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1、收稿日期:Z 005-09-Z 1.基金項(xiàng)目:國(guó)家 十五 科技攻關(guān)計(jì)劃重大項(xiàng)目 Z 003BA 316A 01-01-0Z 深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目.光電器件G a N 基功率型LED 芯片散熱性能測(cè)試與分析錢(qián)可元1!鄭代順1!羅毅1!Z(1.清華大學(xué)深圳研究生院半導(dǎo)體照明實(shí)驗(yàn)室廣東深圳518055 2.清華大學(xué)集成光電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京100084摘要:與正裝LED 相比!倒裝焊芯片技術(shù)在功率型LED 的散熱方面具有潛在的優(yōu)勢(shì)"對(duì)各種正裝和倒裝焊功率型LED 芯片的表面溫度分布進(jìn)行了直接測(cè)試!對(duì)其散熱性能進(jìn)行了分析"研究表明!焊接層的材料#焊接接觸面的面積和焊接層的質(zhì)量是制
2、約倒裝焊LED 芯片散熱能力的主要因素$而對(duì)于正裝LED 芯片!由于工藝簡(jiǎn)單!減少了中間熱沉!通過(guò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化!工藝的改進(jìn)!完全可以達(dá)到與倒裝焊LED 芯片相同的散熱能力"關(guān)鍵詞:功率型LED 倒裝焊結(jié)構(gòu) 散熱性能 熱阻中圖分類(lèi)號(hào):TN31Z .8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1001-5868 Z 006 03-0Z 36-04Ther m al D is p ers i on of G a N -based Power LED sO I AN Ke-y uan 1 Z HENG D ai-shun 1 L UO Y i 1Z1.G raduate S chool at S henzhe
3、n T s i n g hua Univers it y S henzhen 518055 CHN2.S t ate K e y Laborat or y of Inte g rated o p t oelectronics T s i n g hua Univers it y B ei i n g 100084 CHNAbstract I n t he as p ect Of t her m al di s p ersi On f Or p O Wer LED s fli p -chi p cOnfi g urati On hasp Ot enti al p redO mi nance .T
4、he t e m p erat ure di stri buti On Of p O Wer LED s i s m easured and t he p erf Or m ance Of t her m al di s p ersi On i s di scussed .The anal y ti cal results shO W t hat t he sOl derm at eri al cOnt act area and p r Ocessi n g C ualit y Of sOl der l a y er W ill be m ai n f act Ors restri cti n
5、 g t he abilit y Of t her m al di s p ersi On f Or fli p -chi p cOnfi g urati On LED s .ean Whil e t he nOr m al LED chi p s e m itti n g li g ht f r O m p -si de are p Ossi bl e t O reach t he sa m e t her m al di s p ersi On p erf Or m ance as t he fli p -chi p bOnded LED s t hr Ou g h adO p ti n
6、g a pp r O p ri at e bOndi n g t echni C ue and O p ti m i zi n g chi p str uct ure .Ke y words p O Wer LED fli p -chi p cOnfi g urati On p erf Or m ance Of t her m al di s p ersi Ont her m al resi st ance1引言對(duì)于功率型LED 目前的電光能量轉(zhuǎn)換效率約為15 即85 的能量將轉(zhuǎn)化為熱能 在G a N 基功率型LED 中 由于 族氮化物的P 型摻雜受限于g 受主的溶解度和空穴的較高激活能 熱量
7、特別容易在P 型區(qū)域中產(chǎn)生 如果熱量集中在尺寸很小的芯片內(nèi) 會(huì)使芯片溫度升高 引起熱應(yīng)力分布不均 芯片發(fā)光效率和熒光粉轉(zhuǎn)換效率下降 當(dāng)溫度超過(guò)一定值時(shí) 器件失效率呈指數(shù)規(guī)律升高 因此在芯片制作和封裝設(shè)計(jì)方面要設(shè)法降低熱阻 以保證功率型LED 能高效且可靠地工作 本文在對(duì)各種功率型LED 芯片的表面溫度分布進(jìn)行直接測(cè)試的基礎(chǔ)上 分析了正裝和倒裝焊芯片結(jié)構(gòu)LED 的散熱性能 以及制約因素和改進(jìn)的途徑63Z SE M I CoNDUCToR oPToELECTRoNI CS Vol .27No.3June 2006Z 功率型LED 芯片散熱物理模型2.1芯片結(jié)構(gòu)與基本參數(shù)與傳統(tǒng)的白熾燈相比 LED
8、器件的溫度一般低于Z 00C 其熱輻射非常弱 同時(shí)由于封裝結(jié)構(gòu)和材料的因素 芯片側(cè)表面和上表面的散熱能力極差 因此 LED 產(chǎn)生的熱量絕大部分是通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式傳到芯片底部的熱沉 再以熱對(duì)流的方式耗散掉 表1給出了幾種不同材料的熱導(dǎo)率 13由表1可以看出 目前在功率型LED 的制備中 技術(shù)最為成熟 用得最多的藍(lán)寶石襯底的熱導(dǎo)率只有3546W m K 不足S i 材料的1 4表1不同材料的熱導(dǎo)率單位:W /(m *K 材料E p OX y 導(dǎo)熱銀膠藍(lán)寶石鉛錫焊料熱導(dǎo)率0.Z Z .57.5354650材料Ga N S i A l Au 熱導(dǎo)率130140148150Z 37317材料Cu A g
9、 S i C A l N 陶瓷熱導(dǎo)率4014Z 9490Z 00Z 50為了提高功率型LED 器件的散熱能力和出光效率 產(chǎn)生了倒裝焊芯片 fli p -chi p 結(jié)構(gòu) 圖1分別給出了目前常用的正裝與倒裝焊功率型LED 芯片結(jié)構(gòu)的示意圖 a 正面出光大功率LED 芯片結(jié)構(gòu)示意圖 b 倒裝焊大功率LED 芯片結(jié)構(gòu)示意圖圖1正面出光和倒裝焊LED 芯片結(jié)構(gòu)示意圖倒裝焊結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于以熱導(dǎo)率較高的S i 或陶瓷 材料作為器件熱傳導(dǎo)的介質(zhì) 通過(guò)倒裝焊技術(shù)將LED 芯片鍵合在S i 襯底上與正裝結(jié)構(gòu)的LED 相比 倒裝焊芯片結(jié)構(gòu)使器件產(chǎn)生的熱量不必經(jīng)由藍(lán)寶石襯底 而是由焊接層傳導(dǎo)至S i 襯底 再經(jīng)S
10、i 襯底和粘結(jié)材料傳導(dǎo)至金屬底座 由于S i 材料的熱導(dǎo)率較高 可有效降低器件的熱阻 提高其散熱能力 2.2功率型LED 芯片散熱模型圖Z 分別給出了正裝與倒裝焊結(jié)構(gòu)LED 芯片的熱阻構(gòu)成示意圖mm Z其熱導(dǎo)率取46W m K則其熱阻約為1.74K WZ倒裝焊結(jié)構(gòu)LED芯片熱阻估算同樣忽略P型Ga N及金屬電極層的熱阻于是倒裝焊結(jié)構(gòu)LED芯片的熱阻可表示為R chi p=R Z+R33其中RZ 為芯片與S i襯底間焊接層的熱阻R3為S i襯底材料層的熱阻假定芯片與S i襯底之間以使用較廣的鉛錫焊料焊接其熱導(dǎo)率取50W m K焊接接觸面積取0.5mm Z但目前多數(shù)fli p-chi p芯片與S
11、i襯底之間的焊接接觸面積要小于這一數(shù)值設(shè)焊接層厚度為Z01m則焊接層的熱阻RZ約為0.8K W S i襯底的熱導(dǎo)率取150W m K假定其面積和厚度分別取1.4mm>1.4mm和1601m則其熱阻R3約為0.54K W因此理論上對(duì)于倒裝焊結(jié)構(gòu)的LED以目前的材料和工藝其芯片熱阻Rchi p最低可做到約1.34K W由此可見(jiàn)在散熱方面倒裝焊芯片結(jié)構(gòu)具有潛在的優(yōu)勢(shì)在實(shí)驗(yàn)中所有器件都是我們自行封裝的但芯片的各項(xiàng)指標(biāo)都與上述假定有偏差倒裝焊芯片中焊接層面積各不相同參見(jiàn)圖3圖中尺寸單位為mm芯片和金屬底板所用粘結(jié)材料的熱導(dǎo)率也只有約Z.5W m K根據(jù)芯片的物理尺寸可估算得到芯片中各層的熱阻以及熱
12、源PN結(jié)到金屬底座的熱阻RJ-S的理論計(jì)算值如表Z 所示圖3不同封裝焊結(jié)構(gòu)LED芯片焊接面示意圖3測(cè)試結(jié)果與討論實(shí)驗(yàn)中先對(duì)各種LED芯片的光輻射功率進(jìn)行測(cè)試對(duì)比輸入的電功率P就可求出芯片熱耗散功率Pd然后在熱平衡狀態(tài)下用自行設(shè)計(jì)的溫度微區(qū)測(cè)量裝置直接測(cè)量不同芯片的表面溫度分布測(cè)試的示意圖如圖4所示測(cè)得器件各點(diǎn)的表面溫度后再由式Z得到LED芯片表面對(duì)熱沉的熱阻R J-S結(jié)果如表3所 示圖4LED芯片溫度測(cè)試裝置示意圖3.1影響LED芯片熱阻計(jì)算的因素比較表Z和表3可以發(fā)現(xiàn)測(cè)試結(jié)果與其理論計(jì)算值基本符合但存在一定的偏差誤差的來(lái)源主要有以下幾個(gè)方面1溫度測(cè)試本身帶來(lái)的誤差由于測(cè)量探頭體積很小在溫度測(cè)
13、試過(guò)程中容易引起溫度值的起伏由于采取多次測(cè)試統(tǒng)計(jì)平均取值各點(diǎn)的測(cè)量相對(duì)誤差應(yīng)在1C左右Z焊接面和焊接質(zhì)量對(duì)倒裝焊LED芯片熱阻的影響個(gè)別焊點(diǎn)處焊接不良使得凸焊點(diǎn)的接觸面過(guò)小甚至不接觸必然導(dǎo)致該焊點(diǎn)處熱阻增大在實(shí)驗(yàn)中確實(shí)發(fā)現(xiàn)個(gè)別凸焊點(diǎn)處的溫度有不正常的升高現(xiàn)象3焊接層面積的誤差在計(jì)算中采用的是透過(guò)sa pp hire看到的焊盤(pán)底部的最大截面積但其實(shí)際焊接面要小于最大截面積這導(dǎo)致焊接層的熱阻的計(jì)算值要小于其真實(shí)值3.2制約倒裝焊結(jié)構(gòu)熱阻的主要因素實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)不管是理論估算還是實(shí)測(cè)目前多數(shù)商業(yè)化的倒裝焊結(jié)構(gòu)LED產(chǎn)品在散熱方面的優(yōu)勢(shì)并不明顯甚至熱阻還大于正裝的芯片主要因素如下1芯片與S i襯底之間焊接
14、層的影響由于目前所用焊接材料鉛錫焊料的熱導(dǎo)率只有約50 W m K并不比sa pp hire高很多同時(shí)焊接層的整體面積小于sa pp hire層此外如果由于焊接質(zhì)量不高使得金屬化層和S i襯底之間存在虛焊這些都增大了倒裝焊LED器件的熱阻Z S i襯底與金屬底座之間粘結(jié)層的影響目前普遍使用的導(dǎo)電銀膠其熱導(dǎo)率很低而且粘結(jié)層的厚度難以減到Z01m以下使得這一層的熱阻難83Z以大幅度降低3襯底材料和工藝的影響在倒裝焊LED芯片中用得較多的是S i材料其優(yōu)點(diǎn)是工藝成熟但S i的機(jī)械強(qiáng)度不高使其厚度無(wú)法進(jìn)一步減小同時(shí)S i的導(dǎo)熱性能也不是很強(qiáng)這也制約了倒裝焊芯片性能的提高因此如果不能有效地解決焊接層的熱
15、導(dǎo)率焊接質(zhì)量和優(yōu)化工藝參數(shù)等問(wèn)題不但不能夠體現(xiàn)倒裝焊技術(shù)在散熱方面的優(yōu)勢(shì)甚至還會(huì)比正裝芯片更差表2不同結(jié)構(gòu)LED芯片中各層面積!厚度及熱阻的計(jì)算值芯片來(lái)源S a pp hire和G a N量子阱凸點(diǎn)焊接層S i襯底材料層粘結(jié)材料層面積厚度R1面積厚度RZ面積厚度R3面積厚度R4R J-S對(duì)于正裝LED RJ-S=R1+R4對(duì)于倒裝焊結(jié)構(gòu)LED芯片RJ-S=R Z+R3+R4表3不同芯片結(jié)構(gòu)封裝的LED的溫度和熱阻測(cè)試值芯片來(lái)源測(cè)試樣品數(shù)P W P注表3中RJ-S 表示芯片上表面對(duì)熱沉的熱阻PL為光輻射功率T1為芯片上表面溫度T Z為S i襯底上表面溫度T3為金屬底部上表面溫度4結(jié)論本文結(jié)合正裝
16、和倒裝焊功率型LED芯片在熱平衡狀態(tài)下的溫度分布測(cè)試研究了Ga N基功率型LED芯片的散熱性能理論分析表明倒裝焊結(jié)構(gòu)在降低LED芯片熱阻提高器件散熱能力方面具有潛在的優(yōu)勢(shì)但這一優(yōu)勢(shì)能否充分體現(xiàn)出來(lái)則取決于芯片結(jié)構(gòu)中各層材料的選取及工藝參數(shù)的優(yōu)化目前制約倒裝焊LED芯片散熱能力的主要因素表現(xiàn)在焊接層和粘結(jié)材料層采用熱導(dǎo)率更高的焊接和粘結(jié)材料同時(shí)增大焊接層的面積而減小焊接層和粘結(jié)材料層的厚度改善倒裝焊LED芯片的焊接質(zhì)量可以顯著降低倒裝焊LED的熱阻提高器件的散熱能力對(duì)于正裝LED芯片其優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和制作工藝相對(duì)容易在實(shí)驗(yàn)中我們采用同樣的正裝LED芯片和同樣的導(dǎo)熱銀膠但是在對(duì)銀膠的處理和芯片粘
17、結(jié)固化過(guò)程中采用了特殊的工藝流程將粘結(jié)材料層的厚度從Z01m減小到151m以下并提高粘結(jié)質(zhì)量從而將器件熱阻從10.18K W降低到6.96K W由此可見(jiàn)通過(guò)芯片結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和芯片粘結(jié)工藝的改進(jìn)正裝芯片LED可以達(dá)到與倒裝焊LED 芯片相當(dāng)?shù)纳崮芰⒖嘉墨I(xiàn)"1Hsi an g W P Nen g Y K Per n g C T et al.et hOd Of m aki n g hi g h-p O Wer LED R.T ai Wan Chi na UnitedE p itaX y CO m p an y Lt d.Z蔣榮華肖順珍.G a N基材料的特性及光電器件應(yīng)用J.世界有色金屬
18、Z003Z35-39.514.6W u H O i an K LuO Y.Research On te m p erat ure distri buti On Of G a N-based hi g h p O Wer LED A.Inter nati Onal FOr u m On S e m icOnduct Or L i g hti n g C.Shenzhen Chi na COS.Z004.作者簡(jiǎn)介"93Z半導(dǎo)體光電Z006年6月第Z7卷第3期錢(qián)可元等C G a N基功率型LED芯片散熱性能測(cè)試與分析 GaN基功率型LED芯片散熱性能測(cè)試與分析作者:錢(qián)可元, 鄭代順, 羅毅, QIAN Ke-yuan, ZHENG Dai-shun, LUO Yi作者單位:錢(qián)可元,鄭代順,QIAN Ke-yuan,ZHENG Dai-shun(清華大學(xué),深圳研究生院,半導(dǎo)體照明實(shí)驗(yàn)室,廣東,深圳,518055, 羅毅,LUO Yi(清華大學(xué),深圳研究生院,半導(dǎo)體照明實(shí)驗(yàn)室,廣東,深圳,518055;清華大學(xué),集成光電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京,100084刊名: 半導(dǎo)體光電英文刊名:SEMICONDUCTOR OPTOELECTRONICS年,卷(期:2006,27(3被引用次數(shù):12次參考文獻(xiàn)(6條1.Wu H;Qian K;Luo
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