功率LED热特性分析_毛德丰

2009年6月第20卷　第2期照明工程学报

ZHAOMING GONGC HE NG XUEB AO Jun .　2009Vol .20　No .2

功率LED 热特性分析

＊

毛德丰1

　郭伟玲　高　国　沈光地

(北京工业大学北京光电子技术实验室,北京　100124)

摘　要:随着LED 功率的升高,热应力对LED 的影响越来越显著,过高的结温不但会使器件寿命急剧衰减,还会严重影响LED 的峰值波长,光功率,光通量等诸多性能参数。因此精确掌握LED 器件的温升规律便成为了提高设备工作可靠性和芯片结构设计的关键所在。本文通过标准电学法对不同颜色的1W 功率LED 及不同功率的GaN 基白光LED 的结温和热阻进行了测量,实验结果表明:同种结构LED 的温度系数K 虽然离散但比较接近,不同结构LED 芯片K 明显不同;在相同衬底材料,相同芯片结构条件下,LED 芯片结温会随芯片功率的增大而升高。并首次进行了变电流下不同功率LED 芯片的结温和热阻测量,发现无论功率大小,结温均随热电流的增大而上升,功率越大,上升幅度也越大。随着LED 两端所加电流的增大,3W 白光LED 的热阻呈上升趋势,而1W 白光LE D 的热阻随电流增加基本不变。

关键词:光电子;热阻;正向电压法;功率发光二极管

Thermal Characters Analysis of Power LED

Mao Defeng Guo Weiling Gao Guo Shen Guangdi

(Beijing Optoelectr onic Technology Labo rato ry ,Beijing University of Technology ,Beijing 100124,CH N )

A bstract

In this paper ,the ther mal property of high power LED are introduced based on experimental data .The

junction temperature and ther mal resistance of different c olor 1W LE D is measured and analyzed .The green LED has higher temperature -voltage coefficient compared with others ;the orang LE D has lager ther mal resistance compared with others .The junction temperature and ther mal resistance of different power White LE D ar e measured too .The results sho w that the higher of the LED power ,the lar ger of the junction temperature and thermal resistance .It means for applications ,la mp system designers must consider the dependence of the output power ,cost and thermal pr operty .And if the system uses higher power LED ,there must have better thermal disseminate path to eneure long term reliability .

Key words :photo electron ;thermal resistance ;for ward -voltage method ;power LE D

＊基金项目:国家863计划项目资助(SQ2007AA03Z431230);北京市人才强教计划项目资助(05002015200504)

1

联系作者:E -mail :langjitianya @emails .bjut .edu .cn

1　引言

LED 发光机理是电子在能带间跃迁产生光,当外加电应力达到LE D 芯片的阈值时,电子与空穴的

辐射复合将一部分电能转化为光能,而无辐射复合

产生的晶格振荡会将其余的能量转化为热能。目前LE D 只有20%～30%能量转化为光能,而剩余80%

～70%的能量会转化为热能。随着LED 功率的提高,器件工作时的热流密度会相应增加,将直接导

致芯片温升和热应力加大,缩短LED 的使用寿命。

图1是lumiled 公司所做的AlGaInP 器件寿命随结温的变化曲线

[1]

,由图中可以看出,结温T j 每升

高8～10℃,器件工作寿命将按指数规律下降约一倍。热应力对LED 的影响是全方位的,过高的结温不但会使器件寿命急剧衰减,还会影响LE D 的峰值波长,光功率,光通量,辐照通量等诸多性能参数。

因此,准确测量并有效降低温升就成了目前亟待解决的问题。本文通过对不同颜色1W 功率LED 、不同功率GaN 基白光LED 结温和热阻的测量,研究分析了功率LED 的热特性,得出了不同器件的热阻和结温变化规律

。

图1　L umild 公司的Al GaInP 器件寿命随结温变化图

2　实验原理

一定的注入电流I 下,LED 的正向工作电压V f

可以表达为:

V f =V f -junctin +I ×(R material +R con tact )

(1)

其中:V f -junctin 为pn 结的结电压;R material 为注入电流路径上各体材料的电阻;R contact 为电流路径上不同材料间的接触电阻。由最基本的肖克莱方程入手,得到结电压V f -ju nctin 与结温T 的关系为

dV f dT =K q ln N D N A N c N v -αT (T +2β)q (T +β)

2-3K

q (2)

其中:k 为玻尔兹曼常数;q 为电子能量;N D 为施主杂质浓度;N A 为受主杂质浓度;N c 为导带底的状态密度;N v 为价带顶的状态密度;α、β为半导体禁带宽度随温度变化关系中的两个正常数。化合物半导体器件一般工作在本征激发产生的载流子浓度n i 远小于施主受主杂质离化浓度的强电离区间,

所以可以认为N D 与N A 基本不随温度变化[2]

,而N c

与N v 与结温的关系为

N c =22πm e KT

h 2

3 2

∝T

3 2

N v =22πm h KT

h

2

3 2

∝T

3 2

(3)

其中m e ,m h 分别为电子和空穴的有效质量。从式(3)可知,式(2)中的第一项为负值。式(2)中,α、β为两个正常数,它们与材料相关。因此,式(2)中的结电压对结温的导数为负常数,这一数值与半导体材料、掺杂情况相关。从式(1)可见,正向电压不仅包括结电压V f -ju nctin ,还与电流路径上各体材料的电阻R material 、不同材料间的接触电阻R contact 有关,这些因素会随温度变化发生相应的变化,对温度电压关系具有一定的贡献。

所谓的热阻,是半导体器件的重要指标和特性,是器件热特性的特征参数,它与器件的电特性和机械特性有关,与器件的额定电流(I )、压降(V )和最高结温(T jm )等基本参数有定量关系。LED 作为一种半导体器件,主要以热阻(R th )表征其本身的热学特性。热阻的定义为

[3]

R th =

T J -T 0

P

(4)

式中R th 是待测器件p -n 结到指定环境之间的热阻(℃ W 或K W );T J 是测试条件稳定时的待测器件的结温(℃);T 0是指定环境的参考温度(℃);P 是待测器件的热耗散功率(W )。为了测定LE D 的热阻须确定式(4)右边的三个参数,而其中参数之一的结温(T J )则是测量中的重点。

实验表明,在输入电流恒定情况下,绝大多数半导体器件的正向电压与其结温具有良好的线性关系。

V FT =V F 0+K (T -T 0)

(5)

其中V FT 是环境温度为T 时LED 两端的电压,V F 0是环境温度为T 0时LED 两端的电压,K 就是电压随温度变化的系数。式(5)经过变形可以得到环境温度为T 0时的LE D 结温T J 表达式:

T J =

V FT -V F 0

K

+T 0

(6)

测量LED 结温过程一般为:选择在小电流下静

态定标(可以忽略其产生的热量对LE D 的影响,通

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第20卷第2期毛德丰等:功率LE D 热特性分析

常在正常工作电流的1%以下)[4]

,获得在小电流条件下的K 值,然后动态测量功率LED 器件在工作大电流向小定标电流转换的瞬间正向电压的变化趋势,进而获得结温的准确值。本论文采用电学参数法测量大功率LED 的结温及热阻

。

图2　测试用LED 样品

3　试验样品介绍

本文所测试的样品,均为路灯和夜景照明用倒装型功率LED ,包括1W 蓝宝石衬底InGaN 蓝色、绿色LED 、1W Si 衬底AlGaInP 红色、橙色LED 以及

1W 、3W 、5W 蓝宝石衬底InGaN 白光LED ,所有颜色芯片均用金属铝做散热基板材料。1W 样品为一个管芯,3W 为两个管芯并联结构,5W 为4个管芯分别2个串联再并联结构。

4　功率型LED 热特性测试结果分

析

4.1　不同颜色LED 的K 系数、热阻比较

表1是相同封装结构,功率均为1W 的不同颜色LED 之K 系数测试结果。由表1可以看出,同一批次,相同颜色的LED 的K 系数差异很小,一致性较好。蓝光、绿光和白光LE D 均是基于InGaN 材料,而红光、橙光LE D 是基于AlGaInP 材料。蓝光和白光的K 系数接近,而绿光比他们大,原因是绿色LED 的量子阱组分与蓝光不同,禁带宽度也不同。蓝光和白光的K 系数的微小差异,说明YAG 荧光粉对白光LED 的K 系数存在一定影响。不同结构的芯片,电流流经的层次是不同的,金属化层、倒装焊焊料层的电阻率以及接触界面等因素都随温度变化,层次间的接触状况都可能具有一定的温度

系数,因此会导致芯片的K 系数不同[5]

。相同芯片

材料,不同颜色的LE D 由于禁带宽度、材料组分、量子阱数量差异、导致了K 系数也不尽相同。表2为相同封装结构,功率均为1W 的不同颜色LED 热阻(p -n 结到环境的总热阻)测量得到的结果。试验中的测试电流均为5mA ,加热电流为350m A 。从表2可以看出,即使排除封装的影响,不同颜色LE D 器件的R th 差别仍然较大,最高约19K W ,最低约9K W 。蓝、绿、白光LED 的热阻基本相同,说明荧光粉对LED 的散热性能影响不大。同为AlGaInP 材料的红色和橙色LED 的热阻相差近一倍,原因是橙色LE D 由于结构材料特性限制,导致光电转换效率下降,意味着热量更难散出去。

表1　1W ,不同颜色功率LED 的K 系数比较

No .

green k (mV ·K -1)blue k (mV ·K -1)White k (mV ·K -1)red k (mV ·K -1)orange k (mV ·K -1)1-2.41-0.99

-1.29

-1.74

-1.44

2-2.64-1.09-1.23-1.66-2.243

-2.36

-1.00

-1.27

-1.95

-1.51

表2　1W ,不同颜色功率LED 的热阻比较

No .green R th K ·W -1

bl ue -LEDs R th K ·W -1White R th K ·W -1red R th K ·W -1

orange

R th K ·W -1

116.6817.414.639.6117.26216.2216.1117.7511.5418.723

15.83

18.11

16.83

9.17

14.48

4.2　不同功率GaN 基白光LED 结温比较

表3是相同封装结构,相同衬底材料,相同荧

光粉成分,不同功率的白光LED 的结温试验数据。由试验数据可知,在额定工作电流下(其中1W 为350mA ,3W 、5W 为700mA ),结温与LED 的功率正相关。为解释其原因,首先要了解该种芯片的内在结构。3W 蓝光LED 是由两支单独的1W InGaN 基蓝光芯片并联而成,然后在上面涂上YAG 荧光粉材料,芯片发出的蓝光与荧光粉受激发出的黄光复合后发出白光。可想而知,在面积相同的单支封装内放入两支芯片,发热自然会倍增。而二者的热量又相互影响,随时间推移,堆积的热量会比单独的1W 白光LED 高出许多,二者封装结构相同,即散热机理一致,就造成了3W LED 的结温远远高于1W LE D 。而5W 白光LED 比3W LED 又多了两支InGaN 芯片,封装面积仍然相同,因此其结温为三种功率LE D 中最大的。因此在做路灯应用时,如果选用大功率的LE D ,在散热设计时要考虑的更多一些,以免使用时温度过高影响照明效果。

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照明工程学报2009年6月　

表3　相同衬底材料,不同功率的LED 结温比较

Power 1W 3W 5W No .T j ℃T j ℃T j ℃131.5267.6191.66242.8267.69104.77348.884.54112.46Average

41.05

73.27

102.96

4.3　功率白光LED 不同电流条件下的结温和热阻

对1W 和3W 白光LED ,测试了不同工作电流下的结温。图3是Ga N 基功率白光LED 结温随电流变化趋势图。测试时不同加热电流均持续了30秒。由图3可知,随着注入电流增加,无论LE D 功率大小,结温均随电流增大而上升,且基本呈线性关系。加热电流在300m A 以下时,二者结温基本相同,但在加热电流超过400m A 后,3W LE D 结温明显超过1W 芯片,约为1W 芯片的1.5倍。分析认为随着驱动电流的加大,会导致LE D 内部产生电流拥挤效应,电流拥挤会导致光输出效率的减少(辐射复合减少),因此导致结温上升,而结温的升高会导致LED 材料热导率的下降。一些小组研究得出GaN 导热系数在25℃到175℃时从2.50W (cm ·K )下降

到1.75W (cm ·K )[6]

,其他人研究说温度从25℃到125℃时,GaN 导热系数由2.0W (cm ·K )下降至1.6W (cm ·K )[7]

,反过来,材料导热系数的下降又会制约LED 的热传导,进一步提高LED 结温,如此相互制约,甚至会形成恶性循环。另外,过大的电流还会导致LE D 各接触层之间失配度的变化、焊料的退化等[8]

,也会导致LED 温度的升高。大电流条

件下串联欧姆电阻产生的热量[9]

也是导致芯片结温升高的重要因素

。

图3　1W 、3W 白光LED 结温随电流变化趋势图

对于1W 白光LED ,是通过在蓝色GaN 基LED 芯片上涂抹黄色YAG 荧光粉实现的,它只有一支芯片,而测试用的3W 白光功率LED 是由两支3W 蓝

色InGa N 基LE D 的芯片并联而成,它的额定电流为700mA ,电压约为3V 左右,因为管子内部有两支LE D 芯片,每支片子都会产生一定结温,热传导的路径会大大增长,这就使它内部的热量较1W 白光LE D 更难散出,导致了在相同电流下3W 白光LED 比1W 的白光LE D 有更高的结温。因此在应用时要考虑1W LE D 在350mA 工作电流下其结温约为35度,而3W LED 在700mA 工作条件下的结温约为70度,为1W 的两倍。用1W 的比3W 的散热特性好,当然工程设计人员要考虑的除了热,还有成本以及光学设计,应该折衷考虑,也可以大小结合使用,以降低散热。

图4是1W 、3W 白光LE D 的热阻(p -n 结到环境的总热阻)随工作电流的变化曲线图。从图中显而易见,随着LE D 两端所加电流的增大,3W 白光LE D 的热阻呈上升趋势,而1W 白光LED 的热阻随加热电流增加基本不变。分析认为对于3W 白光LE D ,结温的增加量远远大于热功率的增加量,因此造成了热阻的上升趋势,而对1W LED 而言,结温的增量幅度较3W 白光LED 小得多,但3W 白光LE D 是两个1W 管芯并联形成的,在输入相同电流条件下,两种管子输入的热功率相差并不大,因此根据公式(6)可知,1W 白光LED 结温增量与热功率比值基本不变,这也就造成了1W 白光LED 的热阻随加热电流增加而基本保持不变的现象

。

图4　1W 、3W 白光LED 热阻随电流变化变化趋势图

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第20卷第2期毛德丰等:功率LE D 热特性分析

5　结论

对不同颜色、不同衬底和不同功率LE D的结温和热阻进行了测量,实验结果表明:同种结构LE D 的温度系数K虽然离散但比较接近,不同结构LE D 芯片K明显不同;在相同衬底材料,相同芯片结构条件下,LE D芯片结温会随芯片功率的增大而升高。并首次进行了变电流下不同功率LED芯片的结温和热阻测量,发现无论功率大小,结温均随输入电流的增大而上升,功率越大,上升幅度也越大,3W 白光LED的热阻随LE D两端所加电流的增大呈上升趋势,而1W白光LED的热阻随电流增加基本不变,可见1W白光LED比3W白光LED有更好的散热能力,且其他数据显示温度变化对1W白光LED的光通量影响较3W白光LED要小,对于1W白光LED, p-n结温度由25摄氏度上升至75摄氏度时,光通量从121.4lm下降到108.94lm.而在相同的温度变化范围内3W白光LED的光通量从186.8lm降低至155.3lm,因此从光通量和散热角度考虑,1W白光LED要比3W白光LE D有更好的工作稳定性,但从成本、集成度、发光效能及色温等诸方面综合考虑,现阶段路灯用LED主要以3W白光LED为主。

综上所述,LED热特性直接影响到器件的使用效果,针对不同的应用方向,应合理选择芯片种类及封装材料,在不影响功效的前提下,设计时要尽量减小芯片的热阻和结温。

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第十届北京国际照明展在北京开幕

2009年4月14～16日,第十届北京国际照明电器博览会在北京开幕。中国照明学会王锦燧理事长、甘子光名誉理事长、中国照明电器协会曾耀章名誉理事长、刘升平秘书长、北京市路灯管理处孙怡璞副主任等参加了开幕式并剪彩。

此次展会有100多家国内外知名企业参展,江苏史福特、东莞勤上光电、山西光宇、浙江生迪、天津海宇、雅江等LED 照明生产研发先进企业,浙江阳光、成都圣西朗、深圳力诚等节能灯代表性生产企业,江苏高邮送桥镇路灯制造基地路灯企业集体参展,世纪亚明、鑫谷光电、新升泰等路灯、隧道灯、景观灯等户外照明生产企业,室内办公照明参展代表企业有扬业照明等,还有一些室内灯饰参展企业。

参展产品有LED、霓虹灯、舞台电影电视灯光、节能灯、普通白炽灯、卤钨灯、荧光灯、高强度气体放电灯、高频无极灯、信号灯、应急灯等,产品覆盖建筑照明、商业照明、道路照明、园林景观照明、家居照明、工程照明、场馆工矿机场隧道等专业照明及家居装饰产品等,同时展出照明电器控制系统和控光器件、生产设备等光电设备。

14日下午,中国照明学会主办了“中国照明论坛———奥运场馆照明设计与实施总结报告会”;15日下午,中国照明学会、中国照明电器协会、北京中贸联国际展览有限公司联合举办了“2009高效照明推广交流论坛”。

本届展会受金融危机影响,规模有所减小,展会规模达300余个展位,参观观众达到2万专业观众,尽管在金融危机最困难的时期,但从参展商还是参观的专业观众对中国照明市场充满了信心,通过北京照明展的举办,促进了行业间的信息交流,为促进中国照明产业的发展起到了积极的作用。

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