1、清華大學(xué)清華大學(xué) 集成光電子學(xué)國家重點實驗室集成光電子學(xué)國家重點實驗室清華大學(xué)深圳研討生院清華大學(xué)深圳研討生院 半導(dǎo)體照明實驗室半導(dǎo)體照明實驗室 羅毅 錢可元 韓彥軍功率功率LED空間溫度場分布及散熱的研討空間溫度場分布及散熱的研討 微區(qū)溫度場的數(shù)值計算微區(qū)溫度場的數(shù)值計算微區(qū)溫度場的測試微區(qū)溫度場的測試芯片面積的限制要素芯片面積的限制要素功率功率LED運用中的光學(xué)問題研討運用中的光學(xué)問題研討 LED照明光學(xué)的特點照明光學(xué)的特點新型準(zhǔn)直新型準(zhǔn)直LED光源的設(shè)計光源的設(shè)計 由于III族氮化物的p型摻雜受限于Mg受主的溶解度和空穴的較高激活能，熱量特別容易在p型區(qū)域中產(chǎn)生，這個熱量必需經(jīng)過整個構(gòu)造

2、才干在熱沉上散失；LED器件的散熱途徑主要是熱傳導(dǎo)和熱對流；Sapphire襯底資料極低的熱導(dǎo)率導(dǎo)致器件熱阻添加，產(chǎn)生嚴(yán)重的自加熱效應(yīng)，對器件的性能和可靠性產(chǎn)生消滅性的影響。 熱量集中在尺寸很小的芯片內(nèi)，芯片溫度升高，引起熱應(yīng)力的非均勻分布、芯片發(fā)光效率和熒光粉激射效率下降；當(dāng)溫度超越一定值時，器件失效率呈指數(shù)規(guī)律添加。統(tǒng)計資料闡明，元件溫度每上升2，可靠性下降10%。 當(dāng)多個LED密集陳列組成白光照明系統(tǒng)時，熱量的耗散問題更嚴(yán)重。 處理熱量管理問題已成為功率LED運用的先決條件。 為理處理大功率LED管芯的散熱問題，首先必需確定大功率LED任務(wù)時的溫度場分布，并由此確定出對于一定的芯片構(gòu)造和

3、封裝方式，單個芯片能接受的最大功率和最大芯片尺寸。在分析計算器件的三維溫度分布中，不僅可以看到溫度隨垂直方向的變化，而且能清楚地顯示由于器件電極構(gòu)造以及電流分布場引起的芯片外表的不同溫度分布。 l 計算值l 1w 插指狀電 極 ， 倒 裝焊芯片。 v采用三維可調(diào)理微形熱電偶探針法進(jìn)展微區(qū)溫度的丈量v探頭尺寸100m v溫度分辨率0.3倒裝焊功率LED芯片外表的溫度分布實測值。71.368.562.073.368.961.873.169.262.4v減小電流密度分布的不均勻性；v電極的資料與制造v電極的拓?fù)錁?gòu)造設(shè)計v合理規(guī)劃倒裝焊的電極和焊點分布；v提高倒裝焊個焊點的均勻性；v防止芯片部分過熱v

4、提高功率LED的亮度最直接的方法是增大輸入功率，而為了防止有源層的飽和必需相應(yīng)地增大p-n結(jié)的尺寸；v增大輸入功率必然使結(jié)溫升高，進(jìn)而使量子效率降低。單管功率的提高取決于器件將熱量從p-n結(jié)導(dǎo)出的才干；v在堅持現(xiàn)有芯片資料、構(gòu)造、封裝工藝、芯片上電流密度不變及等同的散熱條件下，單獨添加芯片的尺寸, 結(jié)區(qū)溫度將不斷上升。 lTj1：采用普通銀導(dǎo)熱膠、鋁金屬熱沉；lTj2 ：采用新導(dǎo)熱膠、銅金屬熱沉。 l倒裝焊更有利于散熱，但凸焊點的熱阻還需減小。l導(dǎo)熱銀膠的熱阻有待改善。l封裝資料方面，傳統(tǒng)的環(huán)氧膠高溫性能不佳。銀膠金屬熱沉凸焊點Sil器件耗散功率：20wl散熱面積：330cm2l底板溫度將達(dá)8

5、3 C以上。(環(huán)境溫度25 C)l芯片結(jié)溫將達(dá)100 C120mm必需思索更有效的散熱途徑必需思索更有效的散熱途徑v常規(guī)燈泡發(fā)出的光發(fā)散到全空間立體角內(nèi) ； v照明LED相對于常規(guī)燈泡的優(yōu)點之一就在于其光束的方向可控；v對于投射照明，需求的光束角較窄；對于大面積照明，那么需求有較寬的光束角，并且可以滿足特定的光強遠(yuǎn)場分布要求；v背光源運用那么要求均勻度在90以上的面光源。v對照明LED光強遠(yuǎn)場分布的模擬以及相應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的研討，是半導(dǎo)體照明運用中的重要環(huán)節(jié)。 l從光學(xué)的角度上來說，功率LED的特點：l 發(fā)光面積小(1mm2 )；l 光通量較大(30 lm )；l 近似為朗伯(Lambert)光源

6、。l 根據(jù)非成像光學(xué)實際，光學(xué)系統(tǒng)的最高搜集效率Pmax與光學(xué)系統(tǒng)的出射孔徑(A0)與入射孔徑Ai之比成正比，l l 易于實現(xiàn)光的高效搜集成像光學(xué)系統(tǒng)與非成像光學(xué)系統(tǒng)的比較非成像光學(xué)系統(tǒng)成像光學(xué)系統(tǒng)SourceSourceReceiverReceiverl光強遠(yuǎn)場分布：l 照明LED一個重要目的；l 決議LED封裝中的構(gòu)造及光學(xué)元件；l蒙特卡羅光線追蹤法(Monte Carlo Ray Tracing Method)：l 處理大量光子統(tǒng)計行為問題。l 根據(jù)設(shè)定的模型及邊境條件追蹤光子軌跡，求出光強遠(yuǎn)場分布。l在計算中，需求思索芯片的多層構(gòu)造、資料的折射率、邊境對光的折射與反射條件等。 Thick P ContactMQWSapphireP-GaN N-GaN透鏡形式 12341/2計算值 55.5 82.191.2121.81/2實測值 54.1 79.383.3115.7角度誤差 2.6% 3.5%9.5%5.3%l當(dāng)LED運用于投射照明時，需求設(shè)計一種高效的準(zhǔn)直LED光源；l如采用二次光學(xué)元件準(zhǔn)直透鏡，與封裝后的LED配合運用，那么由于空氣隙的存在，必然會引起反射損耗；l設(shè)計了一個直接對LED芯片進(jìn)展封裝準(zhǔn)直的透鏡系統(tǒng)。lLED準(zhǔn)直透鏡的設(shè)計分為兩部分：l編程計