LED熱分析測試和熱管理技術研究進展

劉 波，鄭 偉，李海洋，朱欣贇，馬 超

(上海市計量測試技術研究院，上海 201203)

引言

發光二極管(Light Emitting Diode, LED)具有高光效、快啟動、長壽命、高可靠性和節能環保等優點，已在照明和指示領域得到廣泛應用，被譽為新一代照明光源[1]。典型的單個LED芯片功率約為1 W，通常將數個乃至數百個芯片組成LED燈具，以滿足不同場合的照明需要。鑒于LED對人類社會的貢獻，2014年諾貝爾物理學獎授予了三位發明高效GaN藍光LED的科學家[2]。目前照明用LED電光轉化效率已超過40%[3]，其余的電能轉化成熱能。如果熱量不能及時散出，則芯片結溫升高，從而影響LED器件的工作性能，導致諸如波長紅移、發光效率下降、發光強度降低、壽命縮短及色溫質量下降等問題。隨著單個LED芯片功率的不斷攀升，散熱問題已成為制約其產業發展的主要瓶頸，因此LED器件的熱管理與熱分析測試是其封裝與應用的關鍵技術。

本文綜述了LED熱管理與熱分析測試技術的研究進展。首先介紹了LED熱量生成機理及相應的抑制技術，隨后分析了LED結溫的測試方法和熱阻結構函數分析的關鍵算法，并比較了不同方法的適用范圍和優缺點，最后基于LED傳熱強化技術討論了LED熱分析與熱管理的發展趨勢。

1 LED芯片的熱生成與抑制技術

LED芯片是LED模塊中將電能轉化為光能的功能核心部件，其三種常見的架構如圖1所示。LED發光過程也會伴隨產生熱量，包括電子和空穴復合過程中產生的非輻射熱、電子和空穴運動過程產生的焦耳熱[3]。此外部分光子在傳輸過程中被吸收而轉化成熱能。

圖1 三種LED芯片架構示意圖①Fig.1 Structure of the three kinds of LED chip

1)非輻射復合。在電場的驅動下，電子和空穴相對運動，在多量子阱中發生電子空穴對的復合。復合通過具體躍遷過程實現，根據躍遷中釋放或吸收能量和動量的形式，可以分為輻射復合和非輻射復合。電子和空穴發生輻射復合而發射出光子，實現電能向光能轉化，這是LED的工作機理。非輻射復合釋放的能量，如聲子，導致晶格原子振動，產生熱量。研究表明，GaN材料與藍寶石襯底之間存在較大的晶格失配，導致LED外延層及有源發光區中存在較高濃度的非輻射復合缺陷。這些缺陷中心俘獲或釋放載流子，對LED電學和光學特性有重要影響，是LED結溫升高、性能老化的根源[4]。因而應盡量減少產生非輻射復合中心的晶體缺陷及雜質濃度，以減少非輻射復合過程[5]。

2)電流擁擠效應。傳統的GaN基LED襯底一般采用絕緣藍寶石，其p型和n型接觸電極制作在外延片的同一側，見圖1(a)。由于n型GaN層的橫向電阻遠比p型歐姆接觸層的電阻大，因而在實際器件內部不同路徑上傳輸的橫向電流密度不同，導致靠近n型電極的臺面邊緣電流密度大于靠近p型電極焊盤的地方，即電流擁擠效應，造成產生的熱量集中影響器件可靠性和發光性能[6]。對大面積大功率器件而言，電流擁擠會更嚴重。如何使電流均勻擴展一直是國內外研究者關注的問題，研究表明，電極結構極大地影響著LED芯片的電流擴展能力，因而優化電極結構，能夠緩解電流擁擠效應[7]。在p電極歐姆接觸層的正下方制備結構優化的電流阻擋層，減小電流在電極正下方的聚集，也能有效改善電流擁擠效應[8，9]。

3)電子溢出。由于p型GaN的空穴濃度以及空穴遷移率和n型GaN的電子相比差別很大，造成LED載流子注入不對稱，注入到量子阱的部分電子會溢出至p區，使LED的效率大幅下降[10]。在發光復合區與p型GaN之間設置電子阻擋層，通過較寬的禁帶寬度，將電子阻擋在發光復合區的多量子阱內，以克服大電流注入條件下，電子溢出導致的發光效率衰減等問題[11]。對電子阻擋層的優化能夠進一步減少電子溢出[12]。

4)光線吸收。LED芯片的輻射光和熒光粉的激發光需要經過芯片、熒光粉膠、封裝膠和透鏡等光學元件才能輻射到環境中去。材料吸收光線會生成熱量，熒光粉在光轉化過程中由于非輻射躍遷和Stokes損失也會生成熱量。有效的光學設計能減小光線在封裝材料中的傳播光程，是提高光效、減少熱量生成的關鍵。LED封裝模塊內主要存在芯片-熒光粉膠和熒光粉膠-空氣2個容易發生全反射的光學界面。通常芯片的折射率為2.5，熒光粉膠的折射率在1.4～1.7之間，空氣的折射率為1，兩種材料折射率的差異導致光線從芯片傳至熒光粉膠或從熒光粉膠傳至空氣的過程中會在芯片-熒光粉膠或熒光粉膠-空氣界面發生全反射。發生全反射的光線在封裝材料中反復傳播，大部分被吸收轉化為熱量，不僅造成光效損失，更導致芯片溫度升高，造成芯片效率和熒光粉效率降低。芯片表面粗糙化或者圖案化[13]、襯底圖案化[14]和光子晶體[15]能夠有效減少芯片-熒光粉膠界面的全反射。為減少熒光粉膠-空氣界面的全反射，可以采取提高封裝材料透光率[16]、改進封裝結構[17]、使封裝基板和熒光粉膠出光面粗化或圖案化[18]、摻雜高散射性微納顆粒[19]、以及增大熒光粉膠與基板的接觸角[20]等措施。

2 LED結溫測試與熱阻結構函數

對LED的結溫和熱阻進行精確測試是完善LED性能評價標準的必要條件，也是有效熱管理的前提。目前LED結溫和熱阻的測試方法較多，可分為接觸式和非接觸式。各種測量方法都存在一定的使用范圍和優缺點，部分測量方法對儀器的要求較為嚴苛，能滿足測試精度要求的多以少數國外儀器為主。對各種測試方法進行對比分析，有利于完善我國LED熱性能測試標準，有利于開發滿足國際標準認可的國產測試儀器。

2.1 接觸式測量方法

接觸式測量是指測量過程中需要接觸LED引腳的一種測量方法，包括電學參數法和管腳溫度法。LED電輸運的溫度效應表明，在恒定電流驅動下，LED的正向電壓降VF與pn結溫度具有良好的線性關系：

(1)

式中VF(T2)和VF(T1)分別為結溫T2和T1時的正向電壓降，K為電壓溫度敏感系數。JEDEC固態技術協會制定的標準JESD 51-1集成電路熱測量方法，即電氣測試方法中對K系數的標定過程和注意事項做了詳盡規范[21]，本文不再贅述。美國標準化技術研究院NIST提出在K系數標定時，選用幅度與額定電流相等的方波脈沖測試電流，在不同熱沉溫度下測得正向電壓降VF，從而得到電壓溫敏系數的方法[22]。采用這種脈沖電流法測量結溫時，脈寬必須小于十幾微秒，才能使結溫誤差小于1 ℃[23]。

LED的熱阻是指LED點亮后達到熱穩定狀態時，單位熱功耗下pn結與連接支架或鋁基板間的溫差：

(2)

式中，Rθjx為pn結到參考位置的熱阻，Tj為結溫，Tx為參考點溫度，熱功耗Pj為輸入電功率與實際光功率的差值。由LED每層部件熱阻構成的熱阻網絡如圖2所示。通常選擇LED封裝殼溫Tc作為參考溫度，但由于與熱沉接觸的封裝外殼溫度分布不均勻，因而不同測試裝置使用熱電偶測得的Tc往往存在偏差。鑒于此，標準JESD 51-14提出了一維傳熱路徑下半導體器件結殼熱阻瞬態雙界面測試方法，消除了殼溫測量產生的誤差[24]。

圖2 LED的熱阻網絡示意圖[4]Fig.2 Thermal resistance of LED

與LED封裝器件的整體熱阻相比，每一層結構的熱阻和熱容更有助于分析和優化器件的散熱性能。LED的熱模型可以等效為一個熱阻Rth和熱容Cth的并聯形式，根據電熱比擬理論，可變換為一個等效電阻R和電容C的并聯電路。一個n階RC網絡如圖3(a)所示，即FOSTER網絡模型。如果給模型一個ΔPH的加熱功率，則溫度的響應函數為：

(3)

式中，t為響應時間；τi=Rthi·Cthi，為模型的時間常數。

圖3 RC單端的標準模型[24]Fig.3 Standard model of RC

由于FOSTER模型與實際系統不符，需要將其進行熱路變換得到反映器件內部傳熱結構的CAUER模型[圖3(b)]。對于實際的傳輸型RC系統可以認為由無數多個RC模型組成，式(3)中的求和形式相應地替換為積分形式，并假設ΔPH為1 W，則器件的溫度響應可表示為：

(4)

式中R(τ)為時間常數譜。令z=lnt，則式(4)可改寫為卷積形式：

?w(z)

(5)

式中，?為卷積算子，w(z)=exp[z-exp(z)]。因而R(z)可由da(z)/dz和w(z)的反卷積計算得到。

將時間常數譜R(z)分割成許多個寬度為Δz的片段，每個片段對應一個并聯RC電路，構建FOSTER網絡，再通過FOSTER-CAUER轉換計算得出CAUER網絡模型，將模型中的累積熱容對累積熱阻作圖和求微分，即可得到器件近似的積分結構函數和微分結構函數。

在求解結構函數的過程中，反卷積和網絡模型轉換是關鍵算法。JESD 51-14提供了通過傅里葉逆變換求解反卷積和FOSTER-CAUER模型變換的計算方法[24]。Lai等[25]選用貝葉斯反卷積求LED熱阻結構函數，并通過模型和試驗測試驗證了該方法的有效性。反卷積的計算結果對輸入數據的信噪比非常敏感，導致解的相對誤差大；且在網絡模型變換過程中，時間常數τ跨度從微秒量級到數百秒，對數值精度要求較高，需要特殊的算法才能完成網絡變換。高亞楠等[26]提出采用曲線正向擬合的方法處理LED瞬態熱響應曲線，由此計算熱阻結構函數，此方法具有計算步驟簡單、運算量小的優點，并顯示出良好的提取還原能力。楊連喬等[27]在原始數據理論數學模型基礎上采用最小二乘法擬合進行數據平滑，該方法省去了測試數據因寄生誤差而必須的擬合操作，且能對含噪瞬態響應曲線進行平滑，實際測試數據的對比分析表明該方法具有一定的優越性。

由于LED中的熱量大部分產生于芯片，監測和降低芯片結溫成為研究者進行LED散熱設計的首要目的。然而，Luo等[28]實驗發現在大功率輸入下，熒光粉溫度遠高于芯片結溫從而導致熒光粉碳化，這是由于熒光粉顆粒彌散在導熱系數很低的樹脂和硅膠等聚合物中，其產生的熱量很難傳遞出去。Ma等[29]在熒光粉光致發熱基礎上建立了熒光粉光熱耦合模型，以預測不同封裝結構LED的熒光粉溫度。

2.2 非接觸式測量法

非接觸式測量法是指不需要接觸LED引腳的測量，其測溫原理分為兩類：一類是利用熱成像技術直接測溫，如顯微紅外熱成像法；另一類是根據LED結溫與光譜之間的關系，通過測量光譜特性來求結溫，如峰值波長法和白藍比法。

紅外熱成像法基于紅外輻射原理，利用紅外熱像儀測量LED器件的溫度分布，并把芯片表面的最高溫度作為結溫。紅外熱像法具有成像直觀、信息豐富的特點[30]。實際測量時，將被測LED置于密閉容器內，僅被測面敞開，點亮一段時間后，用紅外熱像儀掃描被測面，探測到的紅外輻射能被轉換為電信號，經放大后以紅外熱圖像的形式顯示。根據采集時間的不同，還可獲得被測表面溫度隨時間的變化規律。

紅外熱像法廣泛應用于半導體器件的熱特性分析。Aladov等[31]使用紅外顯微熱像儀研究了倒裝LED芯片的溫度分布和熱阻，從溫度分布情況驗證了電流擁擠效應。Shi等[32]使用紅外顯微熱像儀研究了GaN基藍色激光二極管溫度分布，并分析了高溫區產生的原因。遲雷等[33]針對GaN HEMT器件熱特性開展了顯微紅外熱像法和電學法測試結果的比較，發現兩者測試結果比較接近，但也存在一定的差異，這是由于顯微紅外熱像法能夠檢測芯片表面的最高溫度，而電學法是測量芯片的平均結溫。

峰值波長法是利用LED發光機理中載流子帶間復合時，當結溫升高，禁帶寬度變小，輻射峰值波長變長，顏色紅移的原理測量結溫的。美國照明研究中心的Hong等[34]對AlGaInP基紅光LED進行光譜測試發現，峰值波長與結溫呈良好的線性關系。李松宇等[35]開展了高壓LED的光譜特性測試，發現峰值波長仍然與結溫有良好的線性度，可作為結溫敏感參數。Choi等[36]也分析了照明LED的峰值波長和結溫的線性關系。但由于LED光譜峰值波長變化量通常非常小，因而峰值波長法對設備精度要求極高，且并非所有LED的峰值波長都與結溫呈線性關系，如GaN基藍光LED的峰值波長隨結溫升高先減小后增大[37]。

藍白比法主要是根據InGaN藍光LED芯片發光與熒光粉發光隨溫度變化不一致，當結溫升高時，藍光峰值波長紅移，并降低了熒光粉轉化效率，使其發光減弱比藍光更為顯著，根據這一特性即可求得結溫。研究表明，GaN+YAG白光LED的總輻射功率與藍光區輻射功率的比值與結溫呈線性關系[37]。Ke等[38]研究含兩種熒光粉轉化的白光LED時發現，藍白比與結溫的線性度較差，因此提出用藍黃紅三色輻射功率之和與藍光輻射功率之比代替白藍比，建立了與結溫之間的線性關系，并將該方法應用到多芯片陣列LED光源的測試上。

3 LED傳熱強化技術

LED器件內部傳熱過程復雜，涉及擴散熱阻、界面熱阻和環境熱阻，因此LED散熱設計需要根據不同熱阻的影響機理采取相應的傳熱強化措施。

1)基于擴散熱阻的傳熱強化。擴散熱阻是由熱流傳導過程中熱導體橫截面積變化引起的，若熱源面積與散熱基板面積相等，則擴散熱阻為零。由于LED不同部件之間尺寸跨度比較大，因而擴散熱阻可占總熱阻的60% ～ 70%，是總熱阻的主要組成部分[3]。熱源和基板的尺寸差異是擴散熱阻的主要影響因素，接觸面率增大有利于減小擴散熱阻；芯片與基板的中心距對擴散熱阻也有重要影響，對多芯片封裝LED而言，優化熱源位置可獲得良好的溫度分布；但擴散熱阻隨基板厚度的增加先減小后增大，即存在最優基板厚度使擴散熱阻最小[39]。

2)基于界面熱阻的傳熱強化。LED器件中不同部件之間通過很薄的一層熱界面材料粘合在一起，如導熱膠、導電銀漿和導電錫漿等。界面熱阻主要由2部分組成，熱界面材料厚度引起的體熱阻和不完全潤濕產生空氣腔造成的熱阻[40]。因為LED封裝模塊中存在諸多界面，所以界面熱阻是LED熱阻的重要組成部分。為減小界面熱阻首先應選用熱阻小的熱界面材料，熊旺等[41]采用熱阻分析儀測試了采用Sn20Au80共晶和銀膠芯片粘結LED的熱阻，發現Sn20Au80共晶的熱阻較銀膠小。在聚合物基體中添加高導熱性的金屬顆粒也能強化傳熱，減小界面熱阻。Anithambigai等[42]研究了聚合物基體熱界面材料中添加不同比例的鋁顆粒對LED結溫和熱阻的影響。Hashim等[43]研究了商用熱界面材料中添加不同粒徑的AlN和BN顆粒，通過優化粒徑獲得了較低的結溫和熱阻。提高粘合過程的壓力，降低基板的表面粗糙度都能有效減少空氣腔的形成，從而減小界面熱阻。

3)基于環境熱阻的傳熱強化。熱量經散熱設備最終傳遞到環境過程中的熱阻稱為環境熱阻，其散熱方式可分為被動散熱和主動散熱。翅片是最廣泛使用的散熱設備，對翅片的高度、厚度及翅片間隔等參數進行優化，以使翅片有最佳的傳熱性能[44，45]。熱管作為一種先進有效的散熱部件，常用于高熱流密度器件的散熱。梁鋒等[46]開展了平板微熱管的傳熱特性實驗，結果表明所選用的平板微熱管具有良好的均溫性和快速啟動性。Xu等[47]提出回路熱管采用Cu-Ni雙層吸液芯結構，加快了啟動速率，降低了散熱器的表面溫度。隨著LED集成度和功率的增加，單位面積上產生的熱量越來越多，因此需要主動散熱，如強制空氣冷卻和液體冷卻，以達到散熱要求[48]。當熱流密度極大時，應當多種傳熱強化措施組合使用，才能達到有效散熱的目的[46]。

4 結語

隨著LED芯片功率的不斷攀升，散熱問題已成為制約產業發展的主要瓶頸，因而LED器件的熱管理與熱分析測試技術成為其封裝與應用的關鍵。本文綜述了LED熱生成與抑制、結溫測試與熱阻結構函數以及傳熱強化技術的研究進展，主要得出以下結論：

1) LED發光過程也會伴隨熱量產生，減少非輻射復合、緩解電流擁擠、減少電子溢出以及合理的光學設計，有利于調節LED的溫度和光效。

2) 對LED結溫和熱阻進行精確測試是有效熱管理的前提。電學參數法、顯微紅外熱成像法和峰值波長法是結溫測試的常用方法。對結溫瞬態熱響應函數進行反卷積和網絡模型轉換能夠得到LED的熱阻結構函數，可用以分析熱阻構成和封裝質量。

3) 將LED的熱量傳遞到環境中去是熱設計的最終目的。優化擴散熱阻，采用高性能熱界面材料減少界面熱阻，基于翅片、熱管和小微通道技術強化散熱，以維持LED結溫在較低水平。

隨著LED向小型化、集成化、多芯片和大功率發展，現有的LED封裝技術也需要進一步發展以適應新的應用需求。提升取光效率，減少傳播過程中光線被吸收，對提高LED的光熱性能至關重要。新型界面材料、新型材料制造的散熱器以及高效率的傳熱強化技術為LED散熱性能改善提供了可能。

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