功率型LED結溫和熱阻在不同電流下性質研究

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。