近紫外LED封裝器件的熱穩定性及可靠性

樊嘉杰， 曹建武， 劉 杰， 經 周， 孫 博， 胡愛華

(1. 河海大學 機電工程學院， 江蘇 常州 213022； 2. 常州市武進區半導體照明應用技術研究院， 江蘇 常州 213161；3. 廣東工業大學 電子信息工程學院， 廣東 廣州 510006； 4. 福建鴻博光電科技有限公司， 福建 福州 350008)

1 引 言

隨著芯片制造和封裝技術越來越成熟，紫外發光二極管(紫外LED)在醫療、國防及傳感等超越照明領域展示出了特殊的應用優勢。然而，這些應用領域對紫外LED的熱穩定性以及長期可靠性提出了更高要求。其中，溫度對紫外LED封裝器件的光-熱特性和可靠性的影響顯著，直接影響了LED的出光效率、器件壽命及發射波長等[1-2]。具體而言，隨著溫度升高，紫外LED的光學性能會顯著下降。影響該熱穩定性的因素一般包括：襯底導熱系數、器件電流密度以及非輻射復合效應(如小波段多量子威爾斯偏移、注入效率、位錯密度等[3-4])等。因此，國內外研究人員在該方面開展了大量研究。例如，Lee等通過分析InN/GaN近紫外LED在不同驅動電流和散熱器溫度下的光譜特性發現：在高驅動電流條件下，光致熱效應與器件性能退化密切相關[5-6]。Cao等研究了深紫外LED的溫度和電流特性，發現在室溫條件下紫外LED的內量子效率不足5%，但隨著溫度降低，量子阱輻射強度會逐漸增加[7]。

為了提高LED封裝器件的散熱性能，降低其結溫，現有研究主要采用實驗測量方法分析了LED封裝結構和材料對結溫的影響。鄒水平等采用導熱性能更好的襯底材料和焊接材料來提高散熱能力[8]。王軍喜等通過分析發現采用藍寶石襯底可以提高紫外光的透光率，而硅襯底對光的吸收能力隨溫度的上升而增強[9]。李楊等采用共晶鍵合方式將芯片PN結與基板正負極連接，測試結果發現該封裝形式的散熱性能優于傳統正裝型封裝[10-11]。

然而，現有研究大都只針對同一種特有封裝形式的紫外LED的光熱特性進行分析研究。很少對比分析不同封裝結構和材料對紫外LED熱穩定性及可靠性的影響。本文采用仿真和實驗相結合的方法研究3種不同封裝結構近紫外LED封裝器件的熱穩定性和可靠性。具體而言，首先，測量了不同電流和不同基板溫度下，近紫外LED封裝器件的光、熱特性。其次，基于3種樣品的高溫老化可靠性測試結果，討論了具有不同封裝結構的紫外 LED封裝器件的光-色性能隨老化時間的變化規律。

2 LED電-光-熱耦合理論模型

2.1 正向壓降與結溫的關系Vf-T

對于LED而言，其正向壓降與其結溫一般滿足線性關系，如公式(1)所示[12]：

(1)

其中，A為常數，與所摻雜質的濃度及PN結的種類和大小有關，EG(T)是半導體的能帶寬度。

2.2 峰值波長與結溫的關系λ-T

LED峰值波長與結溫的關系如公式(2)所示[13]：

λ(T2)=λ(T1)+ΔTK，

(2)

其中，λ(T2)是結溫為T2時的波長，λ(T1)是結溫為T1時的波長，K是波長隨溫度變化的系數。隨著結溫的升高，峰值波長將發生“紅移”[14-15]。

2.3 光通量、輻射功率與結溫的關系φ,Φ-T

LED光通量、輻射功率與結溫的關系為[14]：

φ(T2)-φ(T1)=e-knΔT，

(3)

式中，φ(T2)代表結溫T2時的光通量輸出，φ(T1)代表結溫T1時的光通量輸出，kn為溫度光效系數，ΔT為結溫差值。LED光通量與輻射功率的關系為：

(4)

式中，Km代表人眼對色彩的感知能力，λ為波長，V(λ)為光譜光效率函數值，Φeλ為輻射功率。

2.4 光通量維持率與結溫的關系φ-T

在恒流條件下，根據能量守恒定律，LED將輸入電能轉換為光和熱。LED輸入功率Qin等于輻射功率Qra與熱功率Qth之和[16]：

Qin=Qra+Qth，

(5)

對于LED封裝，其熱阻與結溫的關系表達式如公式(6)所示[17]：

Tj=RVfηIf+Ta,

(6)

式中，Tj為結溫，Ta為環境溫度，Qth為熱功率，η為熱轉換效率。由關系式(6)可得結溫Tj與驅動電流If成正比關系，并隨著Ta增加而增大。

隨著LED的老化，LED光通量維持率呈指數衰減關系[18]：

φ(t)=βe-αt，

(7)

式中，φ(t)為歸一化光通量維持率，β為擬合常數，理論上等于1，α為光通量維持率衰減因子。其中LED衰減速率與結溫隨溫度符合 Arrhenius 關系：

(8)

其中，Ea為激活能，A為前指因子，k為波爾茲曼常數。

由公式(1)～(8)可知，LED的光-色性能參數及光通量維持率壽命均受結溫影響。

3 實驗方法

本文選取了3種不同封裝結構的近紫外LED封裝器件作為研究對象，具體信息如表1所示。各樣品的封裝結構如圖1所示。樣品1為正裝封裝形式，其芯片襯底材料為硅，電極材料為銅，熱

表1 近紫外LED封裝樣品信息

圖1 測試樣品的封裝結構圖。(a)樣品1；(b)樣品2；(c)樣品3。

Fig.1 Packaging structures of test samples. (a) Sample 1. (b) Sample 2. (c) Sample 3.

沉材料為鋁，基板材料為鋁。樣品2也為正裝封裝形式，其芯片襯底材料為鉬，電極材料為銅，熱沉材料為氧化鋁，基板材料為鋁。樣品3為倒裝封裝形式，其芯片襯底材料為藍寶石，電極材料為銅，基板材料為陶瓷。

為了研究不同封裝結構近紫外LED封裝器件的光-熱穩定性，本文選取了5個溫度水平(30～70 ℃)和5個電流水平(150～550 mA)為實驗條件，分別測量3種樣品在每種條件下的光、電、熱參數。

首先，本文采用正向電壓法測量了不同條件下樣品的結溫。結溫測試平臺如圖2所示，其中包括結溫測試儀、恒溫箱、直流電源、熱控制平臺等。本文同時采用有限元熱仿真模擬方法計算樣品的理論結溫，用以驗證實驗測量結果的準確性。

圖2 LED結溫測試平臺

其次，采用光電參數測試系統測量了不同條件下樣品的光電參數。如圖3所示，該測量系統由積分球、可編程直流電源、溫度控制臺和數據采集系統組成。測量時，將近紫外LED樣品固定在控溫平臺上，放置在積分球內。通過控溫平臺控

圖3 光電參數測試系統

圖4 恒溫老化可靠性測試設備

Fig.4 Constant temperature aging reliability test equipment

制樣品的基板溫度，通過可編程電源設置樣品驅動電流。點亮樣品，當溫度達到穩定狀態時，通過積分球測量光電參數，包括光通量、輻射功率、正向電壓等。

最后，為了研究不同封裝器件的可靠性，本文對3種不同封裝結構紫外LED樣品進行了55 ℃條件下的恒溫老化實驗。老化裝置如圖4所示。老化過程中每隔168 h取出樣品測量其光通量、輻射功率、色坐標x和y、半波寬等參數。

4 結果分析與討論

本節通過仿真和實驗相結合的方法，對比分析不同封裝結構對近紫外LED封裝器件的光-熱特性及可靠性的影響。

4.1 結溫仿真與測試結果分析

首先，采用ANSYS有限元仿真方法對近紫外LED封裝樣品進行了熱仿真模擬分析。如圖5所示，分別構建3種測試樣品的三維模型，該模型包括近紫外LED封裝器件和梅花形測試基板。模型中零件的材料參數如表2所示。

本文根據結溫測試中設定的測試條件選取樣品的輸入電功率。考慮LED中大部分能量轉換為熱，本文假設80%的輸入電功率被轉換為LED芯片等效熱功率，再根據芯片尺寸和等效熱功率計算芯片上的熱生成率。通過改變熱生成率命令來模擬不同輸入功率和基板溫度負荷條件下樣品的溫度分布。圖6為基板溫度為30 ℃和輸入電流為350 mA條件下3種樣品的熱仿真溫度分布圖。

然后，我們采用電壓法測量樣品在不同驅動電流和基板溫度下的結溫值，并與有限元仿真模擬結果進行對比。如圖7所示，實線代表有限元仿真結溫值隨電流的變化，虛線代表采用電壓法測試結溫隨電流變化。由圖可知：一方面，結溫

圖5 紫外LED樣品的三維模型。(a)樣品1；(b)樣品2；(c)樣品3。

Fig.5 3D models of UV LED samples. (a) Sample 1. (b) Sample 2. (c) Sample 3.

表2 紫外LED樣品內部封裝材料的熱導率

Tab.2 Thermal conductivity of packaging materials for UV LED samples

材料熱導率/(W·m-2·K-1)硅1.48×102鋁2.00×102陶瓷2.00×101藍寶石5.00鉬1.40×102硅膠1.50銅3.83×102

隨著驅動電流增加呈線性增加趨勢，這與理論模型(公式6)相符；另一方面，電壓法測量結果與仿真結果相比，差值較小。仿真溫度比實測溫度略高的原因可能是建模過程中忽略了一些影響較小焊接材料，簡化了模型。實際測量過程中，焊接材料中含有金、銀等高熱導率材料，所以散熱性能好。綜合而言，仿真結果與測試結果是相符的。

根據結溫的仿真和實驗結果，本文可以計算3種樣品從PN結到基板的熱阻值，如表3所示。從表中可以看出：首先，樣品1的熱阻最小，這說明采用金屬鋁基熱沉有助于提高封裝散熱性能；其次，樣品3為倒裝封裝形式，封裝結構和材料較傳統正裝封裝精簡，導致熱傳導途徑較短，因此其熱阻值較樣品2的熱阻小。

圖6 樣品在基板溫度為30 ℃和電流為350 mA條件下的熱仿真云圖。(a)樣品1；(b)樣品2；(c)樣品3。

Fig.6 Simulated thermal distribution sample under the condition of the substrate temperature as 30 ℃ and the current as 350 mA. (a) Sample 1. (b) Sample 2. (c) Sample 3.

圖7 樣品在不同驅動電流和基板溫度下的結溫測試結果與仿真結果對比。(a)樣品1;(b)樣品2;(c)樣品3。

Fig.7 Test results of the junction temperature under different driving current and substrate temperature are compared with the simulation results. (a) Sample 1. (b) Sample 2. (c) Sample 3.

表3 熱阻的仿真和測試值

4.2 溫度對正向電壓和輻射功率的影響

圖8為本文所選3種近紫外LED的正向電壓和輻射功率測量值在不同基板溫度條件下的變化曲線。從圖中我們可以看出，隨著溫度的升高，所有樣品的正向電壓有明顯下降趨勢，且所有樣品的輻射功率也出現下降。該結果表明，紫外LED的光電性能受溫度影響較大。由公式(3)中溫度Droop效應可知：結溫越高，ΔT越大，LED的輻射功率越小。引起這種溫度效應的主要原因是溫度升高，導致帶隙收縮、電子與空穴分離，從而使內部量子效率降低，并導致電光轉換效率下降。對比不同封裝形式，我們可以發現：樣品3的輻射功率比樣品1和樣品2高，這說明采用倒裝封裝形式可以增加出光效率。隨著溫度升高，樣品1的輻射功率下降幅度最大，表明其輻射功率的熱穩定性較差。

圖8 溫度對正向電壓和輻射功率的影響

Fig.8 Effect of temperature on forward voltage and radiation power

4.3 溫度對光譜功率分布的影響

本文還對所選3種近紫外LED在相同額定電流、不同基板溫度條件下的光譜功率分布進行測量，并分析了峰值波長和半波寬的變化。如圖9所示，隨著溫度升高，所有樣品的峰值波長發生了“紅移”現象，這與理論模型相符(公式(2))。該“紅移”現象是量子限制斯塔克效應、帶填充效應、熱效應和帶隙窄化等相互競爭的結果。其中，帶填充效應和熱效應是主要影響因素。帶填充效應一般引起峰值波長藍移，而熱效應則引起峰值波長紅移。另外，從圖9可知，所有樣品的半波寬隨著溫度的升高并沒有明顯的變化，這說明所選近紫外LED封裝器件在該溫度條件下具有良好的色純度。

圖9 溫度對光譜功率分布的峰值波長和半波寬的影響

Fig.9 Effect of temperature on peak wavelength and full width at half maximum(FWHM) of the spectral power distribution

4.4 恒溫老化測試及可靠性分析

本文對3種不同封裝結構近紫外LED樣品進行了55 ℃恒溫和350 mA額定電流條件下的老化實驗，老化時間持續近1 200 h。圖10分別顯示了3種樣品的光通量和輻射功率、色坐標x和y的平均值隨老化時間的變化規律。

圖10 (a)恒溫老化測試中平均光通量和平均輻射功率衰減；色坐標x(b)與色坐標y(c)隨時間的變化。

Fig.10 (a) Degradations of averaged luminous flux and averaged radiative power under the constant temperature ageing test. Shifts of color coordinatesx(b) andy(c) with time.

4 結 論

本文研究了具有不同封裝結構的近紫外LED封裝器件性能的熱穩定性和可靠性。首先，采用正向電壓法測量和ANSYS有限元模擬兩種方法研究了3種近紫外LED封裝器件的熱性能，結溫仿真結果與測試結果具有較好的一致性。其次，對其進行光電特性參數測試，研究輻射功率、正向電壓、峰值波長和半波寬等參數隨結溫的變化關系。最后，通過恒溫老化試驗研究光通量、輻射功率、色坐標參數隨老化時間的變化規律。研究結果表明：(1)結溫對近紫外LED封裝器件的發光性能影響較大，在高溫高電流條件下，結溫顯著升高會導致輻射功率下降和峰值波長紅移；(2)與正裝結構相比，倒裝近紫外LED封裝器件的光輸出性能不僅具有較高的瞬態熱穩定性，還具有較好的長期可靠性。