功率型中的光學(xué)與熱學(xué)問題

功率型中的光學(xué)與熱學(xué)問題第一頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日報告內(nèi)容功率LED空間溫度場分布及散熱的研究微區(qū)溫度場的數(shù)值計算微區(qū)溫度場的測試芯片面積的限制因素功率LED應(yīng)用中的光學(xué)問題研究LED照明光學(xué)的特點新型準(zhǔn)直LED光源的設(shè)計

第二頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日熱量管理——

功率型LED應(yīng)用中的關(guān)鍵問題由于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(qū)域中產(chǎn)生，這個熱量必須通過整個結(jié)構(gòu)才能在熱沉上消散；LED器件的散熱途徑主要是熱傳導(dǎo)和熱對流；Sapphire襯底材料極低的熱導(dǎo)率導(dǎo)致器件熱阻增加，產(chǎn)生嚴重的自加熱效應(yīng)，對器件的性能和可靠性產(chǎn)生毀滅性的影響。

第三頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日熱量對功率型LED的影響熱量集中在尺寸很小的芯片內(nèi)，芯片溫度升高，引起熱應(yīng)力的非均勻分布、芯片發(fā)光效率和熒光粉激射效率下降；當(dāng)溫度超過一定值時，器件失效率呈指數(shù)規(guī)律增加。統(tǒng)計資料表明，元件溫度每上升2℃，可靠性下降10%。

當(dāng)多個LED密集排列組成白光照明系統(tǒng)時，熱量的耗散問題更嚴重。

解決熱量管理問題已成為功率LED應(yīng)用的先決條件。

第四頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日功率LED空間溫度場分布的數(shù)值計算為了解決大功率LED管芯的散熱問題，首先必須確定大功率LED工作時的溫度場分布，并由此確定出對于一定的芯片結(jié)構(gòu)和封裝形式，單個芯片能承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結(jié)構(gòu)以及電流分布場引起的芯片表面的不同溫度分布。

第五頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日

計算值1w插指狀電極，倒裝焊芯片。

藍寶石襯底的橫向溫度分布第六頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日LED微區(qū)溫度測量采用三維可調(diào)節(jié)微形熱電偶探針法進行微區(qū)溫度的測量探頭尺寸100m溫度分辨率0.3℃第七頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日倒裝焊功率LED芯片表面的溫度分布實測值。71.368.562.073.368.961.873.169.262.4LED芯片表面溫度的橫向分布第八頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日控制芯片表面橫向溫度梯度減小電流密度分布的不均勻性；電極的材料與制作電極的拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計合理布局倒裝焊的電極和焊點分布；提高倒裝焊個焊點的均勻性；防止芯片局部過熱第九頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日芯片尺寸與散熱的關(guān)系

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須相應(yīng)地增大p-n結(jié)的尺寸；增大輸入功率必然使結(jié)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(jié)導(dǎo)出的能力；在保持現(xiàn)有芯片材料、結(jié)構(gòu)、封裝工藝、芯片上電流密度不變及等同的散熱條件下，單獨增加芯片的尺寸,結(jié)區(qū)溫度將不斷上升。

第十頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日Tj1：采用一般銀導(dǎo)熱膠、鋁金屬熱沉；Tj2：采用新導(dǎo)熱膠、銅金屬熱沉。

結(jié)溫與芯片尺寸的關(guān)系第十一頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日影響芯片尺寸的主要因素——熱阻倒裝焊更有利于散熱，但凸焊點的熱阻還需減小。導(dǎo)熱銀膠的熱阻有待改善。封裝材料方面，傳統(tǒng)的環(huán)氧膠高溫性能不佳。銀膠金屬熱沉凸焊點Si第十二頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日*功率芯片尺寸的增加受限于器件導(dǎo)熱能力

**常規(guī)的工藝與材料，則芯片功率1瓦較為合適

***單個器件功率的增加將以縮短壽命為代價第十三頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日多個LED密集排列的照明系統(tǒng)器件耗散功率：20w散熱面積：330cm2底板溫度將達83°C以上。(環(huán)境溫度25°C)芯片結(jié)溫將達100°C?120mm必須考慮更有效的散熱途徑第十四頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日滿足使用要求的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

常規(guī)燈泡發(fā)出的光發(fā)散到全空間立體角內(nèi)；照明LED相對于常規(guī)燈泡的優(yōu)點之一就在于其光束的方向可控；對于投射照明，需要的光束角較窄；對于大面積照明，則需要有較寬的光束角，并且能夠滿足特定的光強遠場分布要求；背光源應(yīng)用則要求均勻度在90％以上的面光源。對照明LED光強遠場分布的模擬以及相應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的研究，是半導(dǎo)體照明應(yīng)用中的重要環(huán)節(jié)。第十五頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日功率LED光學(xué)問題的特點

從光學(xué)的角度上來說，功率LED的特點：①發(fā)光面積小(～1mm2)；②光通量較大(～30lm)；③近似為朗伯(Lambert)光源。根據(jù)非成像光學(xué)理論，光學(xué)系統(tǒng)的最高收集效率（Pmax）與光學(xué)系統(tǒng)的出射孔徑(A0)與入射孔徑（Ai）之比成正比，

易于實現(xiàn)光的高效收集第十六頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日LED光學(xué)問題中的非成像光學(xué)成像光學(xué)系統(tǒng)與非成像光學(xué)系統(tǒng)的比較非成像光學(xué)系統(tǒng)成像光學(xué)系統(tǒng)SourceSourceReceiverReceiver第十七頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日蒙特卡羅光子追蹤法

模擬LED光強遠場分布

光強遠場分布：

照明LED一個重要指標(biāo)；決定LED封裝中的結(jié)構(gòu)及光學(xué)元件；蒙特卡羅光線追蹤法(MonteCarloRayTracingMethod)：

解決大量光子統(tǒng)計行為問題。根據(jù)設(shè)定的模型及邊界條件追蹤光子軌跡，求出光強遠場分布。第十八頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日倒裝功率型LED芯片及封裝結(jié)構(gòu)示意圖

在計算中，需要考慮芯片的多層結(jié)構(gòu)、材料的折射率、邊界對光的折射與反射條件等。

第十九頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日對不同透鏡進行的數(shù)值模擬和實際測量結(jié)果透鏡形式1234θ1/2計算值55.5

82.191.2121.8θ1/2實測值54.1

79.383.3115.7角度誤差2.6%3.5%9.5%5.3%第二十頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日新型準(zhǔn)直LED光源的設(shè)計

當(dāng)LED應(yīng)用于投射照明時，需要設(shè)計一種高效的準(zhǔn)直LED光源；如采用二次光學(xué)元件——準(zhǔn)直透鏡，與封裝后的LED配合使用，則由于空氣隙的存在，必然會引起反射損耗；設(shè)計了一個直接對LED芯片進行封裝準(zhǔn)直的透鏡系統(tǒng)。第二十一頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日新型準(zhǔn)直LED光源的設(shè)計

LED準(zhǔn)直透鏡的設(shè)計分為兩部分：編程計算準(zhǔn)直透鏡的二維曲線；采用蒙特卡羅方法對采用二維曲線生成的三維實體進行模擬驗證。第二十二頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期日準(zhǔn)直LED光源光強遠