摘要：通過對不同驅動電流下各種顏色LED結溫和熱阻測量，發現各種顏色LED的熱阻值均隨驅動電流的增加而變大，其中基于InGaN材料的藍光和白光LED工作在小于額定電流下時，熱阻上升迅速；驅動電流大于額定電流時，熱阻上升速率變緩。其他顏色LED熱阻隨驅動電流變化速率基本不變。結溫也隨驅動電流的增加而變大。相同驅動電流下，基于AlGaInP材料的1W紅色、橙色LED的結溫要低于基于InGaN材料的藍色、綠色、白色LED的結溫。分別用正向電壓法和紅外熱像儀法測量了實驗室自制的1mm×1mm藍光芯片結溫，比較了兩種方法的優缺點。結果表明，電學法測量簡單快捷，測量結果可以滿足要求。
引言
全球照明協會表示在不遠的將來，大功率發光二極管(Powerlight-emittingdiodes)將在普通照明領域起到至關重要的作用。自1994年以來，大功率LED得到迅猛發展，已經在諸多領域(如路燈、汽車尾燈、LCD背光源等)取代了傳統光源。近年來，LED技術的發展更是日新月異，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技術正在向大功率、高亮度、高效率、低成本方向發展。功率LED的光學特性和電學特性強烈依賴于結溫。隨著LED功率的增大，過高的結溫會影響LED的壽命和可靠性，散熱問題變得日益嚴峻。因此，了解功率LED結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的結溫和熱阻隨電流的變化特性進行了研究。
1、功率LED結溫測量方法
按標準，熱阻的一般定義是：在熱平衡的條件下，兩規定點(或區域)溫度差與產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、發光強度等。對于LED，由于熱源在pn結處，其最高溫度通常指pn結的溫度，即結溫Tj，它也是影響LED可靠性的重要參數。目前比較成熟的結溫測量方法有紅外熱像儀法和正向電壓法(又稱標準電學法)。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藍色、綠色LED、1WAl-GaInP紅色、橙色LED以及1W、3W藍寶石襯底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芯片并聯結構，白光是通過在In-GaN藍光LED表面涂敷YAG熒光粉實現。
3、實驗及結果分析
測試時環境溫度設置為25°C，驅動電流從100mA上升到1A，增長間隔為100mA。
摘要：通過對不同驅動電流下各種顏色LED結溫和熱阻測量，發現各種顏色LED的熱阻值均隨驅動電流的增加而變大，其中基于InGaN材料的藍光和白光LED工作在小于額定電流下時，熱阻上升迅速；驅動電流大于額定電流時，熱阻上升速率變緩。其他顏色LED熱阻隨驅動電流變化速率基本不變。結溫也隨驅動電流的增加而變大。相同驅動電流下，基于AlGaInP材料的1W紅色、橙色LED的結溫要低于基于InGaN材料的藍色、綠色、白色LED的結溫。分別用正向電壓法和紅外熱像儀法測量了實驗室自制的1mm×1mm藍光芯片結溫，比較了兩種方法的優缺點。結果表明，電學法測量簡單快捷，測量結果可以滿足要求。
引言
全球照明協會表示在不遠的將來，大功率發光二極管(Powerlight-emittingdiodes)將在普通照明領域起到至關重要的作用。自1994年以來，大功率LED得到迅猛發展，已經在諸多領域(如路燈、汽車尾燈、LCD背光源等)取代了傳統光源。近年來，LED技術的發展更是日新月異，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技術正在向大功率、高亮度、高效率、低成本方向發展。功率LED的光學特性和電學特性強烈依賴于結溫。隨著LED功率的增大，過高的結溫會影響LED的壽命和可靠性，散熱問題變得日益嚴峻。因此，了解功率LED結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的結溫和熱阻隨電流的變化特性進行了研究。
1、功率LED結溫測量方法
按標準，熱阻的一般定義是：在熱平衡的條件下，兩規定點(或區域)溫度差與產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、發光強度等。對于LED，由于熱源在pn結處，其最高溫度通常指pn結的溫度，即結溫Tj，它也是影響LED可靠性的重要參數。目前比較成熟的結溫測量方法有紅外熱像儀法和正向電壓法(又稱標準電學法)。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藍色、綠色LED、1WAl-GaInP紅色、橙色LED以及1W、3W藍寶石襯底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芯片并聯結構，白光是通過在In-GaN藍光LED表面涂敷YAG熒光粉實現。
3、實驗及結果分析
測試時環境溫度設置為25°C，驅動電流從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是環境溫度為25°C，1WAlGaInP紅色和橙色LED的熱阻隨驅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熱阻均隨驅動電流的增加而增大，在相同驅動電流下，橙色AlGaInPLED的熱阻值要高于紅色LED。在驅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有更高的結溫。
圖1：AlGaInP紅色和橙色LED熱阻變化趨勢圖
圖2是環境溫度為25°C，1WInGaN綠色和藍色LED的熱阻隨驅動電流的變化趨勢圖。從圖中可以看出，InGaN綠色和藍色LED的熱阻一樣隨驅動電流的增加而變大，其中藍光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，其變化幅度較藍光LED要小。藍光LED在大于額定工作電流350mA的驅動電流下工作時，熱阻的變化趨于緩和，由于器件在大于額定電流下工作時，器件內部的各種缺陷、材料的不匹配度等達到了穩定值，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內電極翹起、金線熔斷)，導致隨驅動電流的增加，器件內部阻礙熱流傳導到外部的障礙并沒有太大變化。文中認為熱阻的升高可能是由于大電流導致的電流擁擠效應，電流擁擠效應又導致了電光轉換效率的減少(輻射復合區域減少)，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，并最終導致了熱阻的上升。
圖2：InGaN綠色和藍色LED熱阻變化趨勢圖
圖3是環境溫度為25°C，1WInGaN白色和藍色LED的熱阻隨驅動電流的變化趨勢圖。雖然白光LED要比藍光LED多出一層YAG熒光粉，但如圖3所示，二者的熱阻值差異不大，表明YAG熒光粉并未嚴重影響1W白光LED的散熱，功率LED的內部熱量靠輻射散發的很少，主要還是靠芯片傳導到襯底，襯底傳導到鋁基板的方式散發到外部的。
圖3：InGaN基白色和藍色LED熱阻變化趨勢圖
圖4是3W白光LED熱阻隨驅動電流變化的趨勢圖，其中，圖4(a)是美國照明研究中心的Jayasinghe等人在環境溫度25°C時測得的3W白光LED熱阻在不同驅動電流下的變化趨勢圖，圖4(b)是在相同環境溫度下測得的3WInGaN基白光LED熱阻趨勢圖。兩種試驗用的LED芯片大小相同，但美國照明研究中心所測量的管子比筆者的封裝要大些。圖4(a)中驅動電流從100～800mA變化時，熱阻值由8°C·W-1上升到15°C·W-1，在相同的電流變化范圍內，圖4(b)熱阻值由7.5°C·W-1上升至19°C·W-1，差異較小，說明我國大功率白光LED發展迅速，其散熱性能已經比較好。
圖4：(a)美國照明研究中心測量的3W白色LED熱阻隨電流變化趨勢圖；(b)3W白色LED熱阻隨輸入電流變化趨勢圖
3.2 正向電壓法測量結溫分析
表1是環境溫度25°C，驅動電流變化范圍從100～1000mA時，不同顏色1W功率LED在相應電流下的結溫。從表中可以看出，各種顏色的功率LED結溫均隨驅動電流的增加而上升。分析認為，隨著驅動電流的加大，會導致LED內部產生電流擁擠效應，電流擁擠會導致光輸出效率的減少(輻射復合減少)，因此導致結溫上升，而結溫的升高會導致LED材料熱導率的變化。一些小組研究得出GaN導熱系數在25～175°C時從2.50W/(cm·K)下降到1.75W/(cm·K)[4]；其他人研究說溫度從25～125°C時，GaN導熱系數由2.0W/(cm·K)下降至1.6W/(cm·K)[5]。反過來，材料導熱系數的下降又會制約LED的熱傳導，進一步提高LED結溫，如此相互制約，甚至會形成惡性循環。另外，過大的電流還會導致LED各接觸層之間失配度的變化、焊料的退化等，也會導致LED溫度的升高。
表1：正向電壓法測得的各種顏色1W功率LED在不同驅動電流下的結溫值
其次，從表中可以看出，由AlGaInP材料制作的紅色、橙色LED結溫在相同驅動電流下結溫差距不大，由InGaN材料制作的藍色、綠色、白色LED的結溫也很相似，而由AlGaInP材料制作的LED的結溫要遠遠低于InGaN材料制作的LED。這是由于材料禁帶寬度差異，在相同輸入電流下InGaN材料制作的LED電壓值要高于AlGaInP材料制作的紅色、橙色LED，雖然InGaN材料LED的光電轉換效率要高些，但其電功率轉換成熱功率的值仍要大于Al-GaInP紅色、橙色LED。即在相同驅動電流下，In-GaN材料LED產生的熱功率要大于AlGaInP材料的紅色、橙色LED。而且，由于InGaN材料的P型摻雜濃度低于AlGaInP材料，導致InGaN芯片的串聯歐姆電阻要大于AlGaInP材料的串聯歐姆電阻，大電流條件下串聯歐姆電阻產生的熱量[7]也是導致兩種芯片LED結溫不同的重要因素。
再次，AlGaInP材料制作的紅色LED的結溫要低于相同芯片材料的橙色LED，反證了文中關于圖2
的解釋是合理的。
3.3 正向電壓法、紅外熱像儀法比較
采用實驗室自制的1mm×1mm芯片進行了正向電壓法和紅外熱像儀法測量結溫的方法比較。圖5是兩種方法測得的1W藍光LED在不同驅動電流下的結溫變化曲線。由圖可以看出，兩種方法測得的結溫值基本相同，無論哪種方法，結溫均隨驅動電流的增加而增大。正向電壓法得到的是平均溫度效應。相比之下，紅外熱像儀法能夠快捷地獲取器件表面的溫度分布圖像，展現芯片質量的全局概況，并能清晰顯示出可能導致器件熱失效主要因素——熱斑的分布密度，尤其近些年來，通過結合現代高速發展的計算機技術、微電子技術和圖像處理技術，光學測溫技術的靈敏度、精度、穩定性和自動化程度都得到了大幅度提高，其應用領域也越來越廣泛。但其缺點是只能測量未封裝的裸露芯片，封裝后的芯片必須拆封后才能進行測量，并且測量儀器昂貴。
圖5：正向電壓法和紅外熱像儀法測得的藍光LED結溫
圖6是利用紅外熱像儀測得的藍光LED在驅動電流為800mA時的表面溫度分布圖。由圖可以看出，該種倒裝結構的大面積區域溫度分布比較均勻，最高溫度為79.37°C，主要集中在N型電極壓焊點附近的P區。最低溫度為70.43°C，溫差較小，主要原因是這種LED芯片采用了環形插指電極結構減小了電流擴展路徑，使電流在N型區流動的橫向電阻減小，產生熱量降低，所以器件溫升小。
圖6：1W 藍光LED表面溫度分布
4、結論
通過對不同驅動電流下各種顏色LED結溫和熱阻的測量發現，任何顏色LED的熱阻均隨驅動電流的增加而變大，其中InGaN材料的藍光、白光LED在小于額定電流下工作時，熱阻上升迅速；驅動電流高于額定電流時，熱阻上升速率變緩。其他顏色LED熱阻隨驅動電流變化速率基本不變。結溫也會隨驅動電流的增加而變大。相同驅動電流下，由AlGaInP材料制作的紅色、橙色LED結溫要低于In-GaN材料的藍色、綠色、白色LED的結溫。比較了正向電壓法和紅外熱像儀法測得的藍光LED結溫值，分析了兩種方法的優缺點。結果表明，紅外熱像儀法能夠直觀地反映芯片的最高溫度區域，器件的失效最終還是由最高溫度決定的；但正向壓降法測得的結溫與紅外法差別不大，作為一種快捷方便非破壞性的方法，可以首先被普遍采用。