓝宝石衬底正装结构芯片在1mA和150mA下芯片表面亮度分布图。从图中可以观察到在1mA下芯片表面电流分布不均匀导致芯片表面亮度不均匀，同时随着电流增大(150mA)，电流分布不均匀现象加剧。

　　3.2 SiC倒装结构LED芯片抗浪涌测试

　　选用市场上一款尺寸为40mil*40mil大小的SiC衬底倒装结构芯片做抗过电应力测试。灯珠在650V浪涌电压下失效，其失效时承受的浪涌波形如图7所示。

　　实验共测试5颗SiC衬底倒装结构LED芯片，其失效时的脉冲峰值电流分别为：29.22A、29.68A、33.57A、35.68A、35.39A。通过对比发现，以上峰值电流比测试过的水平结构芯片抗浪涌峰值电流高出一倍。

　　对浪涌后灯珠分析发现，灯珠完全短路，如图8所示：

　　图9、图10分别为SiC衬底正装结构芯片在1mA和150mA下芯片表面亮度分布图。

　　观察测试SiC衬底的倒装芯片结构的灯珠在1mA与150mA下芯片表面亮度分布图，发现在小电流下芯片亮度分布较均匀，表明芯片电流分布均匀。同时随着电流的增大(150mA)，芯片中没有出现明显的电流分布不均匀现象。

　　对于GaN基蓝光LED，SiC与GaN之间的晶格失配率仅3.4%，远小于蓝石衬底与GaN之间17%的晶格失配，SiC衬底上外延生长的GaN薄膜具有更低的位错缺陷密度，意味着SiC衬底的GaN LED具有更高的内量子效率，适合在大电流密度下工作。另外，SiC的热导率很高(420W/m.K)，是蓝宝石(23-25W/m.K)的十五倍以上[9]，有利于LED器件的散热，提高LED的可靠性。

　　3.3蓝宝石剥离衬底倒装LED芯片抗过电应力测试

　　选用市场上一款尺寸为55mil*55mil以蓝宝石剥离衬底的倒装结构灯珠做过电应力测试。芯片在350V浪涌电压下失效，其失效浪涌波形如图11所示。

　　实验测试的5颗蓝宝石剥离衬底倒装结构灯珠失效时承受的脉冲电流峰值分别为：16.2A、16.59A、12.23A、14.49A、14.53A。

　　图12蓝宝石倒装LED光源浪涌失效后的芯片表面，芯片表面可以明显观察到由于电流拥挤产生的局部温度过高造成的击穿。

　　3.4 SiC衬底垂直结构LED芯片抗过电应力测试

　　选用市场上一款尺寸为55mil*55mil，以SiC为衬底的垂直结构芯片做雷击浪涌测试，芯片在600V浪涌电压下失效。其失效的浪涌波形如图13所示。

　　实验测试5颗SiC衬底垂直结构灯珠失效时承受的脉冲电流峰值分别为：24.4A、28A、25.2A、24.6A、26.0A。

　　对失效灯珠进行分析发现，其失效区域集中在电极附近，如图14所示。

　　3.5 Si衬底转移垂直结构LED芯片抗过电应力测试

　　选用市场上一款尺寸为45mil*45mil，Si衬底转移垂直结构芯片做过电应力测试，芯片在350V浪涌电压下失效。其失效时承受的浪涌波形如图15所示。

　　实验测试的5颗Si衬底垂直结构芯片失效时承受的脉冲电流峰值分别为：16.6A、16.6A、16.4A、16.2A、16.5A。

　　对失效芯片进行分析，可明显观察到N电极附近金属化电极击穿，如图16所示。

　　将以上测试结果记录如表1所示：

　　4、结论

　　通过对市场上常见的大功率LED芯片的抗过电应力能力测试，发现不同结构不同工艺LED芯片的抗过电应力能力差别很大。其失效时承受的单次脉冲电流峰值范围在12A到35A之间。对于LED驱动电源，其在遭受雷击浪涌时在保证自身正常工作的前提下，还需要保证其输出端的浪涌波形峰值电流小于12A，这样才能保护LED灯珠，避免其立即失效。当然，还需要考虑另一种情况，即LED灯珠在承受过电应力时，失效初期仅仅表现为灯珠漏电，需要老化一段时间后才出现光通量的明显下降或死灯现象。这种情况对于LED驱动电源的抗雷击能力有更高的要求，我们在后期将增加浪涌冲击后灯珠漏电检测及加速老化的实验内容，完善这部分的研究工作。

　　提高LED灯具抗雷击能力的另一个方面即提高灯具使用的LED光源的抗过电应力能力，在表1中可以看到倒装结构SiC衬底(图形化处理衬底，未完全剥离衬底)能承受的脉冲电流峰值达到32A，在抗过电应力上有很好的表现，与抗雷击浪涌能力强的驱动电源结合使用可以提升灯具的整体抗雷击性能。当然，大功率LED芯片制作工艺(如芯片结构、外延制造等)对芯片抗过电应力能力起决定性作用的方面在表1中没有充分反映，这也是我们下一阶段的课题方向。