功率型LED結(jié)溫和熱阻在不同電流下性質(zhì)研究

　　引言

　　全球照明協(xié)會表示在不遠(yuǎn)的將來，大功率發(fā)光二極管(Powerlight-emittingdiodes)將在普通照明領(lǐng)域起到至關(guān)重要的作用。自1994年以來，大功率LED得到迅猛發(fā)展，已經(jīng)在諸多領(lǐng)域(如路燈、汽車尾燈、LCD背光源等)取代了傳統(tǒng)光源。近年來，LED技術(shù)的發(fā)展更是日新月異，其光效的提升和器件成本的下降服從類似于摩爾定律的海茨(Haitz)定律，即LED價格每10年降低為原來的1/10，性能則提高20倍。

國際上LED技術(shù)正在向大功率、高亮度、高效率、低成本方向發(fā)展。功率LED的光學(xué)特性和電學(xué)特性強烈依賴于結(jié)溫。隨著LED功率的增大，過高的結(jié)溫會影響LED的壽命和可靠性，散熱問題變得日益嚴(yán)峻。因此，了解功率LED結(jié)溫和熱阻的變化特性就變得尤為重要。文中通過正向電壓法和紅外熱像儀法，對功率LED的結(jié)溫和熱阻隨電流的變化特性進(jìn)行了研究。

　　1、功率LED結(jié)溫測量方法

　　按標(biāo)準(zhǔn)，熱阻的一般定義是：在熱平衡的條件下，兩規(guī)定點(或區(qū)域)溫度差與產(chǎn)生這兩點溫差的耗散功率之比(單位°C/W或K/W)。熱阻的大小直接影響LED的壽命、出光率、發(fā)光強度等。對于LED，由于熱源在pn結(jié)處，其最高溫度通常指pn結(jié)的溫度，即結(jié)溫Tj，它也是影響LED可靠性的重要參數(shù)。目前比較成熟的結(jié)溫測量方法有紅外熱像儀法和正向電壓法(又稱標(biāo)準(zhǔn)電學(xué)法)。紅外熱像儀法通過測量器件工作時芯片表面的紅外輻射給出芯片表面的二維溫度分布，以此來表征結(jié)溫及其分布，這種方法只能測量未封裝的器件，對成品器件則需要開封才能測量。正向電壓法是一種非破壞性的芯片溫度測量方法，與紅外熱像法相比正向電壓法具有靈敏度高、測量迅速、試驗成本低廉等優(yōu)點。

　　2、實驗樣品

　　所測試的樣品，均為路燈和夜景照明用功率LED，包括1WInGaN藍(lán)色、綠色LED、1WAl-GaInP紅色、橙色LED以及1W、3W藍(lán)寶石襯底InGaN白光LED，所有顏色芯片均用金屬鋁做散熱基板材料。1W樣品為一個1mm×1mm芯片。3WLED為兩個1W芯片并聯(lián)結(jié)構(gòu)，白光是通過在In-GaN藍(lán)光LED表面涂敷YAG熒光粉實現(xiàn)。

　　3、實驗及結(jié)果分析

　　測試時環(huán)境溫度設(shè)置為25°C，驅(qū)動電流從100mA上升到1A，增長間隔為100mA。

　　3.1　正向電壓法測量熱阻分析

　　圖1是環(huán)境溫度為25°C，1WAlGaInP紅色和橙色LED的熱阻隨驅(qū)動電流的變化趨勢圖。由圖1可知，功率為1W的AlGaInP紅色和橙色LED熱阻均隨驅(qū)動電流的增加而增大，在相同驅(qū)動電流下，橙色AlGaInPLED的熱阻值要高于紅色LED。在驅(qū)動電流的變化過程中，橙色LED的熱阻值從10.28°C·W-1上升到15.05°C·W-1，紅色LED熱阻值從9.85°C·W-1增大到13.25°C·W-1。造成此種差異的原因是由于在相同的輸入功率下，橙色LED的電光轉(zhuǎn)化效率低于紅色LED造成的，亦即在相同注入電流時，AlGaInP橙色LED比紅色LED有更高的結(jié)溫。

圖1：AlGaInP紅色和橙色LED熱阻變化趨勢圖

　　圖2是環(huán)境溫度為25°C，1WInGaN綠色和藍(lán)色LED的熱阻隨驅(qū)動電流的變化趨勢圖。從圖中可以看出，InGaN綠色和藍(lán)色LED的熱阻一樣隨驅(qū)動電流的增加而變大，其中藍(lán)光LED的熱阻值由10.02°C·W-1上升為21.57°C·W-1，而綠光的熱阻值由13.74°C·W-1上升為17.68°C·W-1，其變化幅度較藍(lán)光LED要小。藍(lán)光LED在大于額定工作電流350mA的驅(qū)動電流下工作時，熱阻的變化趨于緩和，由于器件在大于額定電流下工作時，器件內(nèi)部的各種缺陷、材料的不匹配度等達(dá)到了穩(wěn)定值，電流的增加對他們的影響不像小電流階段那么明顯了(除非電流加到足以使LED內(nèi)電極翹起、金線熔斷)，導(dǎo)致隨驅(qū)動電流的增加，器件內(nèi)部阻礙熱流傳導(dǎo)到外部的障礙并沒有太大變化。文中認(rèn)為熱阻的升高可能是由于大電流導(dǎo)致的電流擁擠效應(yīng)，電流擁擠效應(yīng)又導(dǎo)致了電光轉(zhuǎn)換效率的減少(輻射復(fù)合區(qū)域減少)，雖然輸入的電功率有所增加，但隨著電流增加，輸出的光功率卻減少了，并最終導(dǎo)致了熱阻的上升。

圖2：InGaN綠色和藍(lán)色LED熱阻變化趨勢圖