出光窗口對高密度LED性能影響的研究

李抒智

摘要：針對LED高密度光源，探索了出光窗口對器件性能產(chǎn)生影響的原因.通過熱學(xué)模擬與實(shí)物樣品的物理性能測試，比較不同出光窗口對器件性能與可靠性的影響.結(jié)果表明：出光窗口可以增加LED芯片的散熱通道，同時也會影響LED的可靠性；出光窗口會造成一部分光能量的損失，特別是擁有熒光轉(zhuǎn)化功能的窗口，會因熒光轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生熱量，且產(chǎn)生的熱量會因?yàn)榇翱诨w材料的不同呈現(xiàn)不同的結(jié)果；熒光轉(zhuǎn)換率高且熱導(dǎo)率高的熒光材料，應(yīng)用于高密度LED器件時，可有效降低熒光轉(zhuǎn)換熱量，且能加快熒光轉(zhuǎn)換產(chǎn)生熱量導(dǎo)出的速度，提高器件的發(fā)光效率與可靠性。

關(guān)鍵詞：出光窗口；高密度LED；熒光轉(zhuǎn)換

目前大功率LED器件的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到50%～60%，但是仍然有大量的熱量在器件工作時產(chǎn)生.這些熱量如果不能及時導(dǎo)出，將會引起PN結(jié)結(jié)溫升高，結(jié)溫升高將直接影響PN結(jié)的工作效率，結(jié)溫每升高10℃，出光效率降低5%～10%，而出光效率降低，將增加器件的發(fā)熱量，進(jìn)而影響出光效率.此外，過高的結(jié)溫將影響芯片與熒光粉的壽命.因此，控制結(jié)溫仍然是LED器件設(shè)計中的一個重要環(huán)節(jié).

LED高密度光源器件，多采用高密度芯片排布的方式來實(shí)現(xiàn)，其特點(diǎn)是在較小的發(fā)光面積內(nèi)發(fā)出較高的光通量.這類LED器件在設(shè)計小角度光形中更容易滿足光學(xué)設(shè)計的要求，但大量芯片集中在一個小區(qū)域內(nèi)，對于芯片工作條件下熱量的導(dǎo)出與產(chǎn)生光的有效輸出都提出了更高的要求.目前，普遍認(rèn)為這類器件的發(fā)熱集中，造成發(fā)光效率降低，解決方法主要是盡可能降低固晶與器件支架的熱阻.對于光有效輸出的影響，出光窗口相關(guān)的研究仍較少，但市場上已出現(xiàn)了采用熒光玻璃、熒光陶瓷和熒光晶體作為材料的出光窗口的LED高密度光源器件。

本文將針對高密度LED的出光窗口展開一些研究.試驗(yàn)采用在高導(dǎo)熱鋁基板上LED芯片直接焊接LED藍(lán)光芯片的工藝，使用多種出光窗口制備一組器件，通過對其性能進(jìn)行測試，分析與討論不同出光窗口對器件性能的影響。

1試驗(yàn)與結(jié)果分析

1.1試驗(yàn)樣品的制備

試驗(yàn)用倒裝藍(lán)光芯片的器件方案，減少芯片底部熱阻對試驗(yàn)的影響，芯片尺寸為1.1mmx1.1mm（即43milx43mil，1 mil=0.025 4mm），峰值波長為453nm，芯片選擇參數(shù)一致的批次.采用9顆大功率倒裝藍(lán)光芯片，用錫膏焊接，焊接層厚度為60μm.9顆芯片排布在4.3mmx4.3mm的范圍內(nèi)，在4.5mmx 4.5mm處采用圍壩膠進(jìn)行保護(hù).為了減小基板熱阻帶來溫升過高的影響，用高導(dǎo)熱的鋁基板進(jìn)行試驗(yàn)，采用鋁基板結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)為100W/（m·K）.采用相同的工藝分別制備了圖1中的3個樣品。

樣品A：只倒裝焊接了藍(lán)光芯片.

樣品B：倒裝焊接了藍(lán)光芯片得到樣品b.測試后在樣品b上，用熒光粉與硅膠（導(dǎo)熱系數(shù)0.18W/（m·K））倒入圍壩內(nèi)，制成7000K左右色溫白光器件。

樣品C：倒裝焊接了藍(lán)光芯片后得到樣品C.測試后在樣品C上，用熒光晶片（導(dǎo)熱系數(shù)13W/（m·K））貼在芯片頂部，四周采用圍壩膠進(jìn)行包裹支撐，制成7000K左右色溫白光器件

1.2光電測試結(jié)果與討論

在1A的恒定電流輸入下，對3種樣品進(jìn)行光電參數(shù)測試，測試過程中采用相同的主動散熱裝置.測試結(jié)果如表1所示.

從表1中可以觀察到，在1A電流的驅(qū)動下3種樣品的正向電壓與電功率一致，這反映出器件所用芯片的一致性較高.3種樣品光功率的輸出差異較大，這些差異是在藍(lán)光芯片上增加窗口造成的.相對于樣品b和C，樣品B和C，因?yàn)樵黾恿舜翱趯映霈F(xiàn)了一定程度的光損耗.另一方面，熒光轉(zhuǎn)換也造成了一定程度的光損失.由于試驗(yàn)用藍(lán)光芯片事先經(jīng)過分選，一致性很好，試驗(yàn)中認(rèn)為3種樣品所用藍(lán)光芯片性能一致.通過比較樣品B、樣品C與樣品A光功率的差值，可以發(fā)現(xiàn)樣品B與樣品A的光功率的差值要大于樣品C與樣品A光功率的差值.且樣品B與樣品C的色溫均為7000K左右，可以初步判斷熒光晶體的熒光轉(zhuǎn)換效率要大于硅膠加熒光粉的組合.在有熒光轉(zhuǎn)換時，窗口層將會減小出光的總量，損耗的光功率將以熱量形式出現(xiàn)在窗口層中，

1.3熱阻測試結(jié)果與討論

為了進(jìn)一步分析3種不同出光窗口對器件的散熱影響，試驗(yàn)分別測試了3種樣品的熱阻.

通常LED器件的熱阻結(jié)構(gòu)分布為芯片與襯底問、襯底與LED支架的黏貼層、LED支架、LED器件外掛散熱體與散熱器問的幾部分熱阻組成，且熱阻通道成串聯(lián)關(guān)系.本文中熱阻采用T3SterMaster測試儀進(jìn)行測試，3種樣品被統(tǒng)一放置在25℃恒溫散熱器上.因此樣品的熱阻變?yōu)樾酒c襯底間、襯底與鋁基板焊接層、鋁基板層、鋁基板與散熱器結(jié)合層間的幾部分熱阻組成。

圖2為3種樣品熱阻分結(jié)構(gòu)函數(shù)圖，橫坐標(biāo)代表熱傳導(dǎo)出發(fā)點(diǎn)到當(dāng)前點(diǎn)的累積熱阻值，縱坐標(biāo)為熱傳導(dǎo)出發(fā)點(diǎn)到當(dāng)前點(diǎn)的總熱容值對橫坐標(biāo)求導(dǎo)值.結(jié)構(gòu)函數(shù)中越靠近縱坐標(biāo)的地方代表實(shí)際熱流傳導(dǎo)路徑上接近芯片有源的結(jié)構(gòu)，而越遠(yuǎn)離縱坐標(biāo)的地方代表熱流傳導(dǎo)路徑上離有源區(qū)較遠(yuǎn)的結(jié)構(gòu).微積分結(jié)構(gòu)函數(shù)中，波峰與波谷的拐點(diǎn)就是兩種結(jié)構(gòu)的分界處，便于識別樣品內(nèi)部各層結(jié)構(gòu).在結(jié)構(gòu)的末端，其值趨向于一條垂直的漸近線，此時代表熱流傳導(dǎo)到了散熱器.由于散熱器采用水冷循環(huán)，因此熱容也就無窮大.從原點(diǎn)到這條漸近線之間橫坐標(biāo)的值就是PN結(jié)到散熱器的熱阻，也就是穩(wěn)態(tài)情況下的熱阻值。

圖2中1區(qū)是從橫坐標(biāo)0值到第3個峰值拐點(diǎn)，這個區(qū)間的橫坐標(biāo)差值顯示了芯片內(nèi)部熱阻與芯片到襯底的熱阻.因?yàn)?種樣品的芯片材料與工藝一致，所以顯示出來的熱阻基本一致.2區(qū)為從1區(qū)結(jié)束的峰值拐點(diǎn)到下一個峰值拐點(diǎn)，這個區(qū)間的橫坐標(biāo)差值反映襯底到鋁基板的綜合熱阻.3區(qū)為2區(qū)結(jié)束峰值拐點(diǎn)到下一個峰值拐點(diǎn)，這個區(qū)間的橫坐標(biāo)差值反映鋁基板層的熱阻.3區(qū)結(jié)束的峰值拐點(diǎn)到漸近線，這個區(qū)間反映鋁基板與散熱器結(jié)合層的熱阻。

圖2中可以發(fā)現(xiàn)3種樣品末端表現(xiàn)的熱阻差異較大，這是由于樣品依靠導(dǎo)熱膠與夾片固定在25℃恒溫散熱器上面.這層鋁基板與散熱器的結(jié)合層由于沒有一定的壓力，且導(dǎo)熱膠涂敷厚度不均勻，造成了這個界面熱阻的隨機(jī)性較大。

圖2中1區(qū)3條曲線顯示3種樣品芯片到襯底的熱阻基本一致，這表示芯片的一致性較好，PN結(jié)發(fā)熱到襯底問的傳熱情況一致.但是2區(qū)峰值拐點(diǎn)間距顯示的差異較大.分析原因?yàn)椋篈樣品在這個層面散熱基本依靠底部焊接層一個傳熱通道；而B、C樣品，則增加了膠體與頂部熒光晶片的傳熱通道，且該通道與原來的焊接層形成的熱阻呈現(xiàn)并聯(lián)關(guān)系，因此這2個樣品的綜合熱阻小于樣品A同區(qū)域的熱阻.樣品B、C之間，由于熒光晶片的熱導(dǎo)率要優(yōu)于膠體，所以盡管晶片只有一個頂面與芯片接觸，而膠體有5個面與芯片接觸，最終結(jié)果仍然是樣品B在這個區(qū)域熱阻更低.3區(qū)峰值拐點(diǎn)間距顯示的變化也不大，這是因?yàn)檫@層的數(shù)據(jù)主要受到鋁基板導(dǎo)熱率的影響，差異不大.

綜合熱阻的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)出光窗口對于器件性能有較大的影響，增加了一條接觸式傳熱通道.當(dāng)出光窗口材料熱導(dǎo)率較高時，將更有利于器件降低熱阻.

在熱阻測試后期，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用熒光粉加膠的樣品發(fā)生了變化，其中間區(qū)域的LED出現(xiàn)了發(fā)黑的現(xiàn)象.分析原因?yàn)橹行膮^(qū)域過熱.通過檢測器件的電壓變化，發(fā)現(xiàn)LED芯片仍然可以工作，但輸出光功率明顯變小.分析原因?yàn)?，芯片部分沒有受到影響，但芯片上的熒光粉膠層出現(xiàn)了一定問題，屬硅膠失效，影響了出光.因?yàn)槭窃谑褂眠^程中出現(xiàn)的此現(xiàn)象，初步判斷是溫度過高導(dǎo)致熒光粉膠層發(fā)生了變化.

1.4熱模擬結(jié)果與討論

為了進(jìn)一步判斷出光窗口的傳熱情況，本文對3種樣品進(jìn)行了熱模擬，采用Flow Simulation建模，條件設(shè)置與器件結(jié)構(gòu)一致.發(fā)熱層增加了熒光粉與硅膠層窗口以及熒光晶片窗口的熱光損耗，分別為樣品A光功率與樣品B光功率差值、樣品A光功率與樣品C光功率差值.模擬了3種傳熱情況，觀察最高點(diǎn)溫度與表面溫度的分布。

圖4為3種樣品熱模擬表面溫度的分布圖.模擬結(jié)果與熱阻測試結(jié)果對應(yīng)，3種樣品的最高溫度區(qū)域?yàn)镻N結(jié)，A樣品溫度最高，C樣品溫度最低.根據(jù)表面溫度分布的圖顯示，增加了窗口的樣品（B與C），在芯片頂部增加了一條傳熱通道，使芯片部分的熱量更容易導(dǎo)出.然而，在藍(lán)光轉(zhuǎn)化為白光的過程中，熒光粉與熒光晶體均會損耗一定的光功率，產(chǎn)生一定的熱量，使這些窗口變成了發(fā)熱體.根據(jù)表1中的光功率差值，可以判斷出，熒光轉(zhuǎn)換過程中發(fā)熱的數(shù)值.當(dāng)出光窗口面積較小時，熱密度影響較大.B樣品的表面溫度分布顯示，在芯片熱量與熒光轉(zhuǎn)化發(fā)熱的雙重影響下，膠的表面出現(xiàn)了9個溫度比較集中的熱島，且熱島呈現(xiàn)中間大四周小的現(xiàn)象.這主要是因?yàn)闊晒饧幽z的窗口，熱導(dǎo)率較低，熱量不容易向外傳遞，造成熱量集中.圖3中出現(xiàn)的中間區(qū)域發(fā)黑的現(xiàn)象，根據(jù)模擬結(jié)果，原因?yàn)橹虚g區(qū)域受到芯片上傳遞出的熱量的影響.同時中間區(qū)域又是藍(lán)光轉(zhuǎn)換成白光密度最高的區(qū)域，因此熒光轉(zhuǎn)化過程中的熱量在此區(qū)域堆疊，造成了局部區(qū)域溫度升高迅速，最終造成部分膠體發(fā)生變化而發(fā)黑.而樣品C的表面溫度分布，顯示熒光晶片，雖然也受到芯片與自身熒光轉(zhuǎn)化產(chǎn)生熱量的影響，但是由于其導(dǎo)熱率較高，使熱量可以橫向迅速擴(kuò)散，從而產(chǎn)生了一個由中間向四周擴(kuò)散的溫度梯度分布圖.這個結(jié)果顯示，采用熒光晶體材質(zhì)的窗口，相對于采用熒光粉與硅膠材質(zhì)的窗口，作為傳熱通道更為有效。

2結(jié)論

（1）LED器件中芯片上出光窗口對器件性能的影響較大，出光窗口的存在，增加了一條散熱通道，對于芯片結(jié)溫的散熱有一定的作用.

（2）出光窗口會造成一部分光能量損失，特別是擁有熒光轉(zhuǎn)化功能的窗口，會因熒光轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生熱量.高密度光源，發(fā)光中心區(qū)域的熒光轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的熱量相當(dāng)大，容易引起器件失效.而采用熒光晶體類的熒光轉(zhuǎn)換材料，由于其較高的導(dǎo)熱系數(shù)，可以較快將熱量導(dǎo)出，從而提高器件的可靠性。

（3）采用導(dǎo)熱率高且熒光轉(zhuǎn)化效率高的熒光材料作為出光窗口，將有利于解決LED在高密度光源類制備困難的問題，使LED光源可以進(jìn)入更多的應(yīng)用領(lǐng)域。