大功率倒裝LED芯片陶瓷封裝器件頂面微區(qū)發(fā)光均勻性

李曉珍， 熊傳兵， 湯英文， 郝冬輝

(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

我國(guó)LED照明產(chǎn)業(yè)的年產(chǎn)值近萬億元，然而，部分高端器件目前仍然存在依賴進(jìn)口的問題。其中大功率倒裝芯片陶瓷基板金錫共晶封裝的LED是依賴進(jìn)口的主要品類之一，其牽涉到諸多科學(xué)和技術(shù)問題，需要產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界對(duì)其進(jìn)行深入研究，為其獲得更廣泛的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)[1]。

將LED倒裝芯片金錫共晶焊接在陶瓷基板上，然后制作一層熒光粉硅膠層或貼合熒光陶瓷片或熒光玻璃片獲得陶瓷封裝白光LED，是目前高功率密度白光LED器件的主流技術(shù)方案之一[2-5]。隨著芯片和封裝技術(shù)的不斷進(jìn)步，該器件的功率密度還在不斷提高[6]。高功率密度的陶瓷封裝LED器件一般均封裝成平面結(jié)構(gòu)，這是為了在下游應(yīng)用中，便于將發(fā)光器件的頂面置于光學(xué)透鏡的焦平面，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程投射，并要求投射的光斑光強(qiáng)均勻及光功率密度高。因此頂面光強(qiáng)均勻性是該類高功率密度器件最關(guān)鍵的指標(biāo)之一。倒裝結(jié)構(gòu)藍(lán)光LED芯片在工作電流較小、非陶瓷基板金錫共晶封裝情況下，其頂面藍(lán)光光強(qiáng)均勻性研究已有報(bào)道[7]，而針對(duì)近年興起的陶瓷基板金錫共晶封裝的高功率密度器件，其頂面藍(lán)光和白光均勻性這一關(guān)鍵性能的研究還鮮有報(bào)道。

本文在熱電分離的氮化鋁陶瓷基板上金錫共晶了大功率LED倒裝藍(lán)光芯片，然后在芯片側(cè)面圍涂了高反射白墻膠獲得了陶瓷封裝的藍(lán)光器件，進(jìn)而在其頂面噴涂了熒光粉硅膠層獲得了白光器件，對(duì)其封裝成白光LED前后器件頂面發(fā)光的均勻性隨驅(qū)動(dòng)電流的變化進(jìn)行了深入研究。

2 實(shí) 驗(yàn)

熱電分離的氮化鋁陶瓷基板大小為3.5 mm×3.5 mm，陶瓷層厚度為400 μm，正反兩面金屬鍍層厚度為50 μm，導(dǎo)電通孔(電鍍填孔)直徑為100 μm，正負(fù)極各5個(gè)導(dǎo)電通孔，鍍層表面化學(xué)鍍鎳鈀金。倒裝藍(lán)光芯片是廈門三安光電公司生產(chǎn)的S-75ABFSD規(guī)格芯片，芯片BIN檔為450CP145(700 mA電流瞬態(tài)點(diǎn)亮?xí)r藍(lán)光功率為1 450 mW，主波長(zhǎng)為450 nm)，芯片大小為1.905 mm×1.830 mm(75 mil×72 mil)，芯片厚度為150 μm，芯片正負(fù)電極間隙寬度為150 μm，電極鈦鎢阻擋層和金錫層厚度均為3 μm。高反射白墻膠為硅膠與銳鈦型鈦白粉的混合物，鈦白粉含量為0.5%，鈦白粉平均粒徑為20 nm。白光器件的熒光膠層的厚度為100 μm，由硅膠與釔鋁石榴石(Yttrium aluminum garnet,YAG)熒光粉混合而成，熒光粉含量為30%(質(zhì)量比)，熒光粉平均粒徑為8 μm。LED器件的封裝工藝流程為：用熱臂共晶焊將倒裝芯片共晶焊在氮化鋁陶瓷基板上，然后在芯片四周涂覆白墻膠，白墻膠經(jīng)150 ℃加熱2 h固化，然后等離子體輝光清洗倒裝芯片表面，再在其上噴涂經(jīng)稀釋劑稀釋的熒光粉硅膠混合物形成熒光粉硅膠層。沒有噴涂熒光粉硅膠層的器件作為藍(lán)光器件。LED器件和貼片安裝情況如圖1所示，圖1(a)是藍(lán)光器件剖面圖，圖1(b)是白光器件剖面圖，圖1(c)是器件背面圖片，圖1(d)是銅凸臺(tái)基板圖片，圖1(e)是器件與銅基板貼片后的圖片，圖1(f)是器件安裝散熱器后的圖片，圖1(g)是器件安裝后的剖面示意圖。

圖1 倒裝藍(lán)光芯片陶瓷封裝的LED器件結(jié)構(gòu)剖面圖、器件實(shí)物圖及其安裝后的剖面示意圖。(a)藍(lán)光器件剖面圖；(b)白光器件剖面圖；(c)器件背面圖片；(d)銅凸臺(tái)基板圖片；(e)器件與銅基板貼片后的圖片；(f)器件安裝散熱器后的圖片；(g)器件安裝后的剖面示意圖。

將LED器件用貼片錫膏焊在熱電分離的銅凸臺(tái)基板上，在銅基板與金屬散熱器之間涂上導(dǎo)熱硅脂并用螺栓安裝在鋁散熱鰭片上，散熱鰭片安裝在五維微調(diào)光學(xué)移動(dòng)滑臺(tái)上。在LED器件頂面上固定微區(qū)光譜儀的光纖探頭(光纖芯徑16 μm)，然后給器件通上不同的持續(xù)正向電流，并移動(dòng)微調(diào)光學(xué)滑臺(tái)，測(cè)試芯片頂面不同區(qū)域的光學(xué)特性。測(cè)試裝置與倒裝芯片如圖2所示，圖2(a)是測(cè)試裝置圖片，圖2(b)是測(cè)試探頭與藍(lán)光倒裝芯片圖，圖2(c)是芯片底面視圖，圖2(d)是芯片頂面視圖及測(cè)試位置圖。

圖2(d)中，a、b、c、d、e、f 6條直線為測(cè)試點(diǎn)位置的連線，其中f連線處在芯片N極孔所在位置的正上方，其余測(cè)試點(diǎn)連線處在相鄰兩排N電極孔所在位置中間的正上方，每條連線上共探測(cè)19個(gè)點(diǎn)。圖2(d)中標(biāo)識(shí)的T1～T4特殊位置點(diǎn)是為了討論需要單獨(dú)定位并測(cè)試的點(diǎn)，它們處在相鄰兩個(gè)或四個(gè)電極孔的對(duì)稱中心位置。倒裝芯片共有6行×6列直徑為70 μm的N電極孔，圖2(d)中兩條豎直藍(lán)線是芯片正負(fù)電極間隙區(qū)所在的位置。測(cè)試所用光譜儀為德國(guó)Instrument Systems公司的CAS 140CT光譜儀。驅(qū)動(dòng)電源為電流可調(diào)節(jié)設(shè)定的恒流電源，器件測(cè)試時(shí)所通電流為持續(xù)直流。

圖2 測(cè)試裝置及倒裝芯片圖。(a)測(cè)試裝置圖；(b)測(cè)試探頭與藍(lán)光倒裝芯片圖；(c)芯片底面視圖；(d)芯片頂面視圖及測(cè)試點(diǎn)位置。

3 結(jié)果與討論

3.1 器件光強(qiáng)隨電流的變化

為了確定微區(qū)發(fā)光的測(cè)試電流范圍，首先在積分球內(nèi)測(cè)試了器件的光強(qiáng)隨電流變化的I-L曲線，如圖3所示。從圖中可以看出，藍(lán)光器件在8 A電流時(shí)呈現(xiàn)光飽和，白光器件在4.5 A時(shí)即達(dá)到光飽和，因此微區(qū)發(fā)光特性的測(cè)試電流分別設(shè)定為：白光器件小于4.5 A，藍(lán)光器件小于8 A。

圖3 藍(lán)光器件光功率和白光器件光通量隨正向電流變化(I-L)曲線

從圖3可以看出白光器件的光飽和電流明顯小于藍(lán)光器件，導(dǎo)致白光器件提前出現(xiàn)光飽和的原因是白光器件的熒光粉和芯片均存在熱光損所致[8-9]。YAG熒光粉受藍(lán)光激發(fā)時(shí)，其存在非輻射復(fù)合和光子能量下轉(zhuǎn)換，這是導(dǎo)致熒光粉發(fā)熱的原因。隨著藍(lán)光芯片電流的逐漸加大，熒光粉受到的光激發(fā)密度升高，產(chǎn)生的熱量增多，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)，這使得熒光膠層的熱量不能及時(shí)散除并逐漸累積，繼而導(dǎo)致熒光層內(nèi)部溫度進(jìn)一步升高，溫度升高到一定程度就導(dǎo)致了熒光粉出現(xiàn)光飽和及光衰減[10-11]。另一方面，熒光粉發(fā)熱產(chǎn)生的熱量向下傳導(dǎo)時(shí)，LED發(fā)光薄膜是該熱量傳導(dǎo)散除的必經(jīng)之處，LED薄膜在器件通電發(fā)光時(shí)會(huì)由于非輻射復(fù)合等因素的存在而自發(fā)熱，即白光器件的LED藍(lán)光薄膜存在兩個(gè)熱源的作用導(dǎo)致其熱光損[10-11]。

目前，對(duì)于倒裝芯片封裝的白光器件而言，它與垂直結(jié)構(gòu)和平面結(jié)構(gòu)芯片封裝的器件一樣，均存在電流加大色溫升高的現(xiàn)象，即白光里面熒光粉的發(fā)光比例減小，當(dāng)出現(xiàn)光飽和時(shí)色溫會(huì)顯著升高，熒光粉發(fā)光在白光中占的比例會(huì)顯著減小[5]。因此，熒光粉是導(dǎo)致白光器件光飽和與衰減的主要原因。從圖3中也可以看出，對(duì)于高功率密度白光LED器件，如果熒光材料能在高激發(fā)密度和高溫下保持較高發(fā)光效率，白光器件的光功率密度將會(huì)有顯著提升。因此，近年來適合高功率密度白光器件的新型熒光材料研究成為了行業(yè)熱點(diǎn)，陶瓷熒光片、玻璃熒光片和適合高激發(fā)密度的熒光粉技術(shù)一旦走向成熟，必將推進(jìn)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)邁向嶄新的高度，將會(huì)開辟出諸多新型高端應(yīng)用[12]。

3.2 藍(lán)光器件頂面光強(qiáng)均勻性隨電流的變化

圖4是藍(lán)光器件在a和f測(cè)試位置連線的光強(qiáng)均勻性隨電流的變化圖，a線在兩排N電極孔中間，f線貫穿通過一排N電極孔。為了便于比較，將所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸一化處理(即將所有原始數(shù)據(jù)除以最強(qiáng)的一個(gè)點(diǎn)的光強(qiáng)，這樣最強(qiáng)的光強(qiáng)就成了1，歸一化后的圖譜與原始數(shù)據(jù)圖譜一致，僅縱坐標(biāo)讀數(shù)不同)。每條測(cè)試線由19個(gè)測(cè)試點(diǎn)構(gòu)成，邊緣2個(gè)測(cè)試點(diǎn)離芯片邊緣8 μm(相當(dāng)于光纖與芯片邊緣幾何關(guān)系為內(nèi)切)，其余17個(gè)測(cè)試點(diǎn)中有6個(gè)測(cè)試點(diǎn)與電極孔邊緣距離為8 μm(相當(dāng)于光纖與電極孔幾何關(guān)系為外切)，左邊1～5個(gè)電極孔其緊鄰的測(cè)試點(diǎn)與其右邊兩個(gè)點(diǎn)的間距為100 μm，第6個(gè)電極孔緊鄰點(diǎn)與其右邊1個(gè)點(diǎn)的間距也為100 μm。這樣選擇測(cè)試點(diǎn)的目的是便于中途校正測(cè)試位置的準(zhǔn)確性和避免累積誤差。

圖4中芯片邊緣兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)的光強(qiáng)始終較低，這可能與芯片邊緣有部分區(qū)域沒有反射鏡且側(cè)邊存在白墻膠反射有關(guān)，以下討論光強(qiáng)變化規(guī)律時(shí)均不含邊緣兩點(diǎn)。

從圖4(a)、(b)可以看出：(1)當(dāng)芯片工作電流為0.5～3 A時(shí)，a線和f線的藍(lán)光光強(qiáng)分布基本均勻，N電極孔和正負(fù)電極間隙對(duì)光強(qiáng)影響很微弱，f線光強(qiáng)均勻性比a線稍差。(2)當(dāng)電流為4～8 A時(shí)，隨著電流增大，光強(qiáng)分布出現(xiàn)明顯不均勻，電流越大光強(qiáng)不均勻性越明顯；f線光強(qiáng)不均性比a線顯著，f線的線內(nèi)差異達(dá)10%，a線光強(qiáng)差異在5%以內(nèi)，f線光強(qiáng)最強(qiáng)點(diǎn)比a線最低點(diǎn)光強(qiáng)大16%；離N電極孔越遠(yuǎn)的點(diǎn)光強(qiáng)越低，處在電極間隙區(qū)的N電極遠(yuǎn)端點(diǎn)的光強(qiáng)最低。(3)在0.5～8 A電流范圍內(nèi)，隨著電流加大，每條測(cè)試線的光強(qiáng)均升高。在0.5 A和1 A時(shí)，a線與f線光強(qiáng)差異較??；在2～8 A時(shí)，a線與f線光強(qiáng)差距隨著電流增大而加大；在接近8 A電流時(shí)，隨電流增減，光強(qiáng)分布線的線間距逐漸減小，a線的線間距小于f線，即a線光飽和趨勢(shì)更明顯。

圖4 器件頂面藍(lán)光光強(qiáng)均勻性隨電流的變化。(a)N電極孔之間的a測(cè)試區(qū)光強(qiáng)；(b)貫穿N電極孔的f測(cè)試區(qū)光強(qiáng)。

在0.5～3 A電流時(shí)，器件頂面的光強(qiáng)a線和f線光強(qiáng)分布均勻性均較好，同一條測(cè)試線在同一工作電流下其光強(qiáng)差異在3%以內(nèi)，此時(shí)光強(qiáng)最低位置基本均是N電極孔邊緣所對(duì)的測(cè)試點(diǎn)，這說明倒裝芯片的N電極孔在電流較小時(shí)，對(duì)光強(qiáng)均勻性的影響很小。N電極孔處是不發(fā)光的，且N電極歐姆接觸金屬的反射率低于P電極歐姆接觸銀反射鏡的反射率，電極孔緊鄰點(diǎn)光強(qiáng)與其他區(qū)域差異很小，與倒裝芯片的藍(lán)寶石襯底PSS(Patterned sapphire substrate)圖形防止藍(lán)光芯片的全反射以及P型歐姆接觸銀反射鏡對(duì)光線的多次反射有關(guān)[13]。

在0.5～3 A電流時(shí)，f線和a線總體而言比較平滑(各測(cè)試點(diǎn)光強(qiáng)差異小)，但兩者比較f線比a線稍顯粗糙(各測(cè)試點(diǎn)光強(qiáng)稍有波動(dòng))。兩條測(cè)試線均比較平滑說明此時(shí)光強(qiáng)分布均勻，電流擴(kuò)展情況良好。f線粗糙即各測(cè)試點(diǎn)光強(qiáng)波動(dòng)，與N電極孔有明確對(duì)應(yīng)關(guān)系，均是與N電極孔緊鄰的測(cè)試點(diǎn)光強(qiáng)稍低，這是由于N電極區(qū)不發(fā)光和反射率低所致。a線平滑是因?yàn)樗袦y(cè)試點(diǎn)均在銀反射鏡區(qū)。

當(dāng)電流為4～8 A時(shí)，隨著電流增大，光強(qiáng)分布出現(xiàn)明顯不均勻。此時(shí)，各測(cè)試點(diǎn)的光強(qiáng)與N電極孔的距離有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，離N電極孔越近的測(cè)試點(diǎn)其光強(qiáng)越大，離N電極孔越遠(yuǎn)的點(diǎn)光強(qiáng)越小。因此，本文把造成這一現(xiàn)象的原因歸結(jié)為芯片N型層在大電流工作時(shí)，電流擴(kuò)展不均勻?qū)е铝斯鈴?qiáng)分布不均勻。倒裝LED芯片的P型導(dǎo)電是靠P型歐姆接觸的銀反射鏡和阻擋層金屬實(shí)現(xiàn)，一般認(rèn)為倒裝LED芯片的P型電極不會(huì)出現(xiàn)電流擴(kuò)展不均勻問題；而N型導(dǎo)電電流是由電極孔流入氮化鎵LED薄膜的N型層，N型層存在橫向電阻，因此電流加大時(shí)會(huì)導(dǎo)致電流擴(kuò)展不均勻[14-15]。當(dāng)電流加大時(shí)，離N電極孔越遠(yuǎn)的區(qū)域，電流擴(kuò)展越困難，獲得的電流小導(dǎo)致光強(qiáng)低；而離電極孔近的區(qū)域，電流擴(kuò)展容易，獲得的電流大因而光強(qiáng)大。

當(dāng)電流為4～8 A時(shí)，f線光強(qiáng)不均勻性比a線顯著。這是因?yàn)閍線的測(cè)試點(diǎn)位于兩排N電極孔中間，所有a線測(cè)試點(diǎn)離N電極孔均較遠(yuǎn)，而f線的測(cè)試點(diǎn)均緊鄰或靠近N電極孔，f線上離N電極孔邊緣最遠(yuǎn)的測(cè)試點(diǎn)也比a線離電極孔最近的測(cè)試點(diǎn)要近，a線上離N電極孔邊緣最近的3個(gè)測(cè)試點(diǎn)的距離分別為130,140,174 μm，而f線上離N電極孔邊緣最近的3個(gè)點(diǎn)的距離分別為8，22，113 μm。當(dāng)電流加大，電流在LED發(fā)光薄膜N型層擴(kuò)展困難時(shí)，a線各測(cè)試點(diǎn)位置獲得電流的難度系數(shù)均較大，而f線各測(cè)試點(diǎn)僅有處在相鄰兩電極孔對(duì)稱中心附近的點(diǎn)(離對(duì)稱中心5 μm)電流擴(kuò)展困難，這就導(dǎo)致了f線的光強(qiáng)差異比a線顯著。

當(dāng)電流為4～8 A時(shí)，隨電流加大，各測(cè)試點(diǎn)的光強(qiáng)開始拉開差距，表現(xiàn)為離N電極孔越遠(yuǎn)的點(diǎn)光強(qiáng)越低，處在電極間隙區(qū)的N電極孔遠(yuǎn)端點(diǎn)的光強(qiáng)最低，a線和f線均是電極間隙處的近N電極孔對(duì)稱中心點(diǎn)光強(qiáng)最小。測(cè)試點(diǎn)離N電極孔距離越遠(yuǎn)，電流擴(kuò)展到此處越難，電流密度越低，因而測(cè)試點(diǎn)的光強(qiáng)越小。電極間隙區(qū)的測(cè)試點(diǎn)，一方面電流擴(kuò)展困難，另一方面導(dǎo)熱困難，雙重因素作用導(dǎo)致其在所有被測(cè)試點(diǎn)中光強(qiáng)最低，a線最低點(diǎn)相對(duì)光強(qiáng)為0.85，f線最低點(diǎn)為相對(duì)光強(qiáng)為0.91，二者相差6%的光強(qiáng)。正負(fù)電極間隙區(qū)域由于沒有與陶瓷基板直接接觸，該區(qū)域在發(fā)光時(shí)產(chǎn)生的熱量只能通過芯片的藍(lán)寶石襯底橫向傳導(dǎo)給芯片正負(fù)電極的共晶區(qū)域，再通過陶瓷基板傳導(dǎo)給銅凸臺(tái)基板和散熱器，因此電極間隙區(qū)的LED薄膜通電發(fā)光時(shí)其散熱條件比正負(fù)電極的共晶區(qū)要差。正因?yàn)閷?dǎo)熱和電流擴(kuò)展的雙重作用，導(dǎo)致了在8 A電流時(shí)a線的電極隔離區(qū)上測(cè)試點(diǎn)的光強(qiáng)在所有測(cè)試點(diǎn)中最低。由此可知，倒裝芯片陶瓷封裝的器件，芯片電極間隙區(qū)的存在是阻礙其向出光均勻的更高功率密度器件發(fā)展的主要原因之一。因此，為了獲得超高功率密度的LED發(fā)光器件，近年來陶瓷基板金錫共晶封裝的倒裝薄膜LED芯片和高功率密度激發(fā)的熒光材料成為了研究熱點(diǎn)[16]。

在0.5～8 A電流范圍內(nèi)，隨著電流加大，每條測(cè)試線的光強(qiáng)均升高。在0.5 A和1 A時(shí)，a線與f線光強(qiáng)差距較小；在2～8 A時(shí)，a線與f線光強(qiáng)差距逐漸拉大；在接近8 A電流時(shí)，隨電流增減，a線的線間距小于f線，即a線光飽和趨勢(shì)更明顯。7 A電流時(shí)的a線與8 A電流時(shí)的a線接近重合，而f線在該電流時(shí)其光強(qiáng)還有上升空間，即8 A時(shí)，a線光飽和，f線還未飽和，尤其是離電極孔較近的測(cè)試點(diǎn)。a測(cè)試線與f測(cè)試線的區(qū)別僅在于它們的測(cè)試點(diǎn)離電極孔的位置不同，器件在積分球中測(cè)試8 A電流時(shí)基本光強(qiáng)不增加，而f線8 A后離電極孔較近的點(diǎn)還有增加光強(qiáng)的空間。這說明，只要改變電極孔間距，該器件還有提高光密度的空間。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證當(dāng)電流增大時(shí)，器件頂面出光不均勻與探測(cè)點(diǎn)及N電極孔和電極間隙位置有關(guān)，本文分別選取了T1、T2、T3、T44個(gè)典型位置進(jìn)行微區(qū)發(fā)光測(cè)試。如圖2(d)所標(biāo)示，T1位于兩個(gè)電極孔連線的中間，T2是離電極孔的最遠(yuǎn)的發(fā)光點(diǎn)，T3也位于兩個(gè)電極孔連線的中間但靠近正負(fù)電極間隙區(qū)，T4是電極間隙區(qū)里離電極孔的最遠(yuǎn)點(diǎn)。

圖5是這4個(gè)微區(qū)的光強(qiáng)隨正向電流變化的I-L曲線。從圖5可以看出：(1)T1與T2比較，T1的光強(qiáng)明顯高于T2，電流越大，光強(qiáng)相差越大。這是因?yàn)門1距離N電極孔比T2更近，驅(qū)動(dòng)電流更容易擴(kuò)展到T1處，光強(qiáng)的不同是由于T1位置單位微區(qū)面積的電流大于 T2位置所致。這進(jìn)一步印證了微區(qū)測(cè)試位置與N電極孔距離不同是導(dǎo)致圖4中電流加大時(shí)頂面發(fā)光不均勻的主要原因之一。(2)T2與 T4比較，這兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)均是離N電極孔最遠(yuǎn)的點(diǎn)，但兩個(gè)點(diǎn)的散熱情況不同，T2處在電極共晶散熱區(qū)，T4處在只能靠襯底橫向散熱的電極間隙區(qū)。隨著芯片工作電流的加大，T2的光強(qiáng)比 T4大，電流越大相差越明顯，T2是由于T4點(diǎn)的正下方?jīng)]有與陶瓷基板共晶貼合，僅靠襯底橫向?qū)嵩斐蔁崃坷鄯e繼而導(dǎo)致電光轉(zhuǎn)化效率下降所致，這與圖4中的分析是相互印證的。在電流8 A時(shí)，T2與T4之間的光強(qiáng)差距小于T1與T2之間的差距，這說明在一定電流范圍內(nèi)，N電極孔間距的大小對(duì)頂面光強(qiáng)不均勻性的影響要大于電極間隙對(duì)其的影響。(3)T1與T3比較，這兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)與N電極孔的位置關(guān)系是一致的，但T3靠近電極間隙區(qū)。隨著芯片工作電流的加大，T1的光強(qiáng)明顯大于T3，電流越大光強(qiáng)相差越大。這是由于T3靠近電極間隙區(qū)，受到電極間隙區(qū)傳遞過來的熱量和自身發(fā)熱的影響，熱光損要大于T1點(diǎn)所致。(4)在圖3中器件的整體藍(lán)光光強(qiáng)在8 A電流時(shí)達(dá)到光飽和，而在圖5中芯片不同微區(qū)的發(fā)光測(cè)試中，有些位置點(diǎn)并沒有達(dá)到光飽和，圖4中離電極孔更近的距離光強(qiáng)更大，這說明針對(duì)高功率密度器件這一應(yīng)用方向，在芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面還有優(yōu)化空間。

圖5 與N電極孔距離不同的典型發(fā)光位置的藍(lán)光光功率隨正向電流變化(I-L)曲線

圖6是T1～T44個(gè)典型發(fā)光位置的EL光譜隨電流變化圖，從圖中可以看出4個(gè)典型位置的EL光譜在相同電流下均有所不同，電流較小時(shí)光譜差異較小，電流較大時(shí)光譜差異較大。圖7是4個(gè)典型發(fā)光位置的EL光譜峰值波長(zhǎng)隨電流的變化圖，從圖中可以看出4個(gè)測(cè)試點(diǎn)的峰值波長(zhǎng)均隨電流增加呈現(xiàn)先藍(lán)移后紅移的規(guī)律，電流0～3 A時(shí)峰值波長(zhǎng)呈現(xiàn)藍(lán)移，藍(lán)移幅度2 nm左右，3～8 A時(shí)呈現(xiàn)紅移，紅移幅度3 nm左右；4個(gè)微區(qū)測(cè)試點(diǎn)的峰值波長(zhǎng)在0.5 A電流時(shí)基本一致，在1～3 A時(shí)峰值波長(zhǎng)開始出現(xiàn)差異，在4～8 A時(shí)峰值波長(zhǎng)有較明顯差異。

圖6 4個(gè)典型發(fā)光位置不同電流的EL光譜

圖7 4個(gè)典型發(fā)光位置的峰值波長(zhǎng)隨電流的變化圖

電流增大峰值波長(zhǎng)藍(lán)移主要是由于芯片通電發(fā)光時(shí)，載流子注入LED發(fā)光薄膜，電子空穴的帶填充效應(yīng)、量子限制Stark效應(yīng)和熱效應(yīng)三者競(jìng)爭(zhēng)的綜合效果所致；波長(zhǎng)紅移主要是由于電流進(jìn)一步加大，器件發(fā)熱量增加引起發(fā)光阱層禁帶寬度減小所致[17-18]。對(duì)于外延結(jié)構(gòu)一致的實(shí)際器件而言，電流加大波長(zhǎng)藍(lán)移能反映芯片制造和器件封裝時(shí)引入的附加應(yīng)力對(duì)量子阱發(fā)光層的應(yīng)力的影響，波長(zhǎng)紅移能反映器件電流注入和散熱情況[17-18]。

從圖6中可以看出，T4點(diǎn)藍(lán)移程度最小，T1點(diǎn)藍(lán)移程度最大，T3點(diǎn)藍(lán)移程度較接近T4點(diǎn)，T2點(diǎn)藍(lán)移程度較接近T1點(diǎn)。在完成芯片與氮化鋁陶瓷基板金錫共晶結(jié)合后，陶瓷板面會(huì)朝芯片側(cè)稍有凹曲，這是由于氮化鋁的熱膨脹系數(shù)(4.5×10-6/K)小于芯片藍(lán)寶石襯底(5.8×10-6/K)所致，因此芯片會(huì)受到陶瓷板引入的張應(yīng)力。T1、T2、T3點(diǎn)與陶瓷板面的銅線路層形成了金錫共晶結(jié)合，50 μm厚度的銅線路層的熱膨脹系數(shù)大于藍(lán)寶石襯底，因此在共晶區(qū)會(huì)抵消一部分芯片受到的陶瓷板引入的張應(yīng)力，而電極間隙區(qū)沒有與陶瓷基板金屬線路層形成共晶結(jié)合，因此芯片電極間隙區(qū)的T4點(diǎn)受到的來自陶瓷板的張應(yīng)力最大。芯片受到外加張應(yīng)力后，LED發(fā)光薄膜的阱層受到的壓應(yīng)力會(huì)減小，阱層的能帶傾斜就會(huì)減弱，電子空穴注入的帶填充效應(yīng)相應(yīng)減弱，即電流加大發(fā)光波長(zhǎng)藍(lán)移程度減弱，這可能就是T4點(diǎn)藍(lán)移程度最弱的原因之一；同時(shí)也與電極間隙區(qū)散熱條件差有關(guān)，在電流較大時(shí)熱效應(yīng)引起的紅移抵消了部分藍(lán)移。T1、T2、T3點(diǎn)均會(huì)由于與銅線路層形成了共晶結(jié)合而抵消部分來自陶瓷板的張應(yīng)力，其中T2比T1藍(lán)移程度稍弱，可能與它距離N電極孔最遠(yuǎn)、實(shí)際注入的電流稍小有關(guān)。T3與T1藍(lán)移程度不同，可能與T3位置會(huì)受到來自電極間隙區(qū)橫向傳導(dǎo)的熱量影響有關(guān)。

大電流工作時(shí)，藍(lán)光芯片波長(zhǎng)紅移主要是熱效應(yīng)引起阱層禁帶寬度變小所致。從圖6中可以看出，T4點(diǎn)峰值波長(zhǎng)紅移程度大于其余三點(diǎn)，這與其處在沒有形成共晶結(jié)合的電極間隙區(qū)有關(guān)；T3點(diǎn)靠近電極間隙區(qū)，其散熱條件好于T4點(diǎn)，但比T1和T2散熱條件差，因此其紅移程度大于T1和T2，小于T4；T1和T2峰值波長(zhǎng)紅移程度不同可能與其電流注入密度不同有關(guān)。峰值波長(zhǎng)移動(dòng)情況的分析與前面的結(jié)果是相互印證的。

3.3 白光器件頂面相對(duì)光通量均勻性隨電流的變化

圖8(a)是白光器件c測(cè)試區(qū)相對(duì)光通量隨電流的變化，圖8(b)是該器件在3.5 A電流時(shí)5個(gè)測(cè)試區(qū)的相對(duì)光通量比較圖。

從圖8(a)可知,電流在0.5～3.5 A范圍內(nèi)，白光的光通量曲線平滑，當(dāng)工作電流加到4 A時(shí)，仍未出現(xiàn)相對(duì)光通量分布不均勻的情況，僅電極間隙區(qū)域正對(duì)的位置光通量稍有降低。當(dāng)工作電流加大到4.5 A時(shí)，熒光膠層開始出現(xiàn)燒焦碳化現(xiàn)象，表現(xiàn)為位置10的相對(duì)光通量較明顯下降，因此白光測(cè)試電流最大為4.5 A，討論范圍為4 A以內(nèi)。熒光膠層不能抗大電流，白光器件比藍(lán)光器件提前出現(xiàn)光飽和，在圖3的分析中已討論，在此不再贅述。

從圖8(b)可看出，在3.5 A電流時(shí)，不同測(cè)試區(qū)的相對(duì)光通量基本一致。一方面是因?yàn)樗{(lán)光器件在電流小于4 A時(shí)其器件頂面出光均勻，另一方面是熒光粉會(huì)對(duì)光起散射作用，所以使得具有熒光粉硅膠層的白光器件頂面出光更均勻[19-20]。

圖8 白光器件相對(duì)光通量的均勻性隨電流的變化。(a)c測(cè)試區(qū)域的均勻性隨電流變化圖；(b)不同測(cè)試區(qū)3.5 A電流時(shí)相對(duì)光通量對(duì)比圖。

4 A電流時(shí)電極間隙區(qū)的白光相對(duì)光通量稍有下降，是因?yàn)樵撎幍纳崆闆r稍差、熒光粉的熱光損稍大所致，這與熒光膠層在電流進(jìn)一步加大時(shí)其燒焦碳化位置總是從電極間隙區(qū)正對(duì)的位置開始是相互印證的。

本文基于硅膠熒光粉封裝的白光器件，在4.5 A電流時(shí)其熒光層即開始失效，而倒裝藍(lán)光芯片在8 A電流時(shí)還能持續(xù)穩(wěn)定工作，因此無法探知該白光器件在更大電流更高功率密度情況下頂面發(fā)光的均勻性。目前限制高功率密度白光器件向更高功率密度更大瓦數(shù)發(fā)展的瓶頸是缺乏與高功率密度藍(lán)光器件相匹配的熒光材料和灌封材料[5,21]。利用新興材料熒光陶瓷片和熒光玻璃片將本文藍(lán)光器件封裝成白光器件，它能否在更大電流、更高功率密度情況下穩(wěn)定工作，并保持器件頂面發(fā)光均勻，有待進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié) 論

為了探究高功率密度LED器件能否在頂面出光均勻情況下朝更高功率密度、更大瓦數(shù)發(fā)展的思路，本文研究了大功率倒裝LED芯片陶瓷封裝器件頂面微區(qū)發(fā)光的均勻性。在3.5 mm×3.5 mm的氮化鋁陶瓷基板上共晶了1.905 mm×1.830 mm(75 mil×72 mil)的倒裝藍(lán)光芯片，然后制作成藍(lán)光器件和白光器件，并對(duì)器件頂面微區(qū)發(fā)光均勻性隨電流的變化進(jìn)行了研究。研究結(jié)論為：藍(lán)光器件不同微區(qū)的光強(qiáng)及其一致性與測(cè)試點(diǎn)離N電極孔的距離密切相關(guān)；當(dāng)電流逐漸加大到8 A時(shí)，離N電極孔越遠(yuǎn)的區(qū)域越容易達(dá)到光飽和，離N電極孔越近的區(qū)域其微區(qū)光強(qiáng)越大越不易光飽和；離N電極孔最遠(yuǎn)的測(cè)試點(diǎn)是大電流工作情況下光強(qiáng)最低的點(diǎn)，處在電極間隙區(qū)的N電極遠(yuǎn)端點(diǎn)的光強(qiáng)最低；白光器件在0～4 A電流時(shí)，其頂面相對(duì)光通量分布均勻。本研究可為高功率密度LED器件的研究提供一定的實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)支撐。

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