大功率AlGaInP红光LED散热基板热分析

第29卷第3期光学学报VoL 29. No. 32009年3月ACTA OPTICA SINICA文章编号:0253-2239(2009)03-080506大功率 AlGaInp红光LED散热基板热分析陈焕庭1·2吕毅军12陈忠12张海兵2高玉琳12(厦门大学物理系,福建厦门361005;2福建省半导体照明工程技术研究中心,福建厦门361005)摘要采用有限体积数值模拟、瞬态热阻测试方法以及热沉温度一峰值波长变化的关系,对三种散热基板上大功率 AlGaInP红光发光二极管(LED)进行热特性分析。三种LED采用相同型号、规格,散热基板,区别在于散热通道以及材料。测量样品的瞬态温度响应曲线,基于结构函数理论模型对温度响应曲线进行数学处理得出包含热阻与热容的结构函数区分出样品内部热流通道上各个区域的热阻与热容,进而发现散热瓶颁区域。测试样品在不同热沉温度下的电致发光光谱,通过热沉温度一峰值波长系数为区别样品散热性能提供定性判断依据。通过模拟与测试结果比较,为优化陶瓷基板内部散热结构,设计最佳的散热模型提供重要参考依据关键词光学器件;发光二极管;陶瓷基板;瞬态热阻测试法;结构函数;有限体积法中图分类号TN3文献标识码Adoi:10.3788/A0s20092903.0805Analysis of Thermal Spreading Boards for High-PowerAlGaInP Red LEDsChen Huanting.2 Li Yijun.2 Chen Zhong.2 Zhang Haibing.2 Gao Yulin,2(2 Fujian Engineering Research Center for Solid-State Lighting, Xiamen University, Xiamen, Fujian, 361005, ChinaAbstract The thermal characteristics of three kinds of thermal spreading boards with high-power AlGaInP LEDswere analyzed by finite volume thermal simulation method, transient thermal resistence measurement and therelationship of heat sink temperature and peak wavelength. with the same type and configuration of AlGaInP LEDsthe three kinds of thermal spreading boards, the difference lies in thermal spreading channels and materialsTransient temperature response curve is measured from which structure functions are extracted to evaluate thethermal resistance and the thermal capacitance in the heat flow path. Based on the structure function, thermalproblem during the heat flow path can be easily located. The electroluminescence spectra of AlGaInP LEDs withdifferent thermal spreading boards under various electrical currents were investigated. In terms of the relationship ofheat sink temperature-peak wavelength, the thermal characteristics of samples can be qualitatively estimated. Bycomparison, thermal simulation and testing offer important evidence for the optimization and design of the mostsuitable thermal spreading model for ceramic boardsKey words optical device: light emitting diode(LED); ceramic board; transient thermal resistence meaststructure function; finite volume method1引言用于照明领域以及其它领域中[:。大功率LED耗与普通光源相比,发光二极管(LED)具有省电、散功率高,芯片温升幅度大。芯片温度升高将使其寿命长、光效高、无辐射、无污染等特点已被广泛应输出光通量减小,峰值波长漂移荧光粉转换效率降收稿日期:20080811;收到修改稿日期:20080901基金项目:国家863计划重大专项(2000738建省V凵中国煤化工福建省自然科基金(20080030)资助课题者筒介:陈焕庭(1982一),男博士研究生,主要从事半导体照CNMHG23@yahoo.cn导师简介:吕毅军(1973-)男,副教授硕士生导师主要从事Ⅲ-V材料的光学性质研究,半导体照明测试研究E-mail;yilu@xmu.edu.cn光29卷低,在金属界面区域形成金属扩散以及金属化合物,谱,定性判别峰值波长偏移幅度与散热性能关系。隧穿电流增大3-5。因此如何提高大功率LED散热性能是大功率LED器件封装应用要解决的关鍵2理论问题。大功率LED所产生热量主要通过散热基2.1结构函数理论模型板传导到外界环境中。不同的散热基板材料导热性V. Szekely等0·最早提出结构函数理论模能各不相同。散热基板选取对大功率LED器件热型,将待测器件的瞬态温度响应曲线a()经过(1)性能有直接影响。常用的散热基板材料包括硅金式转换,得到对数时间坐标系中的响应变量a(x)属芯印制板( MCPCB)、陶瓷(Al2O3,AN,SiC)和复(1)合材料等。 MCPCB是将印刷电路板贴附在另外一da(x)=R(z)⑧w(x),(2)种热传导效果更好的金属上,增强散热性能,可有效解决大功率器件所带来的散热问题。在实用陶瓷基pLz-exp(z)](3)板材料中,氧化铝价格较低,从机械强度、绝缘性、导K(R:)(4)热性、耐热性、化学稳定性等方面考虑,综合性能好cA dx对传统铝基板以及氧化铝陶瓷基板进行热特性/IA CA2(5)分析,选用有限体积法对样品内部温度场分布进行式中R(z)为时间常数谱型,⑧为卷积符号,c为单数值模拟。结合物理测试,验证仿真模型准确性,位体积热容,C,R分别为热流量路径上节点两端的并对陶瓷基板结构进行优化设计,从而大大提高散热容和热阻,Cx和Rx分别为C和R的叠加值,λ为热性能。在热阻测试中,由于芯片的温度响应时间热导率,A为热流通过的横截面积,u(z)为时间变般在100gs以下,如果最初1ms瞬态温度变化量,对(2)式去卷积运算,得到待测器件的时间常数数据没有被采集到,那么最终测试结果被低估10%谱分布R(z)R(z)为图1(a) FOSTER网络模型的~15%,因此需在1s时间分辨率下对LED芯片表达形式。 FOSTER网络模型中热容C连接不同的瞬态温度响应曲线实时测量,保证测试结果准确区域的两个节点,某节点热容大小和相邻两节点温。在不同热沉温度下,测试不同样品的电致发光度相关。但在实际物理模型中某节点热容是由该c工101(c) differential structure function(d cumulative structure function多10102中国煤化工图1热阻网络模型以及结构函数。(a) FOSTER网络模型;(b)CAUCNMHGd)积分结构函数Fig. 1 Model of thermal resistance network and structure function. (a)Model of FOSTER network:(b)model of CAUERnetwork,(c)differential structure function; (d)cumulative structure function陈焕庭等:大功率 AlGaInP红光LED散热基板热分析节点温度所决定的。因此需通过数学转换将结构函数。因此利用结构函数理论就能检测出芯片FOSTER网络模型变换为 CAUER网络模型[图1结点到环境的热传导路径发生的故障,如芯片粘结b)]。 CAUSER网络模型中各个支点上的热阻、热空隙、焊接缺陷等对器件封装内部失效性的分析,容信息通过积分结构函数[图1(d)]体现出来。为具有重要实际意义了能清楚区分器件内部热流传导路径上不同材料交2.2有限体积理论界面,利用(4)式将积分结构函数转换为微分结构函目前热分析软件运用的数值算法主要为有限差数[图(c)]结合(5)式可推断出在微分结构函数分法、有限元法、有限体积法。有限差分法只适合于图中波峰位置表示热导率高的材料,波谷位置表示规则的几何形状差分网格;有限元法占用大量计算热导率低的材料。通过积分或微分结构函数可以鉴机资源和处理时间而有限体积法综合了有限元和别出器件内部热流传导路径上各个区域的热阻与热有限差分法的优点,并克服它们的缺点。因此本文容。在积分或微分结构函数图中曲线变化区域就表采用有限体积法数值模拟法,其算法运用 Navier示热流经过不同材料界面或者相交界面横截面尺寸 Stokes方程在三维结构模型中全面分析电子系统不同因此利用拐点位置判断出不同材料的位置。的热辐射、热传导、热对流以及流体温度流体压力、通过结构函数理论分析可知在时间响应精度流体速度和运动矢量等。其遵循的质量、动量、热足够高的条件下,基于半导体封装设备的瞬态温度量方程分别为响应曲线就可通过上述理论反馈形成微分或积分+υ·VP=-p出+]-vp+/-3v(y,n)+2y,sT+nyT=y·(kyT)-(vp)2+2(s:S)+T+(y…plpl,式中p为密度V为速度矢量,户为压力C为定压出两款陶瓷散热基板。热容为时间g为重力加速度,μ为粘滞度,k为热对同一厂家同一批次中众多样品的光电热参导率S为应变速度张量,T为温度,β为膨胀率。数综合测试比较,前期筛选出3个综合性能参数基依据器件实际环境、材料参数定义方程并进行本一致的倒装硅衬底结构 AlGaInP红光LED样求解就可获得器件在各种情况下温度场的分布。品,从而确保样品粘结在不同散热基板后,具有可比性。样品#1散热底板为内部增加9个散热通道的3实验与模拟陶瓷基板;样品#2散热底板为无散热通道的陶瓷氧化铝陶瓷的玻璃成分一般有二氧化硅和其他基板;样品#3散热底板为通用铝基板。 MCPCH的厚度、面积与两款陶瓷基板相同。T3Ster是用于测氧化物组成玻璃含量可降低陶瓷的烧结温度。本文的陶瓷基板材料采用纯度为999%的ALO3和试CLED散热器,热管等电子器件热特性的热测试仪。采用 Mired公司的T3ster测试仪测试并比经熔融法制备的低软化点的硅酸盐玻璃将两种原较三种样品的散热能力。运用 JEDEC静态实验方料按一定比例混合,经湿法球磨后烘干。将烘干后法(JESD51-1),通过改变电子器件的输入功率使的粉体配制成浆料,进行注浆成型,制备出两个整体得器件产生温度变化。在变化过程中,T3Ser测试尺寸和形状相同的坯体。其区别在于其中一个坯体出芯片的瞬态温度响应曲线。基于升温或降温曲线的中心区域留有9个直径为1mm间距为1m的可分析得到待测器件全面的热特性,利用RC热阻矩阵型排列的散热通道,并在散热通道中注入银浆:网中国煤化工取出待测器件内用丝网印刷方式在两个陶瓷基板坯体上布上电路。部的YHtCNMHG函数和徽分结构之后将两个坯体放入电炉慢速升温(3K/min)到函数。太式所小723K保温1h进行排胶,接着以5K/min的速率升至1073K并保温2h,然后随电炉自然冷却制备光学学29卷功率型LED器件耗散电功率有约20%左右转有直接影响,可利用 FLOTHERM自动求解空气换为可见光,该部分光对热无贡献,为了准确计算发界面换热系数。空气导热系数、粘滞度、密度分别设光器件热阻,必须测试其光功率。因此利用T3ster置为2.61×10-2W/mk,1.84×10-5N·s/m2,配备的 TERALED系统测试待测器件的光功率,加1.16Kg/m热电流为350mA,测试电流为3mA,热沉温度控制范围298~328K,每间隔10K采集待测器件的电4结果分析压、光功率、温度变化曲线。将待测器件电功率扣除利用结构函数理论提取积分结构函数图2为样光功率得到其实际发热功耗,依据电压随温度变化品#3积分结构函数图。积分结构函数長示待测器关系,计算温度系数K。对样品加载恒定电流件一维热传导路径上RC网络结构示意图,横轴为热350mA,热沉温度控制范围28~348K,每隔20K阻值(R),纵轴为热容对数坐标。从图中可直观区采用 HR4000CG-UV-NIR高分辨率光纤光谱仪测试分出芯片结点-热沉的热阻以及热容。芯片热阻为样品电致发光谱。2.020K/W,焊料热阻为8.381K/W,硅衬底热阻为依据LED实际封装尺寸在有限体积模拟软件0.814K/W,导电银胶热阻为23948K/W,铜层热阻FLOTHERM中建模。建模过程对LED结构简化处为3.030K/W,导热硅脂热阻为6.284K/W,理,透镜的热导率很低,可认为是绝缘材料。芯片由 MCPCB热阻为3380K/W, MCPCB至热沉的界p型、n型GaP、多量子阱 AlGaInP、电流扩展层和电面热阻为4.629K/W。从积分结构函数图中分析极组成。优化电流密度分布的电极对器件热场分布可知,待测器件散热瓶颈位于不同材料之间的粘结影响很小,在建模过程中将其忽略。由于量子阱和电层,如待测器件中焊料、银胶、硅脂。受粘结材料以流扩展层厚度在纳米数量级,也不予考虑。将GaP及封装工艺制约,致使该区域热阻较大。样品#3近似当作芯片材料。模型由GaP红光芯片,焊料,硅的硅衬底与铜层之间采用导电银胶粘结,但银颗粒衬底,导电银胶铜层,导热硅胶MCPB或陶瓷基板在空间分布不均使粘结界面产生空隙,严重影响待组成。在热模拟过程中,换热系数大小将对模拟结果测器件的热性能,致使该区域热阻增大。R/(Kw)图2样品#3积分结构函数Fig 2 Cumulative structure function of the third sample图3(a)为三种样品的温度响应曲线图,在流从器件内部传导至散热基板上之后,就形成三维1gs~1.413s之间三种样品温度响应曲线保持非热辐射状扩散到外界,因此三种样品热阻相差较小。常高的重复性。这部分温度响应是由LED芯片到采用有限体积法模拟三种样品的内部热场分布,设内部铜层之间结构引起的,说明前期筛选出3颗定恒定0.67W热流加载在芯片表面,可近似认为AlGaInP红光LED散热能力具有较高一致性。图有源层区域,对流模式为空气自然对流,环境温度为3(b)为三种样品的微分结构函数图。三种样品从298中国煤化工料以及几何尺寸芯片至散热基板热阻依次为46.144K/W,设定CNMHG品#3内部温度49.759K/W,47.857K/W。热阻区别主要在于散场,从器件内部温度场分布图,可获取样品结面以及热基板因为三种散热基板面积较大、厚度薄,且热壳面温度值,再依据(10)式就可计算出三种样品热3期陈焕庭等:大功率 AlGaInP红光LED散热基板热分析4505050sample1021010+1031041010210410910102R。(Kw图3三种样品的瞬态温度曲线(a),微分结构函数(b)Fig 3 Transient temperature curve(a),differential structure function(b) of three samples阻模拟值。三种样品的热阻为45.875K/W,量在器件内部堆积,局部位置过热,严重影响陶瓷基47.629K/W,46.949K/W。模拟值与测试结果基板上器件性能,因此大大限制了陶瓷基板的应用。本可一一对应,模拟值比测试结果偏小。因为一方利用有限体积数值模拟对陶瓷基板内部结构优化设面仿真建模过程对芯片简化处理’忽略电极、电流扩计,在陶瓷基板内部增加9个填充银浆矩阵型排列展层、量子阱结构等;另一方面忽略待测器件内部的的散热通道。通过模拟和实验结果都可证实经过改铜柱上表面银层,该金属层可将芯片向背面发出的良后的陶瓷基板大大增强散热能力,与另外两种散光线反射出来提高LED的出光效率。热模拟方法热基板相比体现出最佳散热性能热阻比一般陶瓷快速、方便分析不同封装材料对器件热性能的影响,基板低3.615K/W,比通用铝基板低1.713K/W作为有效评价大功率LED封装性能的工具。模拟通过数值模拟以及瞬态测试热阻方法,直接判热瞬态响应曲线可有效判断大功率LED的粘结层断不同样品散热能力。同时可依据LED峰值波长性能{。从实验与模拟结果可知,三种样品封装与热沉温度的关系,间接论证经过改良后陶瓷基板设计区别在于散热基板材料以及尺寸。样品#3的的散热性能得到提高。加载不同电流以及脉冲条件散热基板为 MCPCB,热流依次通过铜箔、绝缘层、下,LEDs的峰值波长随结温变化发生偏移11铝板然后再通过铝板扩散到周围环境中。该结构 AlGaInP LED的峰值波长随温度变化的系数为的散热瓶颈在于绝缘层的厚度以及热导率,绝缘层0.156mm/K1,测试样品在不同热沉温度下的电热导率低,因此 MCPCB的大部分热阻取决于绝缘致发光光谱,分析不同封装散热能力对芯片性能的影层其厚度是影响热阻的关键因素设计时需尽量减响结温与峰值波长的关系以及温度效应影响。芯片少绝缘层的厚度,能大大减少 MCPCB热阻,有利于产生的热量若无法及时的经过散热通道传导到环境提高散热性能,样品#2为普通氧化铝陶瓷基板。中,将使峰值波长发生移动。A( aInP LED峰值波长从测试结果而知氧化铝热导率低其热阻高于通用发生红移可归因于结温升高引起带隙收缩。三种铝基板。芯片产生的热流无法及时传导到外界热样品加载电流350mA下,热沉温度控制范围为288~348K每间隔20K测试样品电致发光谱。峰值波长与热沉温度的关系由下式确定:λp(TH)=kTH+Ap(10)k=。/dTH为峰值波长与热沉温度的系数,288λn(TH)为热沉温度为T时待测样品峰值波长,λ∞3008为热沉温度为273K时峰值波长。如图5所示三种样品中国煤化工:0.1380m/K0.146热沉温度增大图4模拟样品#3的内部温度分布不同村CNMH长偏移幅度大小Fig 4 Simulation result of interal temperature体现出来。在热沉温度变化幅度相同条件下,样品for the third sample#1峰值波长变化最小,散热速率快,有源区产生的81029卷热流能及时经过陶瓷基板中的9个散热通道传导至2 Guan baolu. Guo Xia, Gu Xiaoling e a,. Characteristic of micro周围环境中。而样品#2无散热通道陶瓷基板热导 emitting diodes[j. Chinese J.Lawr2,208,32):245-248率低随着热沉温度增大,热量在器件内部堆积,导关璐郭顾晓玲等.可调谐微腔发光极管微光机电系统悬臂梁的特性[].中国激光,2008,35(2):245~248致其峰值波长红移幅度明显。样品#3热沉温度3T. Taguchi, H. Kudo, Y, Yamada. Effect of high current峰值波长系数介于样品#1与样品#2之间。利用jection on the blue radiative recombination in In GaN singlequantum well light emitting diodes[J]. Jpn. J. Appl. Ph ys.热沉温度-波长系数定性判断不同样品的热阻高低998,37(3B):1462~1464以及散热能力,与热阻测试和数值模拟结果一致Analysis ofdeterioration in In solder for GaAlAs DH lasers[J]. Appl. PhysLett.,l979,35(11):861~8635x. A Cao, J. M. Teetsov, M P, Evelyn e al.. Elsample 3characteristics of In GaN/ GaN light-emitting diode grown on Ga andsample 2 k=0. 146substrates[J]. Appl. Phys. Lett., 2004.85(1): 7-96 Liu Shanpeng, Bai Yu, Liu Xiang d al.. Lifetime prolongationE 638sample 3k0. 1360by graded junction for blue organic light emitting diodes[J].Actapelk=0.1283Optica sinica,2007,27(9):1687~1690刘善鹏,白钰,刘向等.利用缓变结提高蓝色有机发光二极管的寿命[.先学学报,2007,27(9):1687~16907 Kuang Hai, Liu Junlin. Cheng Haiying a al.. Effect oftransferred ansferred submount materials on properties of Gan-28029030031032030340350based led chips grown on Si substrate[J]. Acta Optica Sinica邝海,刘军林,程海英等.转移基板材质对Si衬底GaN基图5三种样品热沉温度与峰值波长关系LED芯片性能的影响[J.光学学报,2008,28(1):143~145Fig 5 RelaThermal analysis ofwavelength for three samplesLED array system with heat pipe[J]. Thermochim. Acta, 2007455(1):21~259 V. Sekely. THERMODEL: a tool for compact dynamic thermal5结论odel generation[J]. Microelectron J, 1998. 29(4): 257-26710 A Csendes, V. Szekely, M. Rentz. An efficient thermal simulation结合有限体积数值模拟、瞬态热阻测试方法以tool for ICs, microsystem elements and MCMsTHERMANALO] Mcroelectron J. 1998. 29(4): 241-255及热沉温度-峰值波长变化的关系,分析比较三种散11 M. Rene, A, poppe, E. Kollar a al.. Increasing the accuracy of热基板封装 AlGalnP红光LED热特性。基于微structure function hased thermal material parameter measurementsU]. IEEE T Compom. Puck T, 2005, 28(1): 51-57分、积分结构函数图,区分器件内部热流通道上各个12V. Sekely, T.v.Bien. Fine structure of heat flow path in区域的热阻与热容。发现待测器件散热瓶颈区域semiconductor devices: a measurement and identification method[]. Solid-State Electron, 1988. 31(9):1363-1368有利论证了结构函数理论可为评价器件散热性能、13T.H.Le,LKm.w. J. hwang d, Thermal analysis.f内部失效提供可靠的依据。采用有限体积数值模拟 temperature profile approac.Phy.sat,So.B,2004,241样品内部热场分布,优化普通陶瓷基板内部结构,并(12);2681~268414 H. H. Kim, S. H. Choi, S. H. Shin d al.. Thermal transient通过实验中论证其散热性能明显提高,对于陶瓷基haracteristics of die attach in high power LED PKG [J]板广泛应用具有重要的参考作用。不同样品散热性Microelectronics Reliability, 2008, 48(3): 445-45415 V. Szekely. A new evaluation method of thermal transient能也可利用峰值波长偏移幅度体现。在加载相同电neasurement results[]. Mecrmelectron J., 1997, 28(3):277-292功率,不同热沉温度下,若峰值波长变化幅度小,则16 T. Gessmann, E. F. Schubert. High-efficiency AlGaInP lightemitting diodes for solid-state lighting applicationsD]. J. Appl表明样品散热速率快,芯片热流能及时经过散热底2004,95(5):2203~221617 N, C. Chen, Y. N. Wang, C. Y. Tseng e al.. Determination板。若样品散热底板热导率低,热量在器件内部堆unction temperature in AlGaInPGaAs light emitting diodes by积,则导致峰值波长偏移明显。通过热沉温度-波长[门.App.Phy2006,89(10):10114-1~1011143系数为区别样品散热性能提供定性判断依据。18 S. Chhajed, Y. Xi, Y. L. Li e al.. Influence of junctiontemperature on chromaticity and color-rendering properties oftrichromatic white light sources based on light-emitting diodes参考文献[].J.App.Py:,2005,97(5):0545061-05450681 Zhong Gaoyu, Zhou Suyun, Chen Guanyu d al.. An invalidation I9 P. Manninen, P. Orrevetelainen, On spectral and thermalechanism in organic light-emitting diodes [J]. Chinese中国煤化工7,91(18121Lasers,2008.35(1):36~38钟高余周素云陈冠雨等.有机发光器件的一种失效机制[]HCNMHG中国激光,2008,35(1):36~38