功率型LED中的光学与热学问题要点

功率型LED中的光学与热学问题StudiesonOpticalDesignandThermalDispersionofHigh-PowerLED清华大学集成光电子学国家重点实验室清华大学深圳研究生院半导体照明实验室罗毅钱可元韩彦军报告内容功率LED空间温度场分布及散热的研究微区温度场的数值计算微区温度场的测试芯片面积的限制因素功率LED应用中的光学问题研究LED照明光学的特点新型准直LED光源的设计热量管理——功率型LED应用中的关键问题由于III族氮化物的p型掺杂受限于Mg受主的溶解度和空穴的较高激活能，热量特别容易在p型区域中产生，这个热量必须通过整个结构才能在热沉上消散；LED器件的散热途径主要是热传导和热对流；Sapphire衬底材料极低的热导率导致器件热阻增加，产生严重的自加热效应，对器件的性能和可靠性产生毁灭性的影响。热量对功率型LED的影响热量集中在尺寸很小的芯片内，芯片温度升高，引起热应力的非均匀分布、芯片发光效率和荧光粉激射效率下降；当温度超过一定值时，器件失效率呈指数规律增加。统计资料表明，元件温度每上升2℃，可靠性下降10%。当多个LED密集排列组成白光照明系统时，热量的耗散问题更严重。解决热量管理问题已成为功率LED应用的先决条件。功率LED空间温度场分布的数值计算为了解决大功率LED管芯的散热问题，首先必须确定大功率LED工作时的温度场分布，并由此确定出对于一定的芯片结构和封装形式，单个芯片能承受的最大功率和最大芯片尺寸。在分析计算器件的三维温度分布中，不仅可以看到温度随垂直方向的变化，而且能清楚地显示由于器件电极结构以及电流分布场引起的芯片表面的不同温度分布。计算值1w插指状电极，倒装焊芯片。蓝宝石衬底的横向温度分布LED微区温度测量采用三维可调节微形热电偶探针法进行微区温度的测量探头尺寸100m温度分辨率0.3℃倒装焊功率LED芯片表面的温度分布实测值。71.368.562.073.368.961.873.169.262.4LED芯片表面温度的横向分布控制芯片表面横向温度梯度减小电流密度分布的不均匀性；电极的材料与制作电极的拓扑结构设计合理布局倒装焊的电极和焊点分布；提高倒装焊个焊点的均匀性；防止芯片局部过热芯片尺寸与散热的关系提高功率LED的亮度最直接的方法是增大输入功率，而为了防止有源层的饱和必须相应地增大p-n结的尺寸；增大输入功率必然使结温升高，进而使量子效率降低。单管功率的提高取决于器件将热量从p-n结导出的能力；在保持现有芯片材料、结构、封装工艺、芯片上电流密度不变及等同的散热条件下，单独增加芯片的尺寸,结区温度将不断上升。Tj1：采用一般银导热胶、铝金属热沉；Tj2：采用新导热胶、铜金属热沉。结温与芯片尺寸的关系影响芯片尺寸的主要因素——热阻倒装焊更有利于散热，但凸焊点的热阻还需减小。导热银胶的热阻有待改善。封装材料方面，传统的环氧胶高温性能不佳。银胶金属热沉凸焊点Si*功率芯片尺寸的增加受限于器件导热能力**常规的工艺与材料，则芯片功率1瓦较为合适***单个器件功率的增加将以缩短寿命为代价多个LED密集排列的照明系统器件耗散功率：20w散热面积：330cm2底板温度将达83°C以上。(环境温度25°C)芯片结温将达100°CØ120mm必须考虑更有效的散热途径满足使用要求的光学系统设计常规灯泡发出的光发散到全空间立体角内；照明LED相对于常规灯泡的优点之一就在于其光束的方向可控；对于投射照明，需要的光束角较窄；对于大面积照明，则需要有较宽的光束角，并且能够满足特定的光强远场分布要求；背光源应用则要求均匀度在90％以上的面光源。对照明LED光强远场分布的模拟以及相应光学系统的研究，是半导体照明应用中的重要环节。功率LED光学问题的特点从光学的角度上来说，功率LED的特点：①发光面积小(～1mm2)；②光通量较大(～30lm)；③近似为朗伯(Lambert)光源。根据非成像光学理论，光学系统的最高收集效率（Pmax）与光学系统的出射孔径(A0)与入射孔径（Ai）之比成正比，易于实现光的高效收集LED光学问题中的非成像光学成像光学系统与非成像光学系统的比较非成像光学系统成像光学系统SourceSourceReceiverReceiver蒙特卡罗光子追踪法模拟LED光强远场分布光强远场分布：照明LED一个重要指标；决定LED封装中的结构及光学元件；蒙特卡罗光线追踪法(MonteCarloRayTracingMethod)：解决大量光子统计行为问题。根据设定的模型及边界条件追踪光子轨迹，求出光强远场分布。倒装功率型LED芯片及封装结构示意图在计算中，需要考虑芯片的多层结构、材料的折射率、边界对光的折射与反射条件等。ThickPContactMQWSapphireP-GaNN-GaN对不同透镜进行的数值模拟和实际测量结果透镜形式1234θ1/2计算值55.582.191.2121.8θ1/2实测值54.179.383.3115.7角度误差2.6%3.5%9.5%5.3%新型准直LED光源的设计当LED应用于投射照明时，需要设计一种高效的准直LED光源；如采用二次光学元件——准直透镜，与封装后的LED配合使用，则由于空气隙的存在，必然会引起反射损耗；设计了一个直接对LED芯片进行封装准直的透镜系统。新型准直LED光源的设计LED准直透镜的设计分为两部分：1.编程计算准直透镜的二维曲线；2.采用蒙特卡罗方法对采用二维曲线生成的三维实体进行模拟验证。准直LED光源光强远场分布准直LED光源光强的参数1.准直透镜系统的出光效率：为球透镜LED的88%。2.对于1mm2的芯片，其1/2理论值为9.6。3.其1/2实际测量值为12.6。