近紫外LED封装器件的热稳定性及可靠性

樊嘉杰， 曹建武， 刘 杰， 经 周， 孙 博， 胡爱华

(1. 河海大学 机电工程学院， 江苏 常州 213022； 2. 常州市武进区半导体照明应用技术研究院， 江苏 常州 213161；3. 广东工业大学 电子信息工程学院， 广东 广州 510006； 4. 福建鸿博光电科技有限公司， 福建 福州 350008)

1 引 言

随着芯片制造和封装技术越来越成熟，紫外发光二极管(紫外LED)在医疗、国防及传感等超越照明领域展示出了特殊的应用优势。然而，这些应用领域对紫外LED的热稳定性以及长期可靠性提出了更高要求。其中，温度对紫外LED封装器件的光-热特性和可靠性的影响显著，直接影响了LED的出光效率、器件寿命及发射波长等[1-2]。具体而言，随着温度升高，紫外LED的光学性能会显著下降。影响该热稳定性的因素一般包括：衬底导热系数、器件电流密度以及非辐射复合效应(如小波段多量子威尔斯偏移、注入效率、位错密度等[3-4])等。因此，国内外研究人员在该方面开展了大量研究。例如，Lee等通过分析InN/GaN近紫外LED在不同驱动电流和散热器温度下的光谱特性发现：在高驱动电流条件下，光致热效应与器件性能退化密切相关[5-6]。Cao等研究了深紫外LED的温度和电流特性，发现在室温条件下紫外LED的内量子效率不足5%，但随着温度降低，量子阱辐射强度会逐渐增加[7]。

为了提高LED封装器件的散热性能，降低其结温，现有研究主要采用实验测量方法分析了LED封装结构和材料对结温的影响。邹水平等采用导热性能更好的衬底材料和焊接材料来提高散热能力[8]。王军喜等通过分析发现采用蓝宝石衬底可以提高紫外光的透光率，而硅衬底对光的吸收能力随温度的上升而增强[9]。李杨等采用共晶键合方式将芯片PN结与基板正负极连接，测试结果发现该封装形式的散热性能优于传统正装型封装[10-11]。

然而，现有研究大都只针对同一种特有封装形式的紫外LED的光热特性进行分析研究。很少对比分析不同封装结构和材料对紫外LED热稳定性及可靠性的影响。本文采用仿真和实验相结合的方法研究3种不同封装结构近紫外LED封装器件的热稳定性和可靠性。具体而言，首先，测量了不同电流和不同基板温度下，近紫外LED封装器件的光、热特性。其次，基于3种样品的高温老化可靠性测试结果，讨论了具有不同封装结构的紫外 LED封装器件的光-色性能随老化时间的变化规律。

2 LED电-光-热耦合理论模型

2.1 正向压降与结温的关系Vf-T

对于LED而言，其正向压降与其结温一般满足线性关系，如公式(1)所示[12]：

(1)

其中，A为常数，与所掺杂质的浓度及PN结的种类和大小有关，EG(T)是半导体的能带宽度。

2.2 峰值波长与结温的关系λ-T

LED峰值波长与结温的关系如公式(2)所示[13]：

λ(T2)=λ(T1)+ΔTK，

(2)

其中，λ(T2)是结温为T2时的波长，λ(T1)是结温为T1时的波长，K是波长随温度变化的系数。随着结温的升高，峰值波长将发生“红移”[14-15]。

2.3 光通量、辐射功率与结温的关系φ,Φ-T

LED光通量、辐射功率与结温的关系为[14]：

φ(T2)-φ(T1)=e-knΔT，

(3)

式中，φ(T2)代表结温T2时的光通量输出，φ(T1)代表结温T1时的光通量输出，kn为温度光效系数，ΔT为结温差值。LED光通量与辐射功率的关系为：

(4)

式中，Km代表人眼对色彩的感知能力，λ为波长，V(λ)为光谱光效率函数值，Φeλ为辐射功率。

2.4 光通量维持率与结温的关系φ-T

在恒流条件下，根据能量守恒定律，LED将输入电能转换为光和热。LED输入功率Qin等于辐射功率Qra与热功率Qth之和[16]：

Qin=Qra+Qth，

(5)

对于LED封装，其热阻与结温的关系表达式如公式(6)所示[17]：

Tj=RVfηIf+Ta,

(6)

式中，Tj为结温，Ta为环境温度，Qth为热功率，η为热转换效率。由关系式(6)可得结温Tj与驱动电流If成正比关系，并随着Ta增加而增大。

随着LED的老化，LED光通量维持率呈指数衰减关系[18]：

φ(t)=βe-αt，

(7)

式中，φ(t)为归一化光通量维持率，β为拟合常数，理论上等于1，α为光通量维持率衰减因子。其中LED衰减速率与结温随温度符合 Arrhenius 关系：

(8)

其中，Ea为激活能，A为前指因子，k为波尔兹曼常数。

由公式(1)～(8)可知，LED的光-色性能参数及光通量维持率寿命均受结温影响。

3 实验方法

本文选取了3种不同封装结构的近紫外LED封装器件作为研究对象，具体信息如表1所示。各样品的封装结构如图1所示。样品1为正装封装形式，其芯片衬底材料为硅，电极材料为铜，热

表1 近紫外LED封装样品信息

图1 测试样品的封装结构图。(a)样品1；(b)样品2；(c)样品3。

Fig.1 Packaging structures of test samples. (a) Sample 1. (b) Sample 2. (c) Sample 3.

沉材料为铝，基板材料为铝。样品2也为正装封装形式，其芯片衬底材料为钼，电极材料为铜，热沉材料为氧化铝，基板材料为铝。样品3为倒装封装形式，其芯片衬底材料为蓝宝石，电极材料为铜，基板材料为陶瓷。

为了研究不同封装结构近紫外LED封装器件的光-热稳定性，本文选取了5个温度水平(30～70 ℃)和5个电流水平(150～550 mA)为实验条件，分别测量3种样品在每种条件下的光、电、热参数。

首先，本文采用正向电压法测量了不同条件下样品的结温。结温测试平台如图2所示，其中包括结温测试仪、恒温箱、直流电源、热控制平台等。本文同时采用有限元热仿真模拟方法计算样品的理论结温，用以验证实验测量结果的准确性。

图2 LED结温测试平台

其次，采用光电参数测试系统测量了不同条件下样品的光电参数。如图3所示，该测量系统由积分球、可编程直流电源、温度控制台和数据采集系统组成。测量时，将近紫外LED样品固定在控温平台上，放置在积分球内。通过控温平台控

图3 光电参数测试系统

图4 恒温老化可靠性测试设备

Fig.4 Constant temperature aging reliability test equipment

制样品的基板温度，通过可编程电源设置样品驱动电流。点亮样品，当温度达到稳定状态时，通过积分球测量光电参数，包括光通量、辐射功率、正向电压等。

最后，为了研究不同封装器件的可靠性，本文对3种不同封装结构紫外LED样品进行了55 ℃条件下的恒温老化实验。老化装置如图4所示。老化过程中每隔168 h取出样品测量其光通量、辐射功率、色坐标x和y、半波宽等参数。

4 结果分析与讨论

本节通过仿真和实验相结合的方法，对比分析不同封装结构对近紫外LED封装器件的光-热特性及可靠性的影响。

4.1 结温仿真与测试结果分析

首先，采用ANSYS有限元仿真方法对近紫外LED封装样品进行了热仿真模拟分析。如图5所示，分别构建3种测试样品的三维模型，该模型包括近紫外LED封装器件和梅花形测试基板。模型中零件的材料参数如表2所示。

本文根据结温测试中设定的测试条件选取样品的输入电功率。考虑LED中大部分能量转换为热，本文假设80%的输入电功率被转换为LED芯片等效热功率，再根据芯片尺寸和等效热功率计算芯片上的热生成率。通过改变热生成率命令来模拟不同输入功率和基板温度负荷条件下样品的温度分布。图6为基板温度为30 ℃和输入电流为350 mA条件下3种样品的热仿真温度分布图。

然后，我们采用电压法测量样品在不同驱动电流和基板温度下的结温值，并与有限元仿真模拟结果进行对比。如图7所示，实线代表有限元仿真结温值随电流的变化，虚线代表采用电压法测试结温随电流变化。由图可知：一方面，结温

图5 紫外LED样品的三维模型。(a)样品1；(b)样品2；(c)样品3。

Fig.5 3D models of UV LED samples. (a) Sample 1. (b) Sample 2. (c) Sample 3.

表2 紫外LED样品内部封装材料的热导率

Tab.2 Thermal conductivity of packaging materials for UV LED samples

材料热导率/(W·m-2·K-1)硅1.48×102铝2.00×102陶瓷2.00×101蓝宝石5.00钼1.40×102硅胶1.50铜3.83×102

随着驱动电流增加呈线性增加趋势，这与理论模型(公式6)相符；另一方面，电压法测量结果与仿真结果相比，差值较小。仿真温度比实测温度略高的原因可能是建模过程中忽略了一些影响较小焊接材料，简化了模型。实际测量过程中，焊接材料中含有金、银等高热导率材料，所以散热性能好。综合而言，仿真结果与测试结果是相符的。

根据结温的仿真和实验结果，本文可以计算3种样品从PN结到基板的热阻值，如表3所示。从表中可以看出：首先，样品1的热阻最小，这说明采用金属铝基热沉有助于提高封装散热性能；其次，样品3为倒装封装形式，封装结构和材料较传统正装封装精简，导致热传导途径较短，因此其热阻值较样品2的热阻小。

图6 样品在基板温度为30 ℃和电流为350 mA条件下的热仿真云图。(a)样品1；(b)样品2；(c)样品3。

Fig.6 Simulated thermal distribution sample under the condition of the substrate temperature as 30 ℃ and the current as 350 mA. (a) Sample 1. (b) Sample 2. (c) Sample 3.

图7 样品在不同驱动电流和基板温度下的结温测试结果与仿真结果对比。(a)样品1;(b)样品2;(c)样品3。

Fig.7 Test results of the junction temperature under different driving current and substrate temperature are compared with the simulation results. (a) Sample 1. (b) Sample 2. (c) Sample 3.

表3 热阻的仿真和测试值

4.2 温度对正向电压和辐射功率的影响

图8为本文所选3种近紫外LED的正向电压和辐射功率测量值在不同基板温度条件下的变化曲线。从图中我们可以看出，随着温度的升高，所有样品的正向电压有明显下降趋势，且所有样品的辐射功率也出现下降。该结果表明，紫外LED的光电性能受温度影响较大。由公式(3)中温度Droop效应可知：结温越高，ΔT越大，LED的辐射功率越小。引起这种温度效应的主要原因是温度升高，导致带隙收缩、电子与空穴分离，从而使内部量子效率降低，并导致电光转换效率下降。对比不同封装形式，我们可以发现：样品3的辐射功率比样品1和样品2高，这说明采用倒装封装形式可以增加出光效率。随着温度升高，样品1的辐射功率下降幅度最大，表明其辐射功率的热稳定性较差。

图8 温度对正向电压和辐射功率的影响

Fig.8 Effect of temperature on forward voltage and radiation power

4.3 温度对光谱功率分布的影响

本文还对所选3种近紫外LED在相同额定电流、不同基板温度条件下的光谱功率分布进行测量，并分析了峰值波长和半波宽的变化。如图9所示，随着温度升高，所有样品的峰值波长发生了“红移”现象，这与理论模型相符(公式(2))。该“红移”现象是量子限制斯塔克效应、带填充效应、热效应和带隙窄化等相互竞争的结果。其中，带填充效应和热效应是主要影响因素。带填充效应一般引起峰值波长蓝移，而热效应则引起峰值波长红移。另外，从图9可知，所有样品的半波宽随着温度的升高并没有明显的变化，这说明所选近紫外LED封装器件在该温度条件下具有良好的色纯度。

图9 温度对光谱功率分布的峰值波长和半波宽的影响

Fig.9 Effect of temperature on peak wavelength and full width at half maximum(FWHM) of the spectral power distribution

4.4 恒温老化测试及可靠性分析

本文对3种不同封装结构近紫外LED样品进行了55 ℃恒温和350 mA额定电流条件下的老化实验，老化时间持续近1 200 h。图10分别显示了3种样品的光通量和辐射功率、色坐标x和y的平均值随老化时间的变化规律。

图10 (a)恒温老化测试中平均光通量和平均辐射功率衰减；色坐标x(b)与色坐标y(c)随时间的变化。

Fig.10 (a) Degradations of averaged luminous flux and averaged radiative power under the constant temperature ageing test. Shifts of color coordinatesx(b) andy(c) with time.

4 结 论

本文研究了具有不同封装结构的近紫外LED封装器件性能的热稳定性和可靠性。首先，采用正向电压法测量和ANSYS有限元模拟两种方法研究了3种近紫外LED封装器件的热性能，结温仿真结果与测试结果具有较好的一致性。其次，对其进行光电特性参数测试，研究辐射功率、正向电压、峰值波长和半波宽等参数随结温的变化关系。最后，通过恒温老化试验研究光通量、辐射功率、色坐标参数随老化时间的变化规律。研究结果表明：(1)结温对近紫外LED封装器件的发光性能影响较大，在高温高电流条件下，结温显著升高会导致辐射功率下降和峰值波长红移；(2)与正装结构相比，倒装近紫外LED封装器件的光输出性能不仅具有较高的瞬态热稳定性，还具有较好的长期可靠性。