多芯CSP-LED芯片間距對(duì)熱擁堵的影響

劉 倩， 熊傳兵， 湯英文， 李曉珍， 王世龍

(閩南師范大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院， 福建 漳州 363000)

1 引 言

LED是一種典型的節(jié)能、環(huán)保的綠色照明光源[1]。但是，LED的使用效果仍受到封裝形式、生產(chǎn)材料以及應(yīng)用環(huán)境等因素的影響，雖然它具有低發(fā)熱量的優(yōu)點(diǎn)，但是在使用過(guò)程中產(chǎn)生的熱量對(duì)生產(chǎn)器件的局限性仍需要進(jìn)一步的完善。根據(jù)行業(yè)發(fā)展所需，在1994年由日本三菱公司提出了一種新型的芯片級(jí)封裝(簡(jiǎn)稱(chēng)CSP)形式[2]，由于CSP封裝器件出光面為五面光的體光源，且具有體積小、重量輕、色彩飽和度高、色域較寬、高效低耗、壽命長(zhǎng)、節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)，因此很快便廣泛地應(yīng)用于器件的生產(chǎn)中。經(jīng)過(guò)短暫的幾年時(shí)間，它已成為了集成電路中重要的封裝形式。同時(shí)，LED也正在向著微型化的趨勢(shì)發(fā)展，因此在2012年左右，CSP倒裝芯片的封裝技術(shù)逐步被引用到LED封裝行業(yè)，形成了當(dāng)今的CSP-LED器件[3]。

自2015年7月三星公司發(fā)布LM131ALED封裝芯片[4]采用了CSP技術(shù)以來(lái)，很快飛利浦公司就推出了五面發(fā)光的CSP封裝的WHITE系列產(chǎn)品[5]，韓國(guó)首爾半導(dǎo)體公司在同年9月發(fā)布了WICOP2系列產(chǎn)品[6]。經(jīng)過(guò)多年的LED發(fā)展歷程，這次芯片級(jí)封裝的重大改革使得電路板上的LED的組裝密度有了極大的提高。因此，CSP-LED產(chǎn)品很快便應(yīng)用于背光源和汽車(chē)前照燈光源[7-8]，這一變革使得汽車(chē)照明和液晶行業(yè)有了蓬勃的發(fā)展。但由于大功率LED芯片尺寸較小，發(fā)光光譜較窄，且不含紅外波段，所以產(chǎn)生的熱量基本不能通過(guò)熱輻射的方式散發(fā)出去[9]。因此相比于傳統(tǒng)的鹵素?zé)艉碗瘹鉄?，局部熱流密度較大，特別是對(duì)于由多個(gè)LED光源模塊采用串聯(lián)或并聯(lián)的方式密集封裝組成的集成光源，這樣密集分布的設(shè)計(jì)必然將會(huì)導(dǎo)致電路變得更加復(fù)雜并且熱量堆積問(wèn)題更為嚴(yán)重，進(jìn)而使芯片的光通量降低，發(fā)光顏色出現(xiàn)偏差，甚至造成電子元器件設(shè)備燒壞或老化，導(dǎo)致芯片使用壽命降低[10]。因此，采用合理的芯片排布間距設(shè)計(jì)使LED工作時(shí)產(chǎn)生的熱量及時(shí)導(dǎo)出，對(duì)保證其良好的發(fā)光效果與延長(zhǎng)使用壽命起著至關(guān)重要的作用[11]。但CSP白光LED芯片的結(jié)構(gòu)布局對(duì)器件性能影響方面的研究，尚未有報(bào)道。

LED光源主要是由封裝基板、芯片和熒光粉組成，通過(guò)芯片發(fā)出藍(lán)光來(lái)激發(fā)表面的熒光粉產(chǎn)生黃光，再由藍(lán)光和黃光混合而產(chǎn)生白光[12]。當(dāng)前，金屬鋁基板、金屬?gòu)?fù)合基板和陶瓷基板是LED主要的封裝基板源，其中金屬鋁基板具有優(yōu)良的加工性能、電學(xué)性能和散熱性能，因此在LED照明、LED車(chē)燈和LED-TV背光源方面具有廣泛的應(yīng)用[13]。本文通過(guò)改變鋁基板上四顆串聯(lián)芯片的排布間距，根據(jù)電致發(fā)光特性(EL)研究了藍(lán)光和CSP白光LED芯片器件光電性能參數(shù)的變化。合理的排布間距對(duì)熱流密度大所導(dǎo)致的熱擁堵問(wèn)題能夠有所緩減，同時(shí)可以對(duì)芯片起到保護(hù)作用，從而可獲得光色電熱綜合性能更為優(yōu)異的光學(xué)器件。

2 實(shí) 驗(yàn)

樣品為自制的同批次的合格LED燈珠。LED封裝采用三安S-55CBFSD-A芯片、KER3000硅膠和BM302D黃色熒光粉。將具有相同外延結(jié)構(gòu)和芯片制造工藝的四顆芯片以串聯(lián)的方式焊接在大小為2.2 cm×2.2 cm相同結(jié)構(gòu)的正方形鋁基板上，得到排布間距分別為0.2，0.4，0.8，1，2，3，4，5 mm的藍(lán)光LED芯片和CSP白光LED芯片樣品(如圖1)，做了相同的四組樣品，以減少實(shí)驗(yàn)偶然性誤差。

圖1 (a)CSP白光LED結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖;(b)芯片樣品的簡(jiǎn)化圖。

Fig.1 (a)Simplified structure of CSP white LED. (b)Simplified diagram of the chip sample.

本文分別測(cè)試了相同結(jié)構(gòu)的藍(lán)、白光兩種不同芯片的變電流EL譜及光學(xué)特性參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)藍(lán)、白光LED采用電流范圍為10～1 500 mA的恒流驅(qū)動(dòng)，在數(shù)據(jù)采集方面采用遠(yuǎn)方測(cè)試儀測(cè)量實(shí)驗(yàn)中的LED在不同排布間距下的相關(guān)光電參數(shù)。在測(cè)定時(shí)，采用遠(yuǎn)方光譜分析系統(tǒng)在LED額定工作電流下進(jìn)行光電參數(shù)測(cè)量。本文選擇排布間距為0.2，0.4，0.8，1，3，5 mm的樣品中其中一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行討論與分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 藍(lán)光和CSP白光LED芯片自發(fā)熱對(duì)比

圖2為藍(lán)光LED和CSP白光LED芯片的器件溫度-電流變化曲線(xiàn)。溫度是影響LED結(jié)構(gòu)的重要因素之一，通過(guò)熱敏電阻測(cè)得的芯片基板溫度可以很好地反映芯片結(jié)溫指標(biāo)。因?yàn)槎际遣捎镁哂邢嗤Y(jié)構(gòu)的芯片，所以變化規(guī)律都隨電流增大呈亞線(xiàn)性升高，只是白光在同一電流變化量下具有較大的器件溫度，相比白光而言，藍(lán)光器件溫度變化較小。白光芯片是用藍(lán)光LED芯片激發(fā)YAG熒光粉產(chǎn)生黃光、再混合一定比例的藍(lán)光轉(zhuǎn)化為白光，由于熒光粉存在下轉(zhuǎn)換問(wèn)題，一個(gè)藍(lán)光光子的能量就大于一個(gè)黃光光子，所以藍(lán)光光子激發(fā)相同的黃光光子，便會(huì)有多余的能量以熱能的形式散出。故相比藍(lán)光而言，白光的器件溫度變化會(huì)更大。 并且隨著LED排布間距減小，同一電流變化量的情況下，器件溫度差更加顯著，且隨著驅(qū)動(dòng)電流增大，藍(lán)、白光的溫度差值隨之增大；但是當(dāng)電流達(dá)到極端大電流1 A時(shí)，溫度差變化又逐步趨于下降。我們將這一現(xiàn)象歸因于熒光粉的轉(zhuǎn)換效率下降[14]，隨著樣品排布間距減小，加劇了熱量的產(chǎn)生。

圖2 (a)不同排布間距下藍(lán)、白光芯片溫度變化對(duì)比；(b)不同排布間距下藍(lán)、白光芯片溫度差曲線(xiàn)。

Fig.2 (a)Comparison chart of the temperature change of blue and white light chips at different arrangement intervals. (b)Graph of the temperature difference between blue and white light chips at different arrangement intervals.

3.2 排布間距對(duì)藍(lán)、白光芯片光譜的影響

由于密集封裝的LED芯片多應(yīng)用于大電流環(huán)境下，所以本文選用1.3 A恒定電流下藍(lán)、白光光譜對(duì)比圖(如圖3)進(jìn)行分析。藍(lán)、白光LED樣品在0.2 mm和5 mm不同的排布間距下，對(duì)應(yīng)的峰值波長(zhǎng)分別為457，453，462，455 nm。結(jié)果顯示，隨著排布間距減小，其波長(zhǎng)呈現(xiàn)紅移現(xiàn)象，且CSP白光LED光譜紅移現(xiàn)象比較明顯，藍(lán)、白光的光譜強(qiáng)度分別衰減為原來(lái)的51.5%和40.1%，白光的光譜強(qiáng)度隨著排布間距減小，衰減現(xiàn)象更加顯著。其主要原因是排布間距減小而產(chǎn)生的高溫效應(yīng)會(huì)引起電子的運(yùn)動(dòng)加劇，導(dǎo)致產(chǎn)生藍(lán)光的能量降低，波長(zhǎng)增大，從而出現(xiàn)明顯的紅移現(xiàn)象；熱效應(yīng)進(jìn)一步使熒光粉的非輻射復(fù)合增多，熱擁堵效應(yīng)加劇，導(dǎo)致熒光粉轉(zhuǎn)化效率降低，輻射強(qiáng)度下降，所以黃光光譜強(qiáng)度較藍(lán)光光譜強(qiáng)度減弱[15-16]，白光光譜強(qiáng)度降低也隨排布間距減小而更加明顯。

圖3 不同排布間距下藍(lán)(a)、白(b)光光譜對(duì)比圖。

Fig.3 Contrast diagrams of blue(a) and white(b) light spectra intensity under different row spacing

3.3 排布間距對(duì)藍(lán)、白光芯片光電性能的影響

圖4為藍(lán)、白光LED芯片在不同排布間距下的正向I-V特性曲線(xiàn)。隨著正向驅(qū)動(dòng)電流的增加，實(shí)際電路中PN結(jié)的正向?qū)妷阂搽S之增大，在通過(guò)PN結(jié)的正向電流大小變化幅度較大的條件下，正向電壓卻能維持在10～12 V之間，且在10～400 mA之間電壓隨電流的變化增幅較大，隨后在電流為400～1 000 mA時(shí)基本呈線(xiàn)性增長(zhǎng)；當(dāng)電流增大到1 A以上時(shí)，電壓的增長(zhǎng)趨勢(shì)減緩。其原因是發(fā)光二極管中PN結(jié)加正向偏壓時(shí)，外加電壓的方向與自建場(chǎng)的方向相反，使空間電荷區(qū)中的電場(chǎng)減弱。于是，內(nèi)電場(chǎng)對(duì)電子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙減弱，隨著擴(kuò)散電流加大，PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性，故電壓變化趨于平穩(wěn)。隨著電流的增大，CSP白光LED芯片排布間距在3 mm以下時(shí)，電壓呈下降的變化趨勢(shì)。電壓下降是因?yàn)長(zhǎng)ED散熱不良引起的熱效應(yīng)導(dǎo)致的有源層中熱生缺陷增多，位錯(cuò)密度變大，漏電流現(xiàn)象加劇，使載流子注入效率增加，芯片結(jié)構(gòu)內(nèi)部的串聯(lián)電阻均變小，正向電壓降低[17-18]。

圖4 不同排布間距下藍(lán)(a)、白(b)光I-V特性曲線(xiàn)。

Fig.4I-Vcharacteristic curves of blue(a) and white(b) light under different arrangement spacing

圖5為藍(lán)光LED 和CSP白光LED在不同的排布間距下的光功率與電流關(guān)系曲線(xiàn)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流值小于800 mA 時(shí)，藍(lán)、白光的光功率都呈相對(duì)上升的趨勢(shì)，但CSP白光LED的光功率相對(duì)較弱。根據(jù)白光LED 的發(fā)光原理，由于熒光粉的轉(zhuǎn)換效率小于100%，藍(lán)光激發(fā)黃色熒光粉時(shí)能量會(huì)有損失，相同電流驅(qū)動(dòng)下，白光LED 的光功率比相同結(jié)構(gòu)的藍(lán)光LED 芯片的光功率值偏小。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流為1 A以上時(shí)，光功率整體呈下降趨勢(shì)，藍(lán)、白光在0.2 mm時(shí)分別降低到最大光功率的75.28%和28.88%。顯然，隨著排布間距減小，白光光功率的衰減更加顯著，主要是因?yàn)榕挪奸g距減小，非輻射復(fù)合中心的增加使LED光功率更容易受到熱效應(yīng)的影響而衰減，同時(shí)CSP白光LED的YAG熒光粉也受熱效應(yīng)的影響而退化引起的。

圖5 不同排布間距下藍(lán)(a)、白(b)光變電流的光功率對(duì)比圖。

Fig.5 Diagrams showing the comparison of optical power of blue(a) and white(b) light varying currents at different arrangement spacings

光通量是表征光器件的光源質(zhì)量高低的一個(gè)重要指標(biāo)，是通過(guò)人的眼睛對(duì)輻射通量的反應(yīng)程度的物理量。國(guó)家照明委員會(huì)用平均值法確定了人眼對(duì)各種波長(zhǎng)的平均相對(duì)靈敏度，稱(chēng)為人眼的視見(jiàn)函數(shù)。而光通量

(1)

其中，e(λ)為光譜輻射能通量，也稱(chēng)為輻射功率；v(λ)為人眼的視見(jiàn)函數(shù)。

圖6為變電流條件下的藍(lán)、白光光通量曲線(xiàn)對(duì)比圖，圖中顯示：當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流較小時(shí)，藍(lán)、白光LED具有相似的變化規(guī)律，即隨著電流增大，光通量基本都呈線(xiàn)性增長(zhǎng)；隨著正向電流增加到1 A以上，藍(lán)光LED光通量呈次線(xiàn)性增長(zhǎng)，CSP白光LED呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，在5,3,1,0.8,0.4,0.2 mm的排布間距下，光通量分別降低為最大光通量的96.42%、91.04%、61.15%、47.41%、15.42%。表明排布間距越小，光通量下降效果更加顯著。這是由于LED在大電流密度的驅(qū)動(dòng)下，由于芯片熱擁堵效應(yīng)使LED的峰值波長(zhǎng)紅移，導(dǎo)致藍(lán)光部分的輻射通量與視見(jiàn)函數(shù)的積分變大，

圖6 不同排布間距下藍(lán)(a)、白(b)光變電流的光通量對(duì)比圖。

Fig.6 Luminous flux comparison diagram of blue(a) and white(b) light varying currents at different arrangement intervals

而黃色部分的輻射通量與視見(jiàn)函數(shù)的積分變小，黃光部分比藍(lán)光部分變化量大[19]，所以白光的光通量隨排布間距的減小而降低，且下降率更高。

發(fā)光效率是衡量電光源質(zhì)量高低的最重要參量。藍(lán)、白光LED芯片的外延結(jié)構(gòu)和芯片制造工藝是一致的,僅有CSP白光LED芯片在藍(lán)光LED芯片表面涂敷YAG熒光粉上的不同。變電流條件下的藍(lán)、白光流明效率曲線(xiàn)對(duì)比如圖7所示，驅(qū)動(dòng)電流為10～1 500 mA 時(shí)，CSP白光LED的流明效率明顯高于藍(lán)光，且白光LED芯片和藍(lán)光LED芯片的電流Droop效應(yīng)變化趨勢(shì)基本一致，主要表現(xiàn)為驅(qū)動(dòng)電流大于20 mA時(shí)，光效均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，該現(xiàn)象與Tanner等的研究結(jié)果相一致[20-21]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在大電流的驅(qū)動(dòng)條件下，CSP白光LED下降的趨勢(shì)更為明顯，隨著排布間距減小，白光LED芯片效率衰減率分別為55.43%、66.08%、76.95%、83.52%、89.76%、94.69%。這是因?yàn)閅AG熒光粉處于Ce3+的5d離子層受溫度影響大，易受晶體場(chǎng)作用發(fā)生能級(jí)分裂，溫度越高，晶格震動(dòng)越劇烈，晶體場(chǎng)增強(qiáng)，5d能級(jí)分裂加劇，使基態(tài)與激發(fā)態(tài)之間的能量變得接近，導(dǎo)致量子效率隨間距減小而降低顯著。選擇不同排布間距的芯片，其Droop效應(yīng)表現(xiàn)出較大的差異，主要?dú)w因于熒光粉的轉(zhuǎn)換效率下降，藍(lán)光激發(fā)黃色熒光粉時(shí)的能量損耗，造成發(fā)光效率隨電流增加而下降。隨著電流密度的增加，出現(xiàn)了“電流泄露”現(xiàn)象，造成PN結(jié)結(jié)區(qū)的載流子的復(fù)合幾率下降[22]。排布間距減小而引起的熱效應(yīng)又使主波長(zhǎng)移動(dòng)、熒光粉發(fā)光的強(qiáng)度下降，使得混光不匹配，從而導(dǎo)致了隨著排布間距減小，白光LED發(fā)光效率下降的速度比藍(lán)光LED下降得更快。

圖7 不同排布間距下藍(lán)(a)、白(b)光光效對(duì)比圖。

Fig.7 Comparison of blue(a) and white(b) luminous efficiency under different arrangement spacings

3.4 排布間距對(duì)CSP-LED芯片的影響

3.4.1 變電流EL光譜對(duì)比分析

圖8(a)～(d) 為CSP白光LED芯片排布間距為0.2，0.8，3，5 mm 時(shí)的變電流EL譜。從圖中可以看出，正向電流為20～1 500 mA時(shí)，CSP-LED芯片的EL譜峰值波長(zhǎng)分別紅移了16，13，7,7 nm，同時(shí)隨著注入電流密度的逐漸增大，能帶填充效應(yīng)增強(qiáng)，引起半峰寬展寬，可見(jiàn)CSP白光LED芯片在小排布間距下，芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的改變。且電流在1 A以上時(shí)，隨著排布間距的減小，峰值波長(zhǎng)的光譜積分強(qiáng)度下降趨勢(shì)更加顯著，分別降低了1.75，2.71，10.46，15.99。這主要是由于白光LED芯片的熱擁堵引起了發(fā)光阱層的熱應(yīng)力，導(dǎo)致EL光譜強(qiáng)度下降顯著。

圖8 CSP-LED芯片排布間距為0.2(a)，0.8(b)，3(c)，5(d) mm時(shí)的變電流EL譜。

Fig.8 EL spectra of variable current when the spacing of CSP-LED chips is 0.2(a), 0.8(b), 3(c), 5(d) mm, respectively.

3.4.2 排布間距對(duì)CSP-LED芯片熒光粉的影響

不同排布間距下CSP白光LED在不同的驅(qū)動(dòng)電流下的色溫特性曲線(xiàn)如圖9(a)所示。結(jié)果顯示，隨著電流密度的增大，白光的色溫整體趨于上升趨勢(shì)。電流密度較小時(shí)，不同電流對(duì)色溫影響的作用不顯著；在大電流條件下，隨著樣品排布間距減小為3 mm以下，色溫增大趨勢(shì)非常明顯。主要原因是由于排布間距減小時(shí)，芯片內(nèi)部散熱不良引起的熱擁堵現(xiàn)象導(dǎo)致藍(lán)光相對(duì)于黃光的比例在逐步增加，顏色由暖光向冷光轉(zhuǎn)變[23]。圖9(b)是在變化電流下LED的光譜紅色比參數(shù)圖，紅色比是紅光在整個(gè)可見(jiàn)光中所占的比例，結(jié)果顯示電流在1 A左右時(shí)，紅色比開(kāi)始呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，衰減率分別為3.57%、5.76%、9.93%、14.29%、16.20%、38.73%。表明排布間距越小，紅光衰減越明顯。間距為3 mm以上時(shí)，隨著電流增大，變化基本呈持平趨勢(shì)。LED色溫的上升和紅色比的下降，表明由于排布間距減小使得熒光粉退化是CSP白光LED衰減的主要原因。

圖9 不同排布間距下白光色溫(a)、紅色比(b)變化曲線(xiàn)。

Fig.9 Color temperature(a) and red ratio curves(b) of white light at different arrangement intervals

4 結(jié) 論

以相同結(jié)構(gòu)的藍(lán)光LED器件作為CSP白光LED激發(fā)光譜，研究了變電流條件下不同排布間距對(duì)藍(lán)、白光LED熱擁堵效應(yīng)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流增大到1 A 以上的極端電流條件時(shí)，隨著注入電流的增大，白光LED芯片的溫度顯著升高，峰值波長(zhǎng)的光譜紅移，電壓、光功率、光通量、光效等光電性能都呈現(xiàn)指數(shù)衰減趨勢(shì)；最后對(duì)排布間距和LED熒光粉的熱影響進(jìn)行了分析，表明排布間距越小，紅色比越低，熒光粉的退化更加顯著。由于排布間距減小而引發(fā)的熱效應(yīng)促進(jìn)了芯片與YAG熒光粉的相互熱作用，使CSP白光LED芯片在0.2 mm的排布間距下，光譜強(qiáng)度降低了59.9%，同時(shí)光效衰減了94.69%，導(dǎo)致芯片光電性能較差，壽命較短。當(dāng)CSP-LED芯片的排布間距為3 mm時(shí)，從實(shí)際生產(chǎn)的成本角度出發(fā)，已經(jīng)表現(xiàn)出優(yōu)良的光電性能，這對(duì)我國(guó)CSP車(chē)燈及Mini背光面的國(guó)產(chǎn)化及LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義。