1、清華大學清華大學 集成光電子學國家重點實驗室集成光電子學國家重點實驗室清華大學深圳研討生院清華大學深圳研討生院 半導體照明實驗室半導體照明實驗室 羅毅 錢可元 韓彥軍功率功率LED空間溫度場分布及散熱的研討空間溫度場分布及散熱的研討 微區溫度場的數值計算微區溫度場的數值計算微區溫度場的測試微區溫度場的測試芯片面積的限制要素芯片面積的限制要素功率功率LED運用中的光學問題研討運用中的光學問題研討 LED照明光學的特點照明光學的特點新型準直新型準直LED光源的設計光源的設計 由于III族氮化物的p型摻雜受限于Mg受主的溶解度和空穴的較高激活能，熱量特別容易在p型區域中產生，這個熱量必需經過整個構造

2、才干在熱沉上散失；LED器件的散熱途徑主要是熱傳導和熱對流；Sapphire襯底資料極低的熱導率導致器件熱阻添加，產生嚴重的自加熱效應，對器件的性能和可靠性產生消滅性的影響。 熱量集中在尺寸很小的芯片內，芯片溫度升高，引起熱應力的非均勻分布、芯片發光效率和熒光粉激射效率下降；當溫度超越一定值時，器件失效率呈指數規律添加。統計資料闡明，元件溫度每上升2，可靠性下降10%。 當多個LED密集陳列組成白光照明系統時，熱量的耗散問題更嚴重。 處理熱量管理問題已成為功率LED運用的先決條件。 為理處理大功率LED管芯的散熱問題，首先必需確定大功率LED任務時的溫度場分布，并由此確定出對于一定的芯片構造和

3、封裝方式，單個芯片能接受的最大功率和最大芯片尺寸。在分析計算器件的三維溫度分布中，不僅可以看到溫度隨垂直方向的變化，而且能清楚地顯示由于器件電極構造以及電流分布場引起的芯片外表的不同溫度分布。 l 計算值l 1w 插指狀電 極 ， 倒 裝焊芯片。 v采用三維可調理微形熱電偶探針法進展微區溫度的丈量v探頭尺寸100m v溫度分辨率0.3倒裝焊功率LED芯片外表的溫度分布實測值。71.368.562.073.368.961.873.169.262.4v減小電流密度分布的不均勻性；v電極的資料與制造v電極的拓撲構造設計v合理規劃倒裝焊的電極和焊點分布；v提高倒裝焊個焊點的均勻性；v防止芯片部分過熱v

4、提高功率LED的亮度最直接的方法是增大輸入功率，而為了防止有源層的飽和必需相應地增大p-n結的尺寸；v增大輸入功率必然使結溫升高，進而使量子效率降低。單管功率的提高取決于器件將熱量從p-n結導出的才干；v在堅持現有芯片資料、構造、封裝工藝、芯片上電流密度不變及等同的散熱條件下，單獨添加芯片的尺寸, 結區溫度將不斷上升。 lTj1：采用普通銀導熱膠、鋁金屬熱沉；lTj2 ：采用新導熱膠、銅金屬熱沉。 l倒裝焊更有利于散熱，但凸焊點的熱阻還需減小。l導熱銀膠的熱阻有待改善。l封裝資料方面，傳統的環氧膠高溫性能不佳。銀膠金屬熱沉凸焊點Sil器件耗散功率：20wl散熱面積：330cm2l底板溫度將達8

5、3 C以上。(環境溫度25 C)l芯片結溫將達100 C120mm必需思索更有效的散熱途徑必需思索更有效的散熱途徑v常規燈泡發出的光發散到全空間立體角內 ； v照明LED相對于常規燈泡的優點之一就在于其光束的方向可控；v對于投射照明，需求的光束角較窄；對于大面積照明，那么需求有較寬的光束角，并且可以滿足特定的光強遠場分布要求；v背光源運用那么要求均勻度在90以上的面光源。v對照明LED光強遠場分布的模擬以及相應光學系統的研討，是半導體照明運用中的重要環節。 l從光學的角度上來說，功率LED的特點：l 發光面積小(1mm2 )；l 光通量較大(30 lm )；l 近似為朗伯(Lambert)光源

6、。l 根據非成像光學實際，光學系統的最高搜集效率Pmax與光學系統的出射孔徑(A0)與入射孔徑Ai之比成正比，l l 易于實現光的高效搜集成像光學系統與非成像光學系統的比較非成像光學系統成像光學系統SourceSourceReceiverReceiverl光強遠場分布：l 照明LED一個重要目的；l 決議LED封裝中的構造及光學元件；l蒙特卡羅光線追蹤法(Monte Carlo Ray Tracing Method)：l 處理大量光子統計行為問題。l 根據設定的模型及邊境條件追蹤光子軌跡，求出光強遠場分布。l在計算中，需求思索芯片的多層構造、資料的折射率、邊境對光的折射與反射條件等。 Thick P ContactMQWSapphireP-GaN N-GaN透鏡形式 12341/2計算值 55.5 82.191.2121.81/2實測值 54.1 79.383.3115.7角度誤差 2.6% 3.5%9.5%5.3%l當LED運用于投射照明時，需求設計一種高效的準直LED光源；l如采用二次光學元件準直透鏡，與封裝后的LED配合運用，那么由于空氣隙的存在，必然會引起反射損耗；l設計了一個直接對LED芯片進展封裝準直的透鏡系統。lLED準直透鏡的設計分為兩部分：l編程計