共晶芯片數(shù)及芯片位置對(duì)陶瓷共晶封裝LED發(fā)光性能的影響

王世龍， 熊傳兵， 湯英文， 李曉珍， 劉 倩

(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

眾所周知，白光發(fā)光二極管(LED)器件已在通用照明領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，我國(guó)也已經(jīng)成為L(zhǎng)ED照明產(chǎn)業(yè)最大的制造國(guó)、出口國(guó)和消費(fèi)國(guó)，年產(chǎn)值近萬億元[1]。然而，部分高端器件目前仍然存在依賴進(jìn)口的問題，其中高功率密度陶瓷共晶封裝LED就是依賴進(jìn)口的主要品類之一，原因在于其牽涉到諸多的科學(xué)和技術(shù)問題。因此，國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界需要對(duì)其進(jìn)行深入研究，為其獲得更為廣泛的應(yīng)用奠定科技基礎(chǔ)[2]。

隨著氮化鎵(GaN)藍(lán)光倒裝芯片技術(shù)的成熟，高功率密度陶瓷基板共晶封裝技術(shù)成為了產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界研究和開發(fā)的熱點(diǎn)，采用該技術(shù)封裝的器件稱為陶瓷封裝LED[3]。陶瓷封裝LED分為平面結(jié)構(gòu)和球面結(jié)構(gòu)兩種。與球面封裝結(jié)構(gòu)相比，平面封裝結(jié)構(gòu)的LED因其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕，近年來在汽車前大燈、投影儀和舞臺(tái)燈等特種照明領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用[4]。LED陶瓷封裝中的陶瓷是陶瓷印刷線路板(PCB)的簡(jiǎn)稱，目前的陶瓷基材主要分為氧化鋁陶瓷和氮化鋁陶瓷兩種。其中氮化鋁陶瓷具有熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)與藍(lán)光芯片更為匹配的特點(diǎn)，因此高功率密度封裝一般采用氮化鋁陶瓷PCB板[5]。氮化鋁陶瓷PCB基板的基本制造過程是：在400 μm左右厚度的氮化鋁陶瓷片上激光打通孔，在正反面和導(dǎo)電通孔里真空磁控濺射和電鍍厚度50 μm左右的金屬銅層，然后在銅層上化學(xué)鍍鎳金金屬層。目前陶瓷PCB基板還具有一定的工藝技術(shù)門檻和復(fù)雜性，致使氮化鋁陶瓷封裝基板價(jià)格成為了陶瓷封裝LED的主要成本之一。對(duì)于相同功率的陶瓷封裝LED，陶瓷基板面積越小，越能提高產(chǎn)品的性價(jià)比。因此，研究共晶芯片的數(shù)量與陶瓷基板面積的匹配程度對(duì)于降低器件成本具有重要意義。

LED工作時(shí)，發(fā)光發(fā)熱同時(shí)進(jìn)行，熱量主要通過芯片傳導(dǎo)給陶瓷基板的正面金屬層，然后傳導(dǎo)給陶瓷，繼而傳導(dǎo)給陶瓷PCB板的背面金屬層，最后傳導(dǎo)給與之貼片的銅凸臺(tái)基板和散熱鰭片，器件將在整個(gè)系統(tǒng)熱平衡后處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。LED發(fā)出的熱量在陶瓷PCB基板上傳遞時(shí)，橫向傳熱和縱向傳熱同時(shí)進(jìn)行，陶瓷基板的面積大小將對(duì)熱量的傳遞產(chǎn)生重要影響，從而影響器件的發(fā)光效率和可靠性。然而，基于相同大小的陶瓷基板，對(duì)共晶芯片不同位置LED的散熱情況及熱擁堵導(dǎo)致的光效率下降情況等還鮮有報(bào)道。

本文分別在兩種尺寸規(guī)格的氮化鋁沉金陶瓷基板上金錫共晶了不同數(shù)量的GaN藍(lán)光倒裝芯片，并選擇在部分樣品芯片側(cè)邊涂圍了高反射白墻膠，以及在部分涂圍了白墻膠樣品芯片頂面涂覆了熒光粉硅膠混合層制備成白光LED器件，對(duì)共晶芯片的數(shù)量(額定功率)與陶瓷基板面積的匹配度以及陶瓷基板熱電分離金屬層與芯片共晶位置的匹配度對(duì)陶瓷封裝LED器件性能的影響進(jìn)行了深入研究。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 樣品制備

氮化鋁沉金陶瓷PCB基板中氮化鋁的厚度為400 μm，正反兩面的金屬鍍層厚度均為50 μm，導(dǎo)電通孔(電鍍填孔)直徑為100 μm，正負(fù)極各3個(gè)導(dǎo)電通孔。使用的兩種規(guī)格陶瓷基板，分別是8芯(5.80 mm×2.55 mm×0.50 mm)和6芯(4.15 mm×2.55 mm×0.50 mm)，倒裝藍(lán)光芯片尺寸為1.125 mm×1.125 mm(45 mil×45 mil)，厚度為150 μm，熒光體是商用YAG黃光熒光粉和透明硅膠的混合層。樣品的陶瓷基板、共晶芯片數(shù)目、圍白墻膠及熒光膠層等構(gòu)成情況以及樣品編號(hào)，如表1所示。

表1 共晶封裝LED樣品構(gòu)成情況

樣品實(shí)物如圖1所示，按陶瓷規(guī)格和芯片數(shù)不同分成4組，總共12種，依次編號(hào)為：S01、S02、…、S12，每組3個(gè)樣品，分別為共晶藍(lán)光芯片樣品、芯片側(cè)邊涂圍白墻膠樣品和涂圍白墻膠后芯片頂面涂覆了熒光粉硅膠樣品。器件加工完成后，將其用錫膏貼片并回爐焊在汽車前大燈用銅凸臺(tái)基板上，以便于測(cè)試分析。

圖1 樣品實(shí)物圖

2.2 樣品測(cè)試

測(cè)試儀器為遠(yuǎn)方HASS2000測(cè)試系統(tǒng)。陶瓷基板正反面的金屬線路和芯片的串并關(guān)系如圖2所示，芯片共晶間隙為60 μm。

圖2 陶瓷基板正反面金屬線路層及芯片共晶位置圖

3 結(jié)果與討論

3.1 藍(lán)光光功率隨電流的變化

圖3(a)是分別在8芯陶瓷PCB板上共晶8顆和4顆藍(lán)光芯片的光功率隨正向電流變化曲線圖(I-L)。8芯陶瓷基板共晶的8顆芯片串并關(guān)系是4并2串，共晶4顆芯片的串并關(guān)系是2并2串，為了能在相同電流密度情況下對(duì)比I-L關(guān)系，因此將8芯片器件實(shí)測(cè)的光功率和電流分別除以2后，再與4芯片樣品對(duì)比I-L曲線，即折合成相同電流密度和芯片數(shù)比較。圖3(b)所示6芯陶瓷PCB板上共晶6顆和3顆藍(lán)光芯片也做同樣處理。

從圖3(a)和圖3(b)對(duì)比可以看出：(1)4種藍(lán)光樣品在圍白膠前后光功率均有所下降，且下降幅度基本一致(約5%)；(2)兩種規(guī)格的陶瓷板，在芯片數(shù)減少一半后，其藍(lán)光光功率均明顯提高，且光飽和現(xiàn)象得到明顯改善；(3)針對(duì)芯片數(shù)減少一半對(duì)藍(lán)光光功率提高的幅度，熱電分離不匹配的6芯陶瓷基板(單芯1 A時(shí)，圍白膠6.1%，無白膠5.5%；1.2 A時(shí)，圍白膠8.9%，無白膠8.2%)小于熱電分離匹配的8芯片陶瓷基板(單芯1 A時(shí)，圍白膠9.1%，無白膠8.5%；1.2 A時(shí)，圍白膠12.1%，無白膠11.1%)；涂圍白墻膠樣品稍大于無白墻膠樣品(約1%)。上述結(jié)果的分析如下：倒裝藍(lán)光芯片是五面出光的器件，芯片側(cè)邊的出光會(huì)影響其白光LED光色參數(shù)空間分布的均勻性，因此在LED汽車前大燈等要求比較嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)合，一般均在倒裝芯片四個(gè)側(cè)邊涂圍高反射白墻膠，使藍(lán)光僅從芯片頂面出光，從而便于控制光色參數(shù)空間分布均勻性[6]。如圖3所示，4種藍(lán)光樣品(8芯陶瓷共晶8顆和4顆芯片，6芯陶瓷共晶6顆和3顆芯片)在圍白墻膠后光功率均有所下降，且下降幅度基本一致，光強(qiáng)損失均為5%左右。芯片側(cè)邊圍白墻膠后，各種樣品光強(qiáng)損失基本一致，原因是光強(qiáng)損失僅與白墻膠的反射特性和芯片側(cè)邊面積有關(guān)，各種樣品的芯片均為同種規(guī)格芯片，因而每顆芯片的側(cè)邊光反射和吸收情況相同，因此光強(qiáng)損失也相同。圍白墻膠后光強(qiáng)損失5%左右為現(xiàn)有報(bào)道的較好水平，說明本文制備樣品時(shí)選擇的白墻膠與整體工藝制程較為匹配。同規(guī)格陶瓷共晶不同數(shù)量芯片時(shí)，器件工作時(shí)的發(fā)熱量不同，而它們圍白墻膠前后光損失基本相同，說明白墻膠對(duì)芯片的發(fā)熱量不敏感，正常工作時(shí)的芯片發(fā)熱不會(huì)影響白墻膠與芯片側(cè)邊界面的光反射和吸收性能。這一結(jié)果為后續(xù)分析光強(qiáng)發(fā)生變化的原因排除了干擾。

圖3 藍(lán)光光功率隨正向電流變化(I-L)對(duì)比圖。(a)8芯陶瓷共晶8顆與4顆芯片對(duì)比；(b)6芯陶瓷共晶6顆與3顆芯片對(duì)比。Fig.3 Comparison of blue light power versus forward current (I-L) curves. (a)Comparison of 8 and 4 chips eutectic on 8-chips substrate. (b)Comparison of 6 and 3 chips eutectic on 6-chips substrate.

如圖3所示，兩種規(guī)格的陶瓷板，在芯片數(shù)減少一半后，折合成同電流密度和芯片數(shù)比較，其發(fā)光強(qiáng)度均明顯提高，且電流越大光功率提高越明顯，I-L曲線更不容易光飽。當(dāng)8芯陶瓷共晶4顆芯片時(shí)，其單顆芯片1 A正向電流時(shí)，藍(lán)光光功率無白墻膠的提高8.5%，有白墻膠的提高9.1%；1.2 A正向電流時(shí)，藍(lán)光光功率無白墻膠的提高11.1%，有白墻膠的提高12.1%。當(dāng)6芯陶瓷共晶3顆芯片，其單顆芯片1 A正向電流時(shí)，藍(lán)光光功率無白墻膠的提高5.5%，有白墻膠的提高6.1%；1.2 A電流時(shí)無白墻膠的提高8.2%，有白墻膠的提高8.9%。造成這一現(xiàn)象的原因是當(dāng)兩個(gè)規(guī)格的陶瓷基板共晶8或6顆芯片時(shí)，其陶瓷基板與芯片的面積比是共晶4顆或3顆芯片的一半，陶瓷基板是芯片散熱的第一個(gè)通道，基板與芯片的面積比減小導(dǎo)致芯片散熱不充分，從而導(dǎo)致藍(lán)光芯片的電光轉(zhuǎn)換效率下降，驅(qū)動(dòng)電流越大，芯片發(fā)熱越嚴(yán)重，熱導(dǎo)致光強(qiáng)下降越明顯，也即I-L曲線的光飽和趨勢(shì)越明顯。

6芯陶瓷共晶3芯片后，其藍(lán)光光功率提高幅度小于8芯片陶瓷共晶4芯片的樣品，單顆芯片1 A工作電流時(shí)，提高幅度相差3%左右。陶瓷燈珠貼片到銅基板時(shí)，熱電分離的金屬區(qū)與銅基板的凸臺(tái)直接相連，熱量可以直接傳到銅基板，而電極部位需通過銅線路層底下的絕緣膠層再傳遞到銅基板，絕緣膠的熱導(dǎo)率比銅低20倍以上，因此對(duì)陶瓷燈珠散熱起主要作用的是熱電分離的金屬區(qū)[7-8]。8芯陶瓷的芯片共晶位置全部與熱電分離金屬區(qū)對(duì)應(yīng)且匹配，而6芯陶瓷受設(shè)計(jì)安裝位置限制，熱電分離金屬區(qū)位置沒有與共晶位置完全匹配，這可能是導(dǎo)致6芯陶瓷共晶3芯片后，其發(fā)光效率提高幅度不如8芯片陶瓷共晶4芯片后的提高幅度的原因。這也進(jìn)一步說明陶瓷封裝LED器件工作時(shí)縱向散熱比橫向散熱更為有效[9]。

兩款陶瓷其共晶芯片數(shù)量減少一半后，有白墻膠樣品其光功率提高幅度稍大于無白墻膠樣品，可能是因?yàn)榘讐δz對(duì)芯片的橫向散熱起到了一定作用所致。當(dāng)芯片數(shù)量多時(shí)，白墻膠僅對(duì)陶瓷板長(zhǎng)邊方向兩頭芯片的一個(gè)側(cè)邊起到散熱作用；當(dāng)芯片數(shù)量減少一半時(shí)，每顆芯片均有側(cè)邊可以導(dǎo)熱，尤其是6芯陶瓷共晶3顆芯片后，長(zhǎng)邊方向的兩顆芯片有3條側(cè)邊參與導(dǎo)熱。有無白墻膠，其I-L飽和并無顯著差異，這說明白墻膠盡管能促進(jìn)芯片散熱，但其散熱能力有限。因此，既能高反射芯片側(cè)邊的發(fā)光又能極大幫助芯片散熱的高反射材料值得深入研究和開發(fā)[10]。

3.2 白光光通量隨電流的變化

圖4(a)是8芯陶瓷共晶8顆和4顆芯片的白光LED的I-L曲線，圖4(b)是6芯陶瓷共晶6顆和3顆芯片的白光I-L曲線，均為折合成同電流密度和芯片數(shù)比較。

從圖4可以看出：(1)當(dāng)共晶芯片數(shù)量減少一半后，白光光通量顯著提升，光飽和現(xiàn)象明顯改善；(2)6芯片陶瓷共晶3芯片后，其光通量提升幅度和光飽和改善程度比8芯陶瓷共晶4芯片的樣品小；(3)白光LED樣品的光飽和現(xiàn)象比藍(lán)光樣品更為明顯，同種規(guī)格的陶瓷共晶芯片數(shù)減少一半前后白光光通量差異程度大于藍(lán)光樣品的光功率差異程度。

圖4 白光LED樣品I-L曲線對(duì)比圖。(a)8芯陶瓷共晶8顆與4顆芯片對(duì)比；(b)6芯陶瓷共晶6顆與3顆芯片對(duì)比。Fig.4 Comparison of I-L curves of the white light LED. (a)Comparison of 8 and 4 chips eutectic on 8-chips substrate. (b)Comparison of 6 and 3 chips eutectic on 6-chips substrate.

從圖4可知，8芯陶瓷由共晶8芯片改成共晶4芯片和6芯陶瓷由共晶6芯片改成共晶3芯片后，白光光通量均顯著提升，光飽和現(xiàn)象明顯改善，正向工作電流越大現(xiàn)象越明顯。從前面圖3藍(lán)光分析已知，共晶芯片數(shù)目減少后，在電流密度不變情況下，器件的工作電功率和發(fā)熱量均減少，而陶瓷板面積不變，從而熱量累積減少，熱擁堵導(dǎo)致光強(qiáng)下降得以改善，因此光通量明顯提高。這說明，當(dāng)陶瓷基板面積增加或者共晶芯片數(shù)目減少時(shí)，陶瓷基板能夠?qū)⑿酒蜔晒夥鄣臒崃考皶r(shí)散除，避免熱堵導(dǎo)致光強(qiáng)下降。

從圖4可知，6芯陶瓷由共晶6芯片改成共晶3芯片后，其光通量提升幅度和I-L改善程度均比8芯陶瓷由共晶8芯片改成共晶4芯片要小。盡管4芯片共晶在8芯陶瓷上(芯片面積為陶瓷面積的35%)與3芯片共晶在6芯陶瓷上(芯片面積為陶瓷面積的37%)的芯片陶瓷面積比相當(dāng)，但光飽和程度不一致。6芯陶瓷的熱電分離金屬區(qū)與芯片共晶位置匹配度不如8芯陶瓷，對(duì)熱電分離陶瓷燈珠散熱起決定性作用的是熱電分離銅凸臺(tái)區(qū)域，因而8芯陶瓷的樣品其熱量能有效地散除，因此4芯片樣品的光通量和光飽和現(xiàn)象均得到明顯改善。這進(jìn)一步說明，芯片共晶位置與陶瓷基板熱電分離金屬區(qū)的匹配程度對(duì)陶瓷封裝LED白光發(fā)光性能具有較大影響。

由圖4與圖3的比較可知，隨著工作電流的加大，白光LED比藍(lán)光LED更容易出現(xiàn)光飽和，同規(guī)格陶瓷共晶芯片數(shù)減少一半前后白光通量差異程度明顯大于藍(lán)光樣品的差異程度。這是因?yàn)?，一方面，白光LED的熒光粉受到芯片發(fā)出的藍(lán)光激發(fā)后，光致發(fā)光的同時(shí)也會(huì)存在非輻射復(fù)合，從而導(dǎo)致熱量產(chǎn)生；另一方面，藍(lán)光的光子能量大于黃光光子能量，光子能量下轉(zhuǎn)換的能量差轉(zhuǎn)變成了熱能，因此熒光粉與芯片一樣，發(fā)光發(fā)熱同時(shí)并存。熒光粉的熱量是通過芯片的藍(lán)寶石襯底向基板傳導(dǎo)，該熱傳導(dǎo)的過程會(huì)升高芯片的工作溫度，尤其是藍(lán)寶石襯底的熱導(dǎo)率僅有0.25 W/(cm·K)，屬于熱的不良導(dǎo)體，它是熒光粉的主要熱阻。因此，隨著芯片工作電流加大熒光粉發(fā)光量在增加，發(fā)熱量也在增加，這會(huì)同時(shí)引起芯片和熒光粉發(fā)光效率的降低，從而表現(xiàn)出白光LED比藍(lán)光LED燈珠更容易出現(xiàn)光飽和現(xiàn)象，也導(dǎo)致芯片數(shù)減半前后白光LED的I-L曲線差異程度大于藍(lán)光LED。

3.3 白光CCT色溫隨電流的變化

圖5是色溫隨正向電流的變化圖，同一圖幅均為折合成同電流密度和芯片數(shù)比較。從圖5可以看出，同規(guī)格陶瓷基板，芯片數(shù)量減少后，色溫隨電流增加的程度明顯減?。划?dāng)單顆芯片電流超過1 A時(shí)，8芯和6芯樣品的白光色溫隨電流增加呈現(xiàn)超線性增加，其中6芯樣品增加尤為明顯。

圖5 白光LED色溫隨正向電流變化的比較。(a)8芯陶瓷共晶8顆與4顆芯片對(duì)比；(b)6芯陶瓷共晶6顆與3顆芯片對(duì)比。Fig.5 Comparison of the CCT change with forward current. (a)Comparison of 8 and 4 chips eutectic on 8-chips substrate. (b)Comparison of 6 and 3 chips eutectic on 6-chips substrate.

因?yàn)?芯片陶瓷共晶4芯片和6芯片陶瓷共晶3芯片后，芯片相同電流密度工作情況下，燈珠的電功率減小一半，燈珠的自發(fā)熱功率也相應(yīng)減小，燈珠熒光粉的自發(fā)熱功率也相應(yīng)減小，而陶瓷基板面積是不變的，因此整個(gè)器件的溫度也相應(yīng)地降低。8芯片和6芯片樣品相比，因?yàn)槠骷峁β矢螅趯?dǎo)熱通道相同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致器件溫度升高，從而導(dǎo)致熒光粉的熱量不能有效散除，造成熒光粉的光效降低。盡管藍(lán)光芯片也會(huì)因?yàn)槠骷囟壬叨l(fā)光效率降低，但是芯片與陶瓷基板共晶在一起，它的熱量相對(duì)熒光粉而言更容易散除，因此就導(dǎo)致白光LED里面藍(lán)光的占比增加，熒光粉發(fā)光的占比減少，藍(lán)光黃光比升高，從而導(dǎo)致了色溫升高。

當(dāng)電流增大到一定程度后，繼續(xù)加大電流，藍(lán)光光強(qiáng)增加，藍(lán)光激發(fā)熒光粉的激發(fā)密度增加，熒光粉發(fā)光效率降低，發(fā)熱量增加；而散熱通道和熱阻不變，倒裝藍(lán)光芯片的低熱導(dǎo)率藍(lán)寶石襯底是熒光粉自發(fā)熱唯一散熱通道。因此導(dǎo)致熒光粉熱量累積，溫度進(jìn)一步升高，從而白光LED黃藍(lán)比進(jìn)一步降低，表現(xiàn)出色溫超線性增長(zhǎng)。6芯陶瓷基板因其芯片共晶位置沒有與熱電分離金屬區(qū)匹配，發(fā)光臺(tái)面部分區(qū)域散熱不良，從而表現(xiàn)出色溫隨電流增加程度大于8芯陶瓷基板的樣品。

3.4 熱平衡過程中光強(qiáng)的變化

LED器件熱平衡過程光色參數(shù)的變化能綜合反映整個(gè)燈具光熱電設(shè)計(jì)的匹配度，被應(yīng)用端廣泛采用。對(duì)LED器件端而言，器件一般貼片在散熱優(yōu)良的銅凸臺(tái)基板上，銅凸臺(tái)基板再用導(dǎo)熱膠與熱容足夠大的散熱鰭片相連接，此時(shí)的光色參數(shù)能充分反映器件的性能。應(yīng)用端整燈系統(tǒng)完成后，其熱平衡結(jié)果與器件端熱平衡結(jié)果比對(duì)，就能衡量應(yīng)用端設(shè)計(jì)的合理性。本文熱平衡驗(yàn)證時(shí)樣品安裝在足夠大的散熱鰭片上，然后測(cè)試其光電參數(shù)。本文在熱平衡過程測(cè)試時(shí)，所有樣品均是使每顆芯片通過1 A的1.125 mm(45 mil)芯片的常用電流，盡管器件電流會(huì)有所不同，但每一顆芯片的電流是一致的，確保芯片光色參數(shù)在相同電流密度下比較。

圖6是藍(lán)光樣品光功率熱平衡過程的變化曲線。從圖6可以看出，當(dāng)芯片數(shù)量減少一半后，藍(lán)光光功率能在更短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到平衡并保持不變；起始藍(lán)光功率與熱平衡后藍(lán)光功率的差值，8芯樣品大于4芯樣品，6芯樣品大于3芯樣品；每種規(guī)格有無白墻膠樣品比較，起始光功率的差值均小于熱平衡后的差值，即平衡后光功率差值稍有增加，有白墻膠樣品熱平衡時(shí)間稍有增加。

圖6 單顆芯片電流為1 A時(shí)熱平衡過程藍(lán)光功率的變化。(a)8芯陶瓷共晶8顆與4顆芯片對(duì)比；(b)6芯陶瓷共晶6顆與3顆芯片對(duì)比。Fig.6 Change of blue light power in thermal balance process at 1 A forward current of every chip. (a)Comparison of 8 and 4 chips eutectic on 8-chips substrate. (b)Comparison of 6 and 3 chips eutectic on 6-chips substrate.

對(duì)于同一規(guī)格的陶瓷板，當(dāng)芯片數(shù)量減少一半后，在每顆芯片的工作電流保持不變的情況下，其電功率也相應(yīng)減少一半，從而器件工作時(shí)其發(fā)光功率和發(fā)熱功率也相應(yīng)減少。因?yàn)?芯和6芯樣品發(fā)熱功率大，所以其達(dá)到熱平衡的時(shí)間更長(zhǎng)。

因?yàn)?芯和3芯樣品芯片減少一半后，其器件的發(fā)熱量減少，起始光功率與平衡光功率的差值要小于發(fā)熱嚴(yán)重的8芯和6芯樣品。相同規(guī)格的陶瓷基板共晶芯片減少一半后，在正常工作電流情況下(1.125 mm(45 mil)芯片，1 A)，其熱平衡后光功率提高約10%，這一結(jié)果與前面I-L曲線的結(jié)果也是一致的。穩(wěn)態(tài)工作電流時(shí)光功率的變化更有現(xiàn)實(shí)意義，這說明合理匹配陶瓷基板面積與共晶芯片數(shù)目及工作功率，對(duì)于LED發(fā)光效率具有顯著影響。

圍白墻膠后，熱平衡前后的藍(lán)光光功率均低于沒圍白墻膠樣品，這一現(xiàn)象與前面的結(jié)果也是相互印證的。有白墻膠樣品熱平衡時(shí)間稍有加長(zhǎng)，可能與白墻膠是熱的不良導(dǎo)體有關(guān)，延緩了橫向散熱的進(jìn)程，從而達(dá)到熱平衡的時(shí)間稍有增加。

圖7是白光樣品光通量熱平衡過程的變化曲線，均為折合成同電流密度和芯片數(shù)比較。從圖7可以看出，同規(guī)格陶瓷基板共晶芯片數(shù)量減少一半后，其光通量的變化規(guī)律與前面討論的藍(lán)光光功率的變化規(guī)律是一致的，但是白光光通量變化的程度要比藍(lán)光光強(qiáng)變化更為顯著。白光變化更為顯著的原因在于，藍(lán)光樣品僅存在藍(lán)光芯片一個(gè)熱源，而白光樣品存在藍(lán)光芯片和熒光粉兩個(gè)熱源。熒光粉的熱量必須通過熱導(dǎo)率僅有0.25 W/(cm·K)的藍(lán)寶石襯底向下傳導(dǎo)，低熱導(dǎo)率的藍(lán)寶石襯底成為了熒光粉不可避免的熱阻。白光器件通電發(fā)光時(shí)，起始時(shí)刻整個(gè)散熱通道還處于冷態(tài)，因此起始時(shí)刻其光通量較高。當(dāng)器件通電發(fā)光后，芯片發(fā)熱，熒光粉也發(fā)熱，熒光粉的熱一方面導(dǎo)致自身光損，同時(shí)還會(huì)加劇芯片的熱光損，這就導(dǎo)致系統(tǒng)熱平衡后光通量明顯減少。

圖7 單顆芯片電流為1 A時(shí)熱平衡過程白光LED光通量的變化。(a)8芯陶瓷共晶8顆與4顆芯片對(duì)比；(b)6芯陶瓷共晶6顆與3顆芯片對(duì)比。Fig.7 Change of the white LED luminous flux in thermal balance process at 1 A forward current of every chip. (a)Comparison of 8 and 4 chips eutectic on 8-chips substrate. (b)Comparison of 6 and 3 chips eutectic on 6-chips substrate.

因此，基于藍(lán)寶石襯底的倒裝芯片半導(dǎo)體照明技術(shù)路線，盡管簡(jiǎn)化了芯片封裝工藝，功率密度比同側(cè)結(jié)構(gòu)芯片有顯著提升，然而它僅僅是改善了藍(lán)光芯片的發(fā)光效率和散熱問題，并沒有解決熒光粉的散熱和熱光損問題。藍(lán)寶石襯底仍然是熒光粉不可避免的熱阻，它是其白光光效、熒光粉熱光損和熱光衰性能進(jìn)一步提升的不可避免的障礙[11-12]?；诖怪苯Y(jié)構(gòu)芯片的白光照明技術(shù)路線(激光剝離藍(lán)寶石襯底或無損轉(zhuǎn)移硅襯底氮化鎵發(fā)光薄膜獲得)，因?yàn)椴淮嬖诘蜔釋?dǎo)率的藍(lán)寶石襯底，熒光粉的熱光損和熱光衰均能得到顯著改善。因此，在高功率密度的高端應(yīng)用場(chǎng)合，垂直結(jié)構(gòu)芯片比倒裝芯片更有優(yōu)勢(shì)[13-16]。

3.5 熱平衡過程中色溫的變化

圖8是白光樣品色溫?zé)崞胶膺^程圖，點(diǎn)亮?xí)r每顆芯片的電流均為1 A。從圖8可以看出，隨著點(diǎn)亮?xí)r間的增加，所有器件的色溫均會(huì)不同程度地升高并最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)；共晶芯片的數(shù)目減少一半后，熱平衡前后色溫變化明顯減少。

圖8 單顆芯片電流為1 A時(shí)熱平衡過程中白光CCT的變化。(a)8芯陶瓷共晶8顆與4顆芯片對(duì)比；(b)6芯陶瓷共晶6顆與3顆芯片對(duì)比。Fig.8 Change of the white LED CCT in thermal balance process at 1 A forward current of every chip. (a)Comparison of 8 and 4 chips eutectic on 8-chips substrate. (b)Comparison of 6 and 3 chips eutectic on 6-chips substrate.

白光LED通電后，發(fā)光發(fā)熱同時(shí)進(jìn)行，熱是導(dǎo)致色溫發(fā)生變化的根源所在，白光LED存在藍(lán)光芯片和熒光粉兩個(gè)熱源。起初整個(gè)系統(tǒng)處于冷態(tài)，色溫相對(duì)較低，隨著通電時(shí)間的增長(zhǎng)，器件發(fā)出的熱量在整個(gè)散熱系統(tǒng)逐漸累積，會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)存在溫度梯度。其中熒光粉溫度最高，芯片溫度其次，然后依次是陶瓷基板、銅基板和散熱器的不同部位。當(dāng)該溫度的梯度分布不再變化時(shí)，則整個(gè)系統(tǒng)處在產(chǎn)熱與散熱的平衡狀態(tài)。平衡狀態(tài)時(shí)的溫度均比起初點(diǎn)亮?xí)r的溫度高，溫度越高導(dǎo)致藍(lán)光芯片和熒光粉的熱光損就越嚴(yán)重。其中熒光粉的熱光損大于藍(lán)光芯片的熱光損，器件的熒光粉黃光占比減小，芯片藍(lán)光的占比加大，就導(dǎo)致了色溫的升高。

當(dāng)同一規(guī)格陶瓷PCB共晶芯片數(shù)目減少一半后，其發(fā)熱量也相應(yīng)減少，整個(gè)散熱通道并沒有改變，相同的散熱條件只需散除一半的熱量，因此整個(gè)系統(tǒng)溫度變低，器件溫度也相應(yīng)變低。這就是芯片數(shù)目減少后，系統(tǒng)熱平衡前后色溫變化均明顯減小的原因所在。因此，合理匹配陶瓷基板面積與芯片數(shù)目及工作電流，是保證系統(tǒng)色溫和光通量穩(wěn)定的關(guān)鍵所在。

白光LED實(shí)際使用中人們關(guān)注的是系統(tǒng)熱平衡后的光通量和色溫，而熱平衡光色參數(shù)測(cè)試需要經(jīng)歷相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間，它只適合白光器件的抽測(cè)，不適合全測(cè)，因此工業(yè)生產(chǎn)中一般均測(cè)試白光LED器件的瞬態(tài)光色參數(shù)。然而，由于白光LED封裝時(shí)，熒光粉工藝具有多樣性，這就導(dǎo)致不同單位制造的器件即使瞬態(tài)光色參數(shù)相同，安裝在同一白光照明系統(tǒng)時(shí)，仍會(huì)呈現(xiàn)出不同的光色參數(shù)，從而影響整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈和供應(yīng)鏈的生產(chǎn)效率[17-18]。因此，近年來無熒光粉照明成為了研究和產(chǎn)業(yè)的熱點(diǎn)，有望成為光色參數(shù)不因環(huán)境溫度和安裝系統(tǒng)不同而變化的新型照明光源之一[19]。同時(shí)，隨著熒光玻璃片和熒光陶瓷片研究工作的深入，它也有望成為可以簡(jiǎn)化白光器件的封裝工藝及提高器件光色參數(shù)的一致性和穩(wěn)定性的理想方案之一[20-22]。

4 結(jié) 論

為了探究陶瓷封裝LED的芯片數(shù)、芯片位置對(duì)器件發(fā)光性能的影響，本文在8芯氮化鋁陶瓷基板上分別共晶了8顆和4顆1.125 mm×1.125 mm(45 mil×45 mil)的倒裝藍(lán)光芯片，在6芯氮化鋁陶瓷基板上分別共晶了6顆和3顆同規(guī)格芯片，分別制備了藍(lán)光和白光器件。比較了藍(lán)光光功率、白光光通量和白光色溫隨正向電流的變化。結(jié)果表明，同規(guī)格陶瓷基板共晶芯片數(shù)減少一半后，其藍(lán)光光功率和白光光通量明顯提高，藍(lán)光器件和白光器件的光飽和特性均得到顯著改善。白光色溫隨電流的變化程度也大幅度降低，其中熱電分離金屬層與芯片共晶位置匹配度較好的8芯陶瓷樣品改善更為明顯。比較了藍(lán)光光功率、白光光通量、色溫的熱平衡過程。結(jié)果表明，當(dāng)芯片數(shù)量減少一半后，藍(lán)光功率、白光通量和色溫均能在更短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到平衡并保持不變；熱平衡后，白光器件光通量下降程度大于藍(lán)光光強(qiáng)下降幅度，每種白光樣品均會(huì)色溫升高，8芯和6芯樣品改變幅度大于4芯和3芯樣品。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，倒裝藍(lán)光芯片側(cè)邊圍白膠后，會(huì)損失一定光功率。本研究可為高功率密度LED陶瓷共晶封裝技術(shù)提供一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐。