大功率LED芯片抗過電能力研究

　　LED作為一種新型的照明技術(shù)，具有耗能低、壽命長、體積小、可調(diào)光、控制靈活和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用前景舉世矚目。隨著LED價(jià)格的下降，市場逐漸打開，越來越多的照明產(chǎn)品使用LED作為光源。特別是在道路照明領(lǐng)域，大功率LED產(chǎn)品成為市場的主角，LED在戶外照明領(lǐng)域大放異彩[2]。然而，隨著LED燈具應(yīng)用的增加，戶外LED燈具受雷擊浪涌影響失效的數(shù)量也在增加。據(jù)調(diào)查，在正常使用年限內(nèi)受損的LED戶外燈具大多是因?yàn)槔讚衾擞慨a(chǎn)生的過電應(yīng)力失效了燈具電源及LED光源。這不僅影響燈具的使用壽命，而且增加企業(yè)的維護(hù)成本。鑒于此，LED戶外燈具的抗雷擊浪涌能力應(yīng)引起足夠的重視。

　　LED燈具的抗雷擊浪涌能力主要取決于兩方面：(1)LED驅(qū)動(dòng)電源的抗雷擊浪涌能力及保護(hù)機(jī)制。(2)LED芯片的抗過電應(yīng)力能力。對于LED驅(qū)動(dòng)電源，應(yīng)該以兩點(diǎn)判斷其抗雷擊浪涌能力的好壞：(1)自身元器件的抗雷擊浪涌能力，保證電源在雷擊浪涌后依舊正常工作。(2)電源對浪涌電流電壓波形的衰減能力，保證浪涌經(jīng)過電源后衰減的峰值電流電壓在LED芯片可承受的范圍內(nèi)。天津大學(xué)張金建[3]等對LED驅(qū)動(dòng)電源的抗雷擊浪涌進(jìn)行研究，根據(jù)雷擊浪涌的特性，利用氣體放電管、壓敏電阻、瞬態(tài)抑制二極管等浪涌器件設(shè)計(jì)了一種適合LED電源的浪涌保護(hù)電路，并采用雷擊浪涌發(fā)生器進(jìn)行抗擾度實(shí)驗(yàn)以測試其抗雷擊性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，能夠抗擊差模1kV和共模2kV的雷擊高壓，保證LED電源正常工作。然而，LED驅(qū)動(dòng)電源的抗雷擊浪涌要求是由LED芯片的抗過電應(yīng)力能力決定的。因此，對LED芯片的抗過電應(yīng)力能力的研究是十分必要的。

　　基于此，本文針對幾種類型不同的大功率LED芯片進(jìn)行雷擊浪涌實(shí)驗(yàn)，以探討不同大功率LED芯片抗過電應(yīng)力能力，為LED戶外燈具的驅(qū)動(dòng)電源與LED芯片的選擇，以及抗雷擊浪涌浪涌能力的設(shè)計(jì)研發(fā)提供參考，具有重要的實(shí)際意義。

　　2、LED芯片抗過電應(yīng)力能力的影響因素

　　首先，LED芯片可承受的電流密度決定其抗過電應(yīng)力能力，LED芯片能承受的單位橫截面積上的電流越大，其抗過電應(yīng)力能力越強(qiáng)。對于常規(guī)電導(dǎo)體電流密度必須足夠低，以防止導(dǎo)體熔化或熔斷，或者絕緣材料被擊穿[4]。在大電流密度下LED芯片內(nèi)部會(huì)發(fā)生電遷移現(xiàn)象。導(dǎo)電金屬材料在通過較高電流密度時(shí)，金屬原子會(huì)沿著電子運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行遷移擴(kuò)散。在LED中電遷移使金屬原子從一個(gè)晶格自由擴(kuò)散到另一個(gè)晶格空位上。以倒裝結(jié)構(gòu)芯片為例，當(dāng)電子流從互連引線流入共晶合金凸點(diǎn)時(shí)，由于互連引線到凸點(diǎn)的幾何形狀產(chǎn)生了突變，因此會(huì)在界面上產(chǎn)生電流密度聚集和局部焦耳熱效應(yīng)[5]。電流密度聚集使得凸點(diǎn)和芯片及基板引線里的電流密度分布不均勻，導(dǎo)致電流密度聚集處局部產(chǎn)生了復(fù)雜的電遷移力，加速了電遷移的過程，同時(shí)加速了LED的失效。

　　其次，電流聚集效應(yīng)影響芯片的抗過電應(yīng)力能力。電流聚集是電流密度在芯片上的不均勻分布，尤其在芯片接觸點(diǎn)附近和P-N接點(diǎn)上方。LED芯片的電流聚集現(xiàn)象在芯片上形成局部過熱形成熱點(diǎn)，加劇電遷移效應(yīng)使電流密度局部分布不均勻，不均勻的電流密度使得芯片局部溫度上升，而溫度上升又引起電阻率降低，從而導(dǎo)致局部載流子的俄歇復(fù)合增加[6]，影響芯片的內(nèi)量子效率。少數(shù)載流子通過異質(zhì)結(jié)的電荷區(qū)時(shí)發(fā)生滲漏，會(huì)引起電流的注入效率下降，從而造成LED芯片局部發(fā)光不均、過熱，影響芯片的發(fā)光性能和使用壽命，最終導(dǎo)致LED芯片短路或開路。當(dāng)芯片尺寸和注入電流較大時(shí)，這種現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。

　　最后，LED芯片鍵合線的載流能力是影響LED芯片抗過電應(yīng)力能力的一個(gè)因素。雖然由于鍵合線的熔斷導(dǎo)致LED失效在實(shí)際應(yīng)用中不常見，但是鍵合線的直徑、長度、鍵合類型、金屬的物理材質(zhì)性質(zhì)、電阻性都對金線的載流能力有影響。當(dāng)過電應(yīng)力較大時(shí)，導(dǎo)體熔斷使LED開路。

　　以上因素共同影響LED芯片的抗過電應(yīng)力能力。通過不同的芯片技術(shù)工藝可以改善芯片的電遷移及電流聚集效應(yīng)。例如，優(yōu)化的插指電極可以改善電流擁擠現(xiàn)象;垂直結(jié)構(gòu)芯片使電流在芯片內(nèi)縱向流動(dòng)可以改善電流聚集現(xiàn)象。同時(shí)倒裝芯片的電極和Bump的數(shù)目[5]、位置以及歐姆接觸的加工制作對于芯片的電流擴(kuò)展有顯著的影響，通過優(yōu)化電極、Bump的幾何及電學(xué)參數(shù)等可以較大程度的減弱電流擁擠效應(yīng)，改善電流密度分布的不均勻性，促進(jìn)電流擴(kuò)展，降低芯片總的等效電阻。

　　可見不同結(jié)構(gòu)不同工藝的LED芯片在相同的浪涌脈沖下，抗過電應(yīng)力的表現(xiàn)不同。下面通過實(shí)驗(yàn)找到市場上常見大功率LED芯片的抗單次脈沖電流峰值的范圍。

　　3、不同大功率LED芯片抗單次脈沖電流的實(shí)驗(yàn)

　　為了模擬實(shí)際雷擊對LED燈具及芯片的影響，采用杭州遠(yuǎn)方EMS61000-5A[7]智能型雷擊浪涌發(fā)生器，模擬雷擊過程中電網(wǎng)中產(chǎn)生的浪涌波形。

　　EMS61000-5A的輸出波形為：電壓綜合波1.2/50μs和電流綜合波8/20μs的標(biāo)準(zhǔn)組合波[8]，其中電壓綜合波(如圖1所示)波前時(shí)間：T1=1.67T=1.2μs±0.36μs，半峰值時(shí)間：T2=50μs±10μs。

　　電流綜合波(如圖2所示)波前時(shí)間：T1=1.25T=8μs±1.6μs，半峰值時(shí)間：T2=20μs±4μs。

　　當(dāng)使用LED整燈(包含燈珠和驅(qū)動(dòng)電源)作為浪涌測試對象時(shí)，發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)浪涌波形經(jīng)過LED電源后其輸出浪涌電流是不確定的，由于不同生產(chǎn)廠家的驅(qū)動(dòng)電源抗雷擊設(shè)計(jì)不同，造成電源輸出端即燈珠輸入端浪涌波形的形態(tài)及峰值電流大小不可控，增加了實(shí)驗(yàn)過程中的不確定因素。

　　為解決以上問題，本實(shí)驗(yàn)使用直流供應(yīng)器直接對單顆LED供電，將浪涌波形加在直流電路中。通過調(diào)節(jié)設(shè)備輸出的脈沖電壓峰值大小和與單顆LED相串聯(lián)的電阻阻值，來改變燈珠輸入端電流脈沖峰值的大小。這樣就做到了浪涌波形的確定及脈沖峰值電流大小的可控。

　　實(shí)驗(yàn)時(shí)首先將燈珠在350mA工作電流下點(diǎn)亮，在串聯(lián)有電阻和LED燈珠的電路中施加以上脈沖波形。脈沖電壓由250V開始逐步增加，增加間隔為50V。每個(gè)電壓檔進(jìn)行浪涌沖擊5次，每個(gè)波形間隔10s。如果測試完成后燈珠正常工作，就進(jìn)入下一個(gè)電壓檔繼續(xù)測試。同時(shí)使用示波器觀察燈珠兩端的峰值電流波形，當(dāng)燈珠失效擊穿時(shí)記錄其脈沖波形，確定其失效時(shí)脈沖峰值電流(為排除燈珠保護(hù)電極對實(shí)驗(yàn)影響，實(shí)驗(yàn)前將燈珠保護(hù)電極去除)。

　　3.1藍(lán)寶石襯底水平結(jié)構(gòu)芯片抗浪涌測試

　　對市場上一款尺寸為45mil*45mil尺寸的水平結(jié)構(gòu)LED芯片進(jìn)行浪涌測試。由250V浪涌開始，燈珠在300V第二次浪涌沖擊時(shí)失效。記錄到燈珠失效時(shí)其兩端的電流浪涌波形如圖3所示。

　　實(shí)驗(yàn)共測試5顆水平結(jié)構(gòu)LED燈珠，其失效時(shí)脈沖電流峰值分別為：15.55A、15.88A、15.00A、15.62A、15.22A。

　　對浪涌后燈珠分析發(fā)現(xiàn)，燈珠完全短路，芯片電極處完全擊穿熔斷，如圖4所示：

　　圖5、圖6分別為藍(lán)寶石襯底正裝結(jié)構(gòu)芯片在1mA和150mA下芯片表面亮度分布圖。從圖中可以觀察到在1mA下芯片表面電流分布不均勻?qū)е滦酒砻媪炼炔痪鶆颍瑫r(shí)隨著電流增大(150mA)，電流分布不均勻現(xiàn)象加劇。

　　3.2 SiC倒裝結(jié)構(gòu)LED芯片抗浪涌測試

　　選用市場上一款尺寸為40mil*40mil大小的SiC襯底倒裝結(jié)構(gòu)芯片做抗過電應(yīng)力測試。燈珠在650V浪涌電壓下失效，其失效時(shí)承受的浪涌波形如圖7所示。

　　實(shí)驗(yàn)共測試5顆SiC襯底倒裝結(jié)構(gòu)LED芯片，其失效時(shí)的脈沖峰值電流分別為：29.22A、29.68A、33.57A、35.68A、35.39A。通過對比發(fā)現(xiàn)，以上峰值電流比測試過的水平結(jié)構(gòu)芯片抗浪涌峰值電流高出一倍。

　　對浪涌后燈珠分析發(fā)現(xiàn)，燈珠完全短路，如圖8所示：

　　圖9、圖10分別為SiC襯底正裝結(jié)構(gòu)芯片在1mA和150mA下芯片表面亮度分布圖。

　　觀察測試SiC襯底的倒裝芯片結(jié)構(gòu)的燈珠在1mA與150mA下芯片表面亮度分布圖，發(fā)現(xiàn)在小電流下芯片亮度分布較均勻，表明芯片電流分布均勻。同時(shí)隨著電流的增大(150mA)，芯片中沒有出現(xiàn)明顯的電流分布不均勻現(xiàn)象。

　　對于GaN基藍(lán)光LED，SiC與GaN之間的晶格失配率僅3.4%，遠(yuǎn)小于藍(lán)石襯底與GaN之間17%的晶格失配，SiC襯底上外延生長的GaN薄膜具有更低的位錯(cuò)缺陷密度，意味著SiC襯底的GaN LED具有更高的內(nèi)量子效率，適合在大電流密度下工作。另外，SiC的熱導(dǎo)率很高(420W/m.K)，是藍(lán)寶石(23-25W/m.K)的十五倍以上[9]，有利于LED器件的散熱，提高LED的可靠性。

　　3.3藍(lán)寶石剝離襯底倒裝LED芯片抗過電應(yīng)力測試

　　選用市場上一款尺寸為55mil*55mil以藍(lán)寶石剝離襯底的倒裝結(jié)構(gòu)燈珠做過電應(yīng)力測試。芯片在350V浪涌電壓下失效，其失效浪涌波形如圖11所示。

　　實(shí)驗(yàn)測試的5顆藍(lán)寶石剝離襯底倒裝結(jié)構(gòu)燈珠失效時(shí)承受的脈沖電流峰值分別為：16.2A、16.59A、12.23A、14.49A、14.53A。

　　圖12藍(lán)寶石倒裝LED光源浪涌失效后的芯片表面，芯片表面可以明顯觀察到由于電流擁擠產(chǎn)生的局部溫度過高造成的擊穿。

　　3.4 SiC襯底垂直結(jié)構(gòu)LED芯片抗過電應(yīng)力測試

　　選用市場上一款尺寸為55mil*55mil，以SiC為襯底的垂直結(jié)構(gòu)芯片做雷擊浪涌測試，芯片在600V浪涌電壓下失效。其失效的浪涌波形如圖13所示。

　　實(shí)驗(yàn)測試5顆SiC襯底垂直結(jié)構(gòu)燈珠失效時(shí)承受的脈沖電流峰值分別為：24.4A、28A、25.2A、24.6A、26.0A。

　　對失效燈珠進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，其失效區(qū)域集中在電極附近，如圖14所示。

　　3.5 Si襯底轉(zhuǎn)移垂直結(jié)構(gòu)LED芯片抗過電應(yīng)力測試

　　選用市場上一款尺寸為45mil*45mil，Si襯底轉(zhuǎn)移垂直結(jié)構(gòu)芯片做過電應(yīng)力測試，芯片在350V浪涌電壓下失效。其失效時(shí)承受的浪涌波形如圖15所示。

　　實(shí)驗(yàn)測試的5顆Si襯底垂直結(jié)構(gòu)芯片失效時(shí)承受的脈沖電流峰值分別為：16.6A、16.6A、16.4A、16.2A、16.5A。

　　對失效芯片進(jìn)行分析，可明顯觀察到N電極附近金屬化電極擊穿，如圖16所示。

　　將以上測試結(jié)果記錄如表1所示：

　　4、結(jié)論

　　通過對市場上常見的大功率LED芯片的抗過電應(yīng)力能力測試，發(fā)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)不同工藝LED芯片的抗過電應(yīng)力能力差別很大。其失效時(shí)承受的單次脈沖電流峰值范圍在12A到35A之間。對于LED驅(qū)動(dòng)電源，其在遭受雷擊浪涌時(shí)在保證自身正常工作的前提下，還需要保證其輸出端的浪涌波形峰值電流小于12A，這樣才能保護(hù)LED燈珠，避免其立即失效。當(dāng)然，還需要考慮另一種情況，即LED燈珠在承受過電應(yīng)力時(shí)，失效初期僅僅表現(xiàn)為燈珠漏電，需要老化一段時(shí)間后才出現(xiàn)光通量的明顯下降或死燈現(xiàn)象。這種情況對于LED驅(qū)動(dòng)電源的抗雷擊能力有更高的要求，我們在后期將增加浪涌沖擊后燈珠漏電檢測及加速老化的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，完善這部分的研究工作。

　　提高LED燈具抗雷擊能力的另一個(gè)方面即提高燈具使用的LED光源的抗過電應(yīng)力能力，在表1中可以看到倒裝結(jié)構(gòu)SiC襯底(圖形化處理襯底，未完全剝離襯底)能承受的脈沖電流峰值達(dá)到32A，在抗過電應(yīng)力上有很好的表現(xiàn)，與抗雷擊浪涌能力強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)電源結(jié)合使用可以提升燈具的整體抗雷擊性能。當(dāng)然，大功率LED芯片制作工藝(如芯片結(jié)構(gòu)、外延制造等)對芯片抗過電應(yīng)力能力起決定性作用的方面在表1中沒有充分反映，這也是我們下一階段的課題方向。