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功率型LED结温文热阻在不同电流下性质研讨
  全球照明协会标明在不远的将来,大功率发光二极管(Powerlight-emittingdiodes)将在普通照明范畴起到至关重要的作用。自1994年以来,大功率LED得到迅猛开展,现已在诸多范畴(如路灯、汽车尾灯、LCD背光源等)取代了传统光源。近年来,LED技能的开展更是日新月异,其光效的提升和器材成本的下降遵守类似于摩尔定律的海茨(Haitz)定律,即LED价格每10年下降为本来的1/10,性能则进步20倍。
  国际上LED技能正在向大功率、高亮度、高功率、低成本方向开展。功率LED的光学特性和电学特性强烈依赖于结温。跟着LED功率的增大,过高的结温会影响LED的寿命和可靠性,散热问题变得日益严峻。因而,了解功率LED结温文热阻的改变特性就变得尤为重要。文中经过正向电压法和红外热像仪法,对功率LED的结温文热阻随电流的改变特性进行了研讨。
  1、功率LED结温丈量办法
  按规范,热阻的一般定义是:在热平衡的条件下,两规定点(或区域)温度差与发生这两点温差的耗散功率之比(单位°C/W或K/W)。热阻的巨细直接影响LED的寿命、出光率、发光强度等。关于LED,因为热源在pn结处,其最高温度通常指pn结的温度,即结温Tj,它也是影响LED可靠性的重要参数。目前比较老练的结温丈量办法有红外热像仪法和正向电压法(又称规范电学法)。红外热像仪法经过丈量器材作业时芯片外表的红外辐射给出芯片外表的二维温度散布,以此来表征结温及其散布,这种办法只能丈量未封装的器材,对成品器材则需求开封才能丈量。正向电压法是一种非破坏性的芯片温度丈量办法,与红外热像法比较正向电压法具有灵敏度高、丈量敏捷、试验成本低廉等长处。
  2、试验样品
  所测验的样品,均为路灯和夜景照明用功率LED,包括1WInGaN蓝色、绿色LED、1WAl-GaInP赤色、橙色LED以及1W、3W蓝宝石衬底InGaN白光LED,一切色彩芯片均用金属铝做散热基板资料。1W样品为一个1mm×1mm芯片。3WLED为两个1W芯片并联结构,白光是经过在In-GaN蓝光LED外表涂敷YAG荧光粉实现。
  3、试验及成果剖析
  测验时环境温度设置为25°C,驱动电流从100mA上升到1A,添加间隔为100mA。
  3.1正向电压法丈量热阻剖析
  图1是环境温度为25°C,1WAlGaInP赤色和橙色LED的热阻随驱动电流的改变趋势图。由图1可知,功率为1W的AlGaInP赤色和橙色LED热阻均随驱动电流的添加而增大,在相同驱动电流下,橙色AlGaInPLED的热阻值要高于赤色LED。在驱动电流的改变过程中,橙色LED的热阻值从10.28°C·W-1上升到15.05°C·W-1,赤色LED热阻值从9.85°C·W-1增大到13.25°C·W-1。形成此种差异的原因是因为在相同的输入功率下,橙色LED的电光转化功率低于赤色LED形成的,亦即在相同注入电流时,AlGaInP橙色LED比赤色LED有更高的结温。
  是环境温度为25°C,1WInGaN绿色和蓝色LED的热阻随驱动电流的改变趋势图。从图中可以看出,InGaN绿色和蓝色LED的热阻相同随驱动电流的添加而变大,其间蓝光LED的热阻值由10.02°C·W-1上升为21.57°C·W-1,而绿光的热阻值由13.74°C·W-1上升为17.68°C·W-1,其改变起伏较蓝光LED要小。蓝光LED在大于额外作业电流350mA的驱动电流下作业时,热阻的改变趋于平缓,因为器材在大于额外电流下作业时,器材内部的各种缺陷、资料的不匹配度等达到了安稳值,电流的添加对他们的影响不像小电流阶段那么明显了(除非电流加到足以使LED内电极翘起、金线熔断),导致随驱动电流的添加,器材内部阻止暖流传导到外部的妨碍并没有太大改变。文中以为热阻的升高可能是因为大电流导致的电流拥堵效应,电流拥堵效应又导致了电光转化功率的削减(辐射复合区域削减),尽管输入的电功率有所添加,但跟着电流添加,输出的光功率却削减了,并终究导致了热阻的上升。
  环境温度为25°C,1WInGaN白色和蓝色LED的热阻随驱动电流的改变趋势图。尽管白光LED要比蓝光LED多出一层YAG荧光粉,但如图3所示,二者的热阻值差异不大,标明YAG荧光粉并未严重影响1W白光LED的散热,功率LED的内部热量靠辐射发出的很少,首要仍是靠芯片传导到衬底,衬底传导到铝基板的方式发出到外部的。
  3W白光LED热阻随驱动电流改变的趋势图,其间,图4(a)是美国照明研讨中心的Jayasinghe等人在环境温度25°C时测得的3W白光LED热阻在不同驱动电流下的改变趋势图,图4(b)是在相同环境温度下测得的3WInGaN基白光LED热阻趋势图。两种试验用的LED芯片巨细相同,但美国照明研讨中心所丈量的管子比笔者的封装要大些。图4(a)中驱动电流从100~800mA改变时,热阻值由8°C·W-1上升到15°C·W-1,在相同的电流改变规模内,图4(b)热阻值由7.5°C·W-1上升至19°C·W-1,差异较小,阐明我国大功率白光LED开展敏捷,其散热性能现已比较好。
功率型LED结温文热阻在不同电流下性质研讨
  InGaN基白色和蓝色LED热阻改变趋势图
  3.2正向电压法丈量结温剖析
  表1是环境温度25°C,驱动电流改变规模从100~1000mA时,不同色彩1W功率LED在相应电流下的结温。从表中可以看出,各种色彩的功率LED结温均随驱动电流的添加而上升。剖析以为,跟着驱动电流的加大,会导致LED内部发生电流拥堵效应,电流拥堵会导致光输出功率的削减(辐射复合削减),因而导致结温上升,而结温的升高会导致LED资料热导率的改变。一些小组研讨得出GaN导热系数在25~175°C时从2.50W/(cm·K)下降到1.75W/(cm·K)[4];其他人研讨说温度从25~125°C时,GaN导热系数由2.0W/(cm·K)下降至1.6W/(cm·K)[5]。反过来,资料导热系数的下降又会限制LED的热传导,进一步进步LED结温,如此彼此限制,甚至会形成恶性循环。另外,过大的电流还会导致LED各接触层之间失配度的改变、焊料的退化等,也会导致LED温度的升高。
  正向电压法测得的各种色彩1W功率LED在不同驱动电流下的结温值
  表1:正向电压法测得的各种色彩1W功率LED在不同驱动电流下的结温值
  其次,从表中可以看出,由AlGaInP资料制造的赤色、橙色LED结温在相同驱动电流下结温差距不大,由InGaN资料制造的蓝色、绿色、白色LED的结温也很类似,而由AlGaInP资料制造的LED的结温要远远低于InGaN资料制造的LED。这是因为资料禁带宽度差异,在相同输入电流下InGaN资料制造的LED电压值要高于AlGaInP资料制造的赤色、橙色LED,尽管InGaN资料LED的光电转化功率要高些,但其电功率转化成热功率的值仍要大于Al-GaInP赤色、橙色LED。即在相同驱动电流下,In-GaN资料LED发生的热功率要大于AlGaInP资料的赤色、橙色LED。并且,因为InGaN资料的P型掺杂浓度低于AlGaInP资料,导致InGaN芯片的串联欧姆电阻要大于AlGaInP资料的串联欧姆电阻,大电流条件下串联欧姆电阻发生的热量[7]也是导致两种芯片LED结温不同的重要因素。
  再次,AlGaInP资料制造的赤色LED的结温要低于相同芯片资料的橙色LED,反证了文中关于图2
  的解说是合理的。
  3.3正向电压法、红外热像仪法比较
  选用试验室克己的1mm×1mm芯片进行了正向电压法和红外热像仪法丈量结温的办法比较。图5是两种办法测得的1W蓝光LED在不同驱动电流下的结温改变曲线。由图可以看出,两种办法测得的结温值基本相同,无论哪种办法,结温均随驱动电流的添加而增大。正向电压法得到的是平均温度效应。比较之下,红外热像仪法可以方便地获取器材外表的温度散布图像,展示芯片质量的全局概略,并能清晰显现出可能导致器材热失效首要因素——热斑的散布密度,尤其近些年来,经过结合现代高速开展的计算机技能、微电子技能和图像处理技能,光学测温技能的灵敏度、精度、安稳性和自动化程度都得到了大起伏进步,其应用范畴也越来越广泛。但其缺陷是只能丈量未封装的暴露芯片,封装后的芯片必须拆封后才能进行丈量,并且丈量仪器贵重。
  使用红外热像仪测得的蓝光LED在驱动电流为800mA时的外表温度散布图。由图可以看出,该种倒装结构的大面积区域温度散布比较均匀,最高温度为79.37°C,首要集中在N型电极压焊点邻近的P区。最低温度为70.43°C,温差较小,首要原因是这种LED芯片选用了环形插指电极结构减小了电流扩展路径,使电流在N型区活动的横向电阻减小,发生热量下降,所以器材温升小。
  4、结论
  经过对不同驱动电流下各种色彩LED结温文热阻的丈量发现,任何色彩LED的热阻均随驱动电流的添加而变大,其间InGaN资料的蓝光、白光LED在小于额外电流下作业时,热阻上升敏捷;驱动电流高于额外电流时,热阻上升速率变缓。其他色彩LED热阻随驱动电流改变速率基本不变。结温也会随驱动电流的添加而变大。相同驱动电流下,由AlGaInP资料制造的赤色、橙色LED结温要低于In-GaN资料的蓝色、绿色、白色LED的结温。比较了正向电压法和红外热像仪法测得的蓝光LED结温值,剖析了两种办法的优缺陷。成果标明,红外热像仪法可以直观地反映芯片的最高温度区域,器材的失效终究仍是由最高温度决定的;但正向压降法测得的结温与红外法不同不大,作为一种方便方便非破坏性的办法,可以首要被普遍选用。