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,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,清华大学,集成光电子学国家重点实验室,罗毅 钱可元 韩彦军,1,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,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,。,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。,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,。,71.3,68.5,62.0,73.3,68.9,61.8,73.1,69.2,62.4,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,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。,T,j1,：,采用一般银导热胶、铝金属热沉；,T,j2,：采用新导热胶、铜金属热沉。,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,器件耗散功率：,20w,散热面积：,330cm,2,底板温度将达,83,C,以上。,(,环境温度,25,C),芯片结温将达,100,C,120mm,必须考虑更有效的散热途径,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。,从光学的角度上来说，功率,LED,的特点：,发光面积小,(,1mm,2,),；,光通量较大,(,30 lm,),；,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,(,A,0,),与入射孔径（,A,i,）之比成正比，,易于实现光的高效收集,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,Source,Source,Receiver,Receiver,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,(,Monte Carlo Ray Tracing Method,),：,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。,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。,透镜形式,1,2,3,4,1/2,计算值,55.5,82.1,91.2,121.8,1/2,实测值,54.1,79.3,83.3,115.7,角度误差,2.6%,3.5%,9.5%,5.3%,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。,LED,准直透镜的设计分为两部分：,编程计算准直透镜的二维曲线；,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。,准直透镜系统的出光效率：为球透镜,LED,的,88%,。,对于,1 mm,2,的芯片，其,1/2,理论值为,9.6,。,其,1/2,实际测量值为,12.6,。,
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