功率型LED中的光學(xué)與熱學(xué)問題Studies on the Optical Design and

1、功率型LED中的光學(xué)與熱學(xué)問題Studies on Optical Design and Thermal Dispersion of High-Power LED 清華大學(xué) 集成光電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室羅毅 錢可元 韓彥軍7/24/20221報(bào)告內(nèi)容功率LED空間溫度場(chǎng)分布及散熱的研究 微區(qū)溫度場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算微區(qū)溫度場(chǎng)的測(cè)試芯片面積的限制因素功率LED應(yīng)用中的光學(xué)問題研究 LED照明光學(xué)的特點(diǎn)新型準(zhǔn)直LED光源的設(shè)計(jì) 熱量管理功率型LED應(yīng)用中的關(guān)鍵問題由于III族氮化物的p型摻雜受限于Mg受主的溶解度和空穴的較高激活能，熱量特別容易在p型區(qū)域中產(chǎn)生，這個(gè)熱量必須通過整個(gè)結(jié)構(gòu)才能在熱沉上消散；LE

2、D器件的散熱途徑主要是熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流；Sapphire襯底材料極低的熱導(dǎo)率導(dǎo)致器件熱阻增加，產(chǎn)生嚴(yán)重的自加熱效應(yīng)，對(duì)器件的性能和可靠性產(chǎn)生毀滅性的影響。 熱量對(duì)功率型LED的影響熱量集中在尺寸很小的芯片內(nèi)，芯片溫度升高，引起熱應(yīng)力的非均勻分布、芯片發(fā)光效率和熒光粉激射效率下降；當(dāng)溫度超過一定值時(shí)，器件失效率呈指數(shù)規(guī)律增加。統(tǒng)計(jì)資料表明，元件溫度每上升2，可靠性下降10%。 當(dāng)多個(gè)LED密集排列組成白光照明系統(tǒng)時(shí)，熱量的耗散問題更嚴(yán)重。 解決熱量管理問題已成為功率LED應(yīng)用的先決條件。 功率LED空間溫度場(chǎng)分布的數(shù)值計(jì)算為了解決大功率LED管芯的散熱問題，首先必須確定大功率LED工作時(shí)的溫度場(chǎng)分

3、布，并由此確定出對(duì)于一定的芯片結(jié)構(gòu)和封裝形式，單個(gè)芯片能承受的最大功率和最大芯片尺寸。在分析計(jì)算器件的三維溫度分布中，不僅可以看到溫度隨垂直方向的變化，而且能清楚地顯示由于器件電極結(jié)構(gòu)以及電流分布場(chǎng)引起的芯片表面的不同溫度分布。 計(jì)算值 1w 插指狀電極，倒裝焊芯片。 藍(lán)寶石襯底的橫向溫度分布LED微區(qū)溫度測(cè)量采用三維可調(diào)節(jié)微形熱電偶探針法進(jìn)行微區(qū)溫度的測(cè)量探頭尺寸100m 溫度分辨率0.3倒裝焊功率LED芯片表面的溫度分布實(shí)測(cè)值。71.368.562.073.368.961.873.169.262.4LED芯片表面溫度的橫向分布控制芯片表面橫向溫度梯度減小電流密度分布的不均勻性；電極的材料與

4、制作電極的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理布局倒裝焊的電極和焊點(diǎn)分布；提高倒裝焊?jìng)€(gè)焊點(diǎn)的均勻性；防止芯片局部過熱芯片尺寸與散熱的關(guān)系 提高功率LED的亮度最直接的方法是增大輸入功率，而為了防止有源層的飽和必須相應(yīng)地增大p-n結(jié)的尺寸；增大輸入功率必然使結(jié)溫升高，進(jìn)而使量子效率降低。單管功率的提高取決于器件將熱量從p-n結(jié)導(dǎo)出的能力；在保持現(xiàn)有芯片材料、結(jié)構(gòu)、封裝工藝、芯片上電流密度不變及等同的散熱條件下，單獨(dú)增加芯片的尺寸, 結(jié)區(qū)溫度將不斷上升。 Tj1：采用一般銀導(dǎo)熱膠、鋁金屬熱沉；Tj2 ：采用新導(dǎo)熱膠、銅金屬熱沉。 結(jié)溫與芯片尺寸的關(guān)系影響芯片尺寸的主要因素?zé)嶙璧寡b焊更有利于散熱，但凸焊點(diǎn)的熱阻還需減小

5、。導(dǎo)熱銀膠的熱阻有待改善。封裝材料方面，傳統(tǒng)的環(huán)氧膠高溫性能不佳。銀膠金屬熱沉凸焊點(diǎn)Si*功率芯片尺寸的增加受限于器件導(dǎo)熱能力*常規(guī)的工藝與材料，則芯片功率1瓦較為合適*單個(gè)器件功率的增加將以縮短壽命為代價(jià)多個(gè)LED密集排列的照明系統(tǒng)器件耗散功率：20w散熱面積：330cm2底板溫度將達(dá)83 C以上。(環(huán)境溫度25 C)芯片結(jié)溫將達(dá)100 C120mm必須考慮更有效的散熱途徑滿足使用要求的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 常規(guī)燈泡發(fā)出的光發(fā)散到全空間立體角內(nèi) ； 照明LED相對(duì)于常規(guī)燈泡的優(yōu)點(diǎn)之一就在于其光束的方向可控；對(duì)于投射照明，需要的光束角較窄；對(duì)于大面積照明，則需要有較寬的光束角，并且能夠滿足特定的光強(qiáng)遠(yuǎn)

6、場(chǎng)分布要求；背光源應(yīng)用則要求均勻度在90以上的面光源。對(duì)照明LED光強(qiáng)遠(yuǎn)場(chǎng)分布的模擬以及相應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的研究，是半導(dǎo)體照明應(yīng)用中的重要環(huán)節(jié)。 功率LED光學(xué)問題的特點(diǎn) 從光學(xué)的角度上來說，功率LED的特點(diǎn)： 發(fā)光面積小(1mm2 )； 光通量較大(30 lm )； 近似為朗伯(Lambert)光源。 根據(jù)非成像光學(xué)理論，光學(xué)系統(tǒng)的最高收集效率（Pmax）與光學(xué)系統(tǒng)的出射孔徑(A0)與入射孔徑（Ai）之比成正比， 易于實(shí)現(xiàn)光的高效收集LED光學(xué)問題中的非成像光學(xué)成像光學(xué)系統(tǒng)與非成像光學(xué)系統(tǒng)的比較非成像光學(xué)系統(tǒng)成像光學(xué)系統(tǒng)SourceSourceReceiverReceiver蒙特卡羅光子追蹤法模擬

7、LED光強(qiáng)遠(yuǎn)場(chǎng)分布 光強(qiáng)遠(yuǎn)場(chǎng)分布： 照明LED一個(gè)重要指標(biāo)； 決定LED封裝中的結(jié)構(gòu)及光學(xué)元件；蒙特卡羅光線追蹤法(Monte Carlo Ray Tracing Method)： 解決大量光子統(tǒng)計(jì)行為問題。 根據(jù)設(shè)定的模型及邊界條件追蹤光子軌跡，求出光強(qiáng)遠(yuǎn)場(chǎng)分布。倒裝功率型LED芯片及封裝結(jié)構(gòu)示意圖 在計(jì)算中，需要考慮芯片的多層結(jié)構(gòu)、材料的折射率、邊界對(duì)光的折射與反射條件等。 對(duì)不同透鏡進(jìn)行的數(shù)值模擬和實(shí)際測(cè)量結(jié)果透鏡形式 12341/2計(jì)算值 55.5 82.191.2121.81/2實(shí)測(cè)值 54.1 79.383.3115.7角度誤差 2.6% 3.5%9.5%5.3%新型準(zhǔn)直LED光源的設(shè)計(jì) 當(dāng)LED應(yīng)用于投射照明時(shí)，需要設(shè)計(jì)一種高效的準(zhǔn)直LED光源；如采用二次光學(xué)元件準(zhǔn)直透鏡，與封裝后的LED配合使用，則由于空氣隙的存在，必然會(huì)引起反射損耗；設(shè)計(jì)了一個(gè)直接對(duì)LED芯片進(jìn)行封裝準(zhǔn)直的透鏡系統(tǒng)。新型準(zhǔn)直LED光源的設(shè)計(jì) LED準(zhǔn)直透鏡的設(shè)計(jì)分為兩部分：編程計(jì)算準(zhǔn)直透鏡的二維曲線；采