2016, Vol. 37
目前大功率LED器件的光电转换效率已经达到50%~60%[1],但是仍然有大量的热量在器件工作时产生.这些热量如果不能及时导出,将会引起PN结结温升高,结温升高将直接影响PN结的工作效率[2].结温每升高10 ℃,出光效率降低5%~10%,而出光效率降低,将增加器件的发热量,进而影响出光效率.此外,过高的结温将影响芯片与荧光粉的寿命[3].因此,控制结温仍然是LED器件设计中的一个重要环节. LED高密度光源器件,多采用高密度芯片排布的方式来实现,其特点是在较小的发光面积内发出较高的光通量. 这类LED器件在设计小角度光形中更容易满足光学设计的要求[4],但大量芯片集中在一个小区域内,对于芯片工作条件下热量的导出与产生光的有效输出都提出了更高的要求.目前,普遍认为这类器件的发热集中,造成发光效率降低,解决方法主要是尽可能降低固晶与器件支架的热阻[5].对于光有效输出的影响,出光窗口相关的研究仍较少,但市场上已出现了采用荧光玻璃[6-7]、荧光陶瓷[8-9]和荧光晶体[10]作为材料的出光窗口的LED高密度光源器件.
本文将针对高密度LED的出光窗口展开一些研究.试验采用在高导热铝基板上LED芯片直接焊接LED蓝光芯片的工艺,使用多种出光窗口制备一组器件,通过对其性能进行测试,分析与讨论不同出光窗口对器件性能的影响.
1 试验与结果分析 1.1 试验样品的制备试验用倒装蓝光芯片的器件方案[11],减少芯片底部热阻对试验的影响,芯片尺寸为1.1 mm×1.1 mm(即43 mil×43 mil,1 mil=0.025 4 mm),峰值波长为453 nm,芯片选择参数一致的批次.采用9颗大功率倒装蓝光芯片,用锡膏焊接,焊接层厚度为60 μm.9颗芯片排布在4.3 mm×4.3 mm的范围内,在4.5 mm×4.5 mm处采用围坝胶进行保护.为了减小基板热阻带来温升过高的影响,用高导热的铝基板进行试验,采用铝基板结构导热系数为100 W/(m·K).采用相同的工艺分别制备了图 1中的3个样品.
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图 1 3种器件照片 Fig. 1 Photos of samples |
样品A:只倒装焊接了蓝光芯片.
样品B:倒装焊接了蓝光芯片得到样品b. 测试后在样品b上,用荧光粉与硅胶(导热系数 0.18 W/(m·K))倒入围坝内,制成7 000 K左右色温白光器件.
样品C:倒装焊接了蓝光芯片后得到样品c.测试后在样品c上,用荧光晶片[12](导热系数13 W/(m·K))贴在芯片顶部,四周采用围坝胶进行包裹支撑,制成7 000 K左右色温白光器件.
1.2 光电测试结果与讨论在1 A的恒定电流输入下,对3种样品进行光电参数测试,测试过程中采用相同的主动散热装置.测试结果如表 1所示.
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表 1 光电测试数据表 Tab. 1 Photoelectric test data sheet |
从表 1中可以观察到,在1 A电流的驱动下3种样品的正向电压与电功率一致,这反映出器件所用芯片的一致性较高.3种样品光功率的输出差异较大,这些差异是在蓝光芯片上增加窗口造成的.相对于样品b和c,样品B和C,因为增加了窗口层出现了一定程度的光损耗.另一方面,荧光转换也造成了一定程度的光损失.由于试验用蓝光芯片事先经过分选,一致性很好,试验中认为3种样品所用蓝光芯片性能一致.通过比较样品B、样品C与样品A光功率的差值,可以发现样品B与样品A的光功率的差值要大于样品C与样品A光功率的差值.且样品B与样品C的色温均为7 000 K左右,可以初步判断荧光晶体的荧光转换效率要大于硅胶加荧光粉的组合.在有荧光转换时,窗口层将会减小出光的总量,损耗的光功率将以热量形式出现在窗口层中.
1.3 热阻测试结果与讨论为了进一步分析3种不同出光窗口对器件的散热影响,试验分别测试了3种样品的热阻. 通常LED器件的热阻结构[13]分布为芯片与衬底间、衬底与LED支架的黏贴层、LED支架、LED器件外挂散热体与散热器间的几部分热阻组成,且热阻通道成串联关系.本文中热阻采用T3Ster Master测试仪进行测试,3种样品被统一放置在25 ℃恒温散热器上.因此样品的热阻变为芯片与衬底间、衬底与铝基板焊接层、铝基板层、铝基板与散热器结合层间的几部分热阻组成.
图 2为3种样品热阻分结构函数图[14],横坐标代表热传导出发点到当前点的累积热阻值,纵坐标为热传导出发点到当前点的总热容值对横坐标求导值.结构函数中越靠近纵坐标的地方代表实际热流传导路径上接近芯片有源的结构,而越远离纵坐标的地方代表热流传导路径上离有源区较远的结构.微积分结构函数中,波峰与波谷的拐点就是两种结构的分界处,便于识别样品内部各层结构.在结构的末端,其值趋向于一条垂直的渐近线,此时代表热流传导到了散热器.由于散热器采用水冷循环,因此热容也就无穷大.从原点到这条渐近线之间横坐标的值就是PN结到散热器的热阻,也就是稳态情况下的热阻值.
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图 2 器件热阻结构函数图 Fig. 2 Structure function of thermal resistance |
图 2中1区是从横坐标0值到第3个峰值拐点,这个区间的横坐标差值显示了芯片内部热阻与芯片到衬底的热阻.因为3种样品的芯片材料与工艺一致,所以显示出来的热阻基本一致.2区为从1区结束的峰值拐点到下一个峰值拐点,这个区间的横坐标差值反映衬底到铝基板的综合热阻.3区为2区结束峰值拐点到下一个峰值拐点,这个区间的横坐标差值反映铝基板层的热阻.3区结束的峰值拐点到渐近线,这个区间反映铝基板与散热器结合层的热阻.
图 2中可以发现3种样品末端表现的热阻差异较大,这是由于样品依靠导热胶与夹片固定在25 ℃恒温散热器上面.这层铝基板与散热器的结合层由于没有一定的压力,且导热胶涂敷厚度不均匀,造成了这个界面热阻的随机性较大.
图 2中1区3条曲线显示3种样品芯片到衬底的热阻基本一致,这表示芯片的一致性较好,PN结发热到衬底间的传热情况一致.但是2区峰值拐点间距显示的差异较大.分析原因为:A样品在这个层面散热基本依靠底部焊接层一个传热通道;而B、C样品,则增加了胶体与顶部荧光晶片的传热通道,且该通道与原来的焊接层形成的热阻呈现并联关系,因此这2个样品的综合热阻小于样品A同区域的热阻.样品B、C之间,由于荧光晶片的热导率要优于胶体,所以尽管晶片只有一个顶面与芯片接触,而胶体有5个面与芯片接触,最终结果仍然是样品B在这个区域热阻更低.3区峰值拐点间距显示的变化也不大,这是因为这层的数据主要受到铝基板导热率的影响,差异不大.
综合热阻的结果,可以发现出光窗口对于器件性能有较大的影响,增加了一条接触式传热通道.当出光窗口材料热导率较高时,将更有利于器件降低热阻.
在热阻测试后期,试验发现采用荧光粉加胶的样品发生了变化,其中间区域的LED出现了发黑的现象.分析原因为中心区域过热.通过检测器件的电压变化,发现LED芯片仍然可以工作,但输出光功率明显变小.分析原因为,芯片部分没有受到影响,但芯片上的荧光粉胶层出现了一定问题,属硅胶失效[15],影响了出光.因为是在使用过程中出现的此现象,初步判断是温度过高导致荧光粉胶层发生了变化.
1.4 热模拟结果与讨论为了进一步判断出光窗口的传热情况,本文对3种样品进行了热模拟[16].采用Flow Simulation 建模,条件设置与器件结构一致.发热层增加了荧光粉与硅胶层窗口以及荧光晶片窗口的热光损耗,分别为样品A光功率与样品B光功率差值、样品A光功率与样品C光功率差值.模拟了3种传热情况,观察最高点温度与表面温度的分布.
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图 3 测试后的样品B Fig. 3 Photo of test sample B |
图 4为3种样品热模拟表面温度的分布图.模拟结果与热阻测试结果对应,3种样品的最高温度区域为PN结,A样品温度最高,C样品温度最低.根据表面温度分布的图显示,增加了窗口的样品(B与C),在芯片顶部增加了一条传热通道,使芯片部分的热量更容易导出.然而,在蓝光转化为白光的过程中,荧光粉与荧光晶体均会损耗一定的光功率,产生一定的热量,使这些窗口变成了发热体.根据表 1中的光功率差值,可以判断出,荧光转换过程中发热的数值.当出光窗口面积较小时,热密度影响较大.B样品的表面温度分布显示,在芯片热量与荧光转化发热的双重影响下,胶的表面出现了9个温度比较集中的热岛,且热岛呈现中间大四周小的现象.这主要是因为荧光加胶的窗口,热导率较低,热量不容易向外传递,造成热量集中.图 3中出现的中间区域发黑的现象,根据模拟结果,原因为中间区域受到芯片上传递出的热量的影响.同时中间区域又是蓝光转换成白光密度最高的区域,因此荧光转化过程中的热量在此区域堆叠,造成了局部区域温度升高迅速,最终造成部分胶体发生变化而发黑.而样品C的表面温度分布,显示荧光晶片,虽然也受到芯片与自身荧光转化产生热量的影响,但是由于其导热率较高,使热量可以横向迅速扩散,从而产生了一个由中间向四周扩散的温度梯度分布图.这个结果显示,采用荧光晶体材质的窗口,相对于采用荧光粉与硅胶材质的窗口,作为传热通道更为有效.
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图 4 热模拟器件表面温度分布图 Fig. 4 Surface temperature distribution map by thermal simulation |
(1) LED器件中芯片上出光窗口对器件性能的影响较大.出光窗口的存在,增加了一条散热通道,对于芯片结温的散热有一定的作用.
(2) 出光窗口会造成一部分光能量损失,特别是拥有荧光转化功能的窗口,会因荧光转化而产生热量.高密度光源,发光中心区域的荧光转换产生的热量相当大,容易引起器件失效.而采用荧光晶体类的荧光转换材料,由于其较高的导热系数,可以较快将热量导出,从而提高器件的可靠性.
(3) 采用导热率高且荧光转化效率高的荧光材料作为出光窗口,将有利于解决LED在高密度光源类制备困难的问题,使LED光源可以进入更多的应用领域.
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