LED芯片钝化研究

LED芯片钝化研究（共3篇）

LED芯片钝化研究 篇1

引言

随着越来越多的国家开始推行禁止使用白炽灯的计划,钨丝白炽灯即将被节能产品取代。LED光源是公认的第四代光源[1],LED灯丝灯[2]将LED灯丝封装在玻璃泡内,它能够实现与白炽灯一样的全角度发散。

LED灯丝灯的核心在于LED灯丝,制备LED灯丝需要多颗芯片串联,倒装LED芯片采用了凸点结构,大大缩短了互连长度,减小了互连线电阻、电感,极大地改善了封装的电性能。芯片中产生的热量直接通过焊料凸点传输到封装基板,能够有效提升LED灯丝的可靠性[3]。倒装芯片可以承受更大的电流,且封装工艺简单。与正装结构相比[4,5,6],LED倒装结构可有效降低器件的热阻,提高其散热能力,是较好的选择。文章主要对倒装灯丝的正反面不同位置的色温、亮度以及表面温度进行实验研究。

1 实验

倒装芯片制备LED灯丝采用ASM-DB860固晶机,通过键合材料(锡膏型号为XH-305HT)将芯片固定于尺寸为60mm×1.2mm×0.38mm的印有银线路的白陶瓷基板上,基板两端为金属铁镀镍,由28颗倒装芯片等间距串联而成,并经过烤箱加热进行焊接,加热温度为280℃,加热时间为2min。倒装芯片选用蓝光LED芯片,尺寸为8 mil×20mil,芯片的主波长范围(波段)为452.5~455nm,单颗LED芯片的额定发光效率Po为120~130mW,单颗LED芯片的正向电压VF为3.1~3.2V。

本次实验使用荧光粉涂覆方式制备LED灯丝。由于陶瓷基板反面没有固定芯片,所以反面的光是由芯片透过陶瓷基板发出。由于光透过陶瓷基板会有较大的损失,同时也掺杂有正面蓝光激发荧光粉后混合出来的白光,所以反面采用不同的荧光粉配比来调配灯丝的发光均匀性。将YAG荧光粉与硅胶混合形成荧光粉胶体,通过胶体涂覆方式进行点胶。AB胶选用谊地化学有限公司的YD6109型号,正面配比为:A胶∶B胶∶绿粉(波长530nm,型号为GY530-LH)∶红粉(波长625nm,型号为HR-01)∶红粉(波长640nm,型号为0764C)=60∶15∶9.6∶0.92∶0.95。反面配比为:A胶∶B胶∶绿粉(波长530nm,型号为GY530-LH):红粉(波长640nm,型号为0764C)=48∶12∶2∶0.3。使用灵感点胶机分别涂敷在陶瓷基板的正反面,经过烤箱烘干,温度为160℃,时间是3h,点胶后的灯丝样品如图1所示。

在同一根灯丝正反面各选取五个点,如图2(b)所示,灯丝负极处发光位置取点1,距离1号点位15mm处取点2,距离2号点位15mm处取点3,以此类推,取点4、点5。灯丝长60mm,点3为灯丝中间位置,点5为灯丝正极发光位置。采用BM-7瞄点式亮度计对灯丝正反两面上这些点进行测试。通过TracePro光学软件对灯丝的发光情况进行光学模拟。使用Fluke Ti32热成像仪对灯丝稳态时的温度分布进行测试,采用恒流源对其供电,电流设置为10mA,如图2(a)所示。通过两个夹子将其固定,室温25℃,热成像仪距离灯丝50cm,分别对灯丝正反面的中部聚焦进行测试,拍摄图形。采用FLOEFD模拟软件对发光的灯丝进行热学模拟。

2 分析与讨论

2.1 灯丝的光学均匀性

将灯丝以10mA电流驱动点亮,在其正反面上各选取五个点进行测试,得到10个位置的色温和亮度如图3所示。

灯丝的正面中间位置3处色温为3 105K,正面2、4位置的色温为3 111K和3 122K,正面两端1、5的色温分别是2 871K和2 925K;反面中间3位置色温为2 974K,反面2、4位置的色温分别为2 952K和2 955K,反面两端1、5的色温为2 827K和2 761K。正反面色温的相差是由于灯丝正反面涂覆不同配比的荧光粉胶所致[7],从图3(a)中可以看出灯丝中间色温较均匀,仅两端与中间的色温存在很小的偏差。对于单个荧光粉涂层,荧光粉的浓度是均匀的,在灯丝中间位置芯片集中,发出的蓝光较两端更多,导致同一面内中间色温较两端稍高[8]。图3(b)表示灯丝不同点的亮度,正面中间点3处亮度为21 441cd/m2,正面2、4位置的亮度为21 619cd/m2和21 941cd/m2,正面两端亮度分别为16 334cd/m2、18 778cd/m2;反面中间点3处亮度为8 939.3cd/m2,反面2、4位置的亮度为8 504.9cd/m2和9 199.8cd/m2,反面两端亮度分别为6 984.9cd/m2、7 822.5cd/m2,灯丝两端亮度约为中间亮度的74.4%。灯丝上28颗均为同样的芯片,每颗芯片的发光强度相同,由于灯丝中间芯片相对集中,所以两边光亮度要低于中间。LED光源的非相干特性决定了在目标面上某一点的照度分布就是多个LED的照度叠加,两个或者两个以上的光源相叠加,其光强度分布要么因为夹角太小在小区域内产生大于平均亮度的光斑,造成眩光;要么由于夹角太大在小范围内产生暗斑,导致分布不均匀[9]。反面亮度大约为正面亮度的41%,整体亮度呈现朗伯分布。

2.2 光学模拟

通过光学仿真软件Tracepro对灯丝芯片发光情况进行光学模拟,在Tracepro软件里根据LED结构尺寸建立起简化的实体模型,省略了键合材料、荧光粉胶体等部件。如图4所示,长条为支架,上面排列28颗小方块为LED芯片,间距为1.9mm,芯片尺寸与其发光面相当,所有尺寸均按照实际灯丝设定,光源是从Z方向的表面发射。研究着重考察它的光照度相对分布,即不考虑支架的透光性,只模拟正面的光照度情况,对表面光源进行设置,其光源形式设置为光通量,模拟单颗的LED的总光线数设置为1 000,波长根据芯片规格书设定为450nm。在Z轴10mm处建立一个平行于灯丝发光面,半径为40mm的圆形遮光板,然后进行光线追迹。图5为遮光板上获取的光照度分析图,研究着重考察其发光均匀性,右边的曲线为考察平面的两个垂直方向的光照度分布,可以看出排列的28颗芯片中间部分发光强度要大于两端,灯丝中间光照度达到最大值处附近有波动,呈现朗伯分布,这与实际测量的结果一致。

2.3 灯丝的热学均匀性

以10mA电流驱动点亮灯丝,电压稳定后恒流源显示电压为72.2V。采用Fluke Ti32热成像仪对倒装灯丝的热分布进行测试分析,点亮30min后灯丝达到稳定状态时测得的热分布如图6所示,正反面最高温度均位于灯丝条的中部,灯丝正面最高温度为52.95℃,反面最高温度53.75℃,反面温度整体大于正面温度,中间与两端部分正反面温差分别为0.8℃和1.6℃,灯丝的最大温差为12.4℃。从热成像可以看出,灯丝同一位置正面温度低于反面,这是由于LED倒装结构所致,倒装芯片的P区直接与支架连接,LED芯片发光时PN结在P区产生的热量可以直接导入支架,提高了LED器件的散热性能[10,11,12];并且反面的荧光粉胶体比正面薄,反面的导热性强于正面,因此反面温度稍高于正面温度。由图6可以看出,灯丝正反两面的两端温度均低于中间位置。中间温度高是因为中间位置芯片比较集中,与空气热对流速度慢,而边缘位置可以将热量快速扩散至空气中,所以中间温度高于边缘。由图8可以看出,灯丝整体温度分布满足朗伯分布。

2.4 热学模拟

利用FloEFD软件对灯丝芯片进行热学模拟,结果如图7所示。灯丝模型主要由基板和芯片两个部分组成。设置热学模拟的边界条件为:1.环境温度施加温度载荷:设置默认环境温度为25℃;2.模型周围气体施加气体约束:设置模型周围气体为空气;3.设置器件材料属性:白陶瓷基板选择96瓷;4.设置光源参数:单根灯丝的功率为0.7 W;5.设置辐射表面:选择陶瓷基板为高度氧化铝辐射表面。

图7为模拟后LED灯丝表面温度图,LED灯丝中间温度为76.47℃,灯丝两端芯片的温度为69.85℃左右,最高温差6.62℃。由于实际测量的灯丝表面涂敷了荧光粉胶体,所以模拟所得的温度要高于实际测量的结果。通过图8与图9可以看出,模拟得到的温度分布情况与测量结果的分布情况相同。

3 结论

分析了基于倒装芯片制备LED灯丝的关键影响因素:正反面的色温、亮度与温度。通过测试发现,在10 mA电流驱动下,稳态后灯丝的电压为72.2V,灯丝反面亮度约为正面亮度的41%,灯丝两端亮度约为中间亮度的74.4%;正反面色温在3 000K,并且同一面内色温也比较均匀,说明正反两面涂覆荧光粉可以使灯丝均匀发光。光学模拟灯丝的亮度分布与实验测得结果相近。灯丝在10mA电流驱动下点亮30min达到稳态后,测得灯丝中间与两端最大温差为12.4℃,说明灯丝具有良好的散热性能。热学模拟得到灯丝中间与两端最高温差为6.62℃,灯丝的温度分布与实验结果相符。以上结果表面,基于倒装LED芯片制备的灯丝,具有良好的光学均匀性和散热性能,作为一种新型LED光源是可行的。LED灯丝灯以其独特的造型,节能环保、全角度出光等特点,可以作为白炽灯的替代品。

参考文献

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LED芯片钝化研究 篇2

1 理论分析及方案设计

常用的描述单颗LED芯片的稳态热网络模型如图1 a) 所示。图中Ph为芯片的热功率 ;Rj为芯片的热阻 ;Rhs为芯片所安装的散热片的等效热阻 ;Tj为芯片结点温度 ;Ths为散热片温度 ;Ta为环境温度。其中Tj较难确定。

根据图1 a) 模型可知,热功率Ph要传递到芯片外部环境,需经过芯片热阻Rj和散热片热阻Rhs。假设在整个热传导过程中,始终未出现其它形式的热传递 ( 如对流 ),热量Ph亦未在传递的过程中产生任何损失。芯片的结温Tj高低与热量Ph大小有关,还与芯片热阻Rj、散热片热阻Rhs的大小与环境温度Ta的值有关。它们之间的数学关系如公式(1) 和 (2) 所示[6,7,8,9,10]。

根据图1 a) 的热网络模型可知,通过测量Ta,再根据公式 (1) 和 (2) 可推算出芯片的Tj。但在很多的实际应用场合,散热装置的Rhs并不容易确定,因此根据Ta来推算Tj以及分析LED的光电热特性就不准确。

基于以上分析,本文提出一种新型的单芯片热网络模型。实际上,除了Ta容易测量外,散热片的温度Ths同样也容易测量,可以通过直接测量Ths,再根据公式 (1) 就可得出芯片的结点温度Tj,并且可以避免散热片热阻Rhs不确定的问题,改进后热网络模型可简化为如图1 b) 所示。

根据改进后热网络模型,设计了LED芯片测试系统。LED芯片中的输入电流由外部信号源提供,改变信号源的输出电流即可得到不同波形的LED正向输入电流[11,12]。LED芯片置于积分球中并在最接近LED芯片的散热片处放置一个热电偶,进行散热片温度的检测。温度测量仪实时监测散热片温度。在通入电流后,当温度测量仪所监测温度到达指定温度时,测试系统记录此时该芯片的光电热参数。

2 LED光电热性能研究

本文研究中与LED光电热性能有关的参数主要有正向输入电压U、正向输入电流Id、光通量φ、光效E、色温Tc和散热片温度Ths。研究中涉及的输入电流波形为 :(1) 直流 ;(2) 频率为400 Hz的三角波 ;(3) 频率为400 Hz的PWM波,其占空比D为0.7 ;(4) 频率为400 Hz的馒头波 ( 全波整流后的正弦半波 )。本文主要研究对象为CREE-XPG R4、Luxeon-LXML-PWC2和NICHIA 219(3535) 芯片。

2.1 LED伏安特性研究

以下是在不同温度、不同输入电流波形下的伏安特性研究。芯片选CREE-XPG R4作为测试对象,其伏安特性如图2所示。

图2 a) 是以温度设为70℃为例的不同输入电流波形下的伏安特性曲线。图2 b)、c)、d) 分别是三角波、PWM波、馒头波时,散热片温度为50、60、70℃下的伏安特性曲线图。从图2中可知,随着LED的正向电压的增大,输入电流呈现非线性增长。此外,由图2 a) 可知,在散热片温度为70℃时,四种不同波形的伏安特性曲线从左到右分别为PWM、三角波、馒头波、直流。三角波和馒头波伏安特性曲线相近,且接近于直流。由图2 b)、c)、d)可知,当温度升高时,伏安特性曲线上移,即在相同的输入电流下,PWM波的正向电压小于其他波形。

2.2 LED光电性能分析

LED的输出性能与正向输入电流密切相关。此处主要研究了恒定散热片温度时,不同输入电流波形下,LED的输出光通量、光效和色温的变化规律。在测量光通量时,散热片温度取60℃为例。图3为LED输出光通量与电流的关系曲线。

其中a) 为CREE-XPG R4芯片下的四种不同输入电流光通量对比图 ;b) 为Luxeon-LXML-PWC2芯片下的四种不同输入电流光通量对比图 ;c) 为NICHIA219(3535) 芯片下的四种不同输入电流光通量对比图。由图3可知 :不论何种芯片、何种输入电流波形,其输出光通量都随电流的增加而增加 ;在输入电流较小的范围里,光通量的增加与输入电流值的增加近似线性 ;在输入电流较大的时候,光通量的增加速度明显变缓,这是因为LED的输出光通量的值在电流较大时达到饱和 ;四种不同输入电流波形下,在电流较小时,光通量的大小差别不大,但在输入电流较大时,光通量的差别就越来越明显了,其中直流电流光通量最大,其次为馒头波和三角波,最后为PWM波。在测量色温时,散热片温度取70℃为例,三种不同芯片色温与电流的关系曲线如图4所示。

由图4可知三种芯片,在不同的输入电流波形下,LED色温都随输入电流值的增加而增加,且色温值与输入电流大小近似线性关系 ;在相同的输入电流平均值下,占空比固定为0.7,频率400 Hz的PWM波产生的色温最高,直流驱动时,LED色温最小,三角波和馒头波驱动时,色温为PWM波和直流波形之间。测量光效时取散热片温度取60℃为例。图5为LED输出光效与电流的关系曲线。由图可知,四种不同电流波形输出时,在输入电流较小时,直流输入产生的光效并不是最高,随着输入电流的逐渐加大,直流的光效才达到最高 ;随着输入电流的增大,三种不同芯片在不同电流驱动下,光效都随着输入电流的增加而逐渐减小,并且电流较小的时候,光效减小的速率较快,有很大的下降斜率,随着输入电流的继续增加,光效的减小速率明显变小,且下降斜率相对稳定。

2.3 LED光热性能分析

LED输出光特性不仅与输入电流密切相关,而且与温度影响密不可分。此部分主要研究了三种不同芯片在不同温度下,直流驱动时LED的光通量、光效与温度变化的关系。此处研究的散热片温度分别为50、60、70℃。图6为不同温度下光通量随电流的变化曲线。

从图中可知,当温度升高时,三种芯片的光通量都出现下降的趋势,输入电流较小时,光通量随温度的升高而减少的现象不明显,但随着电流的逐渐加大,光衰现象就非常的明显。这种现象会降低芯片的工作性能,所以芯片生产厂家都在努力优化芯片的设计,使得当温升很大时,从而减缓光通量的过快衰减。所以图中不同芯片的光通量的下降量有所不同。图7为不同温度下三种不同芯片的光效随电流的变化曲线。从图中可以看出,随着温度的上升,三种芯片的光效都在减小。这主要是因为随着温度的升高,LED的电光转换效率下降,即输入相同的电功率所产生的可见光的量在减少,所以光效也减少。

总而言之,随着温度的升高,光通量和光效都出现一定的下降,并且这种下降是非线性的,且这种下降程度因芯片而异。

3 结语

LED是一个光电热互相作用的多学科混合系统。其输出光特性不仅受输入电流的影响,而且还与温度变化密切相关。本文通过研究不同知名厂家芯片,在不同输入电流波形驱动时,及不同温度下LED芯片的光电热特性,得出以下结论 :

(1) 在不同输入电流波形驱动时,大功率LED芯片的输出光特性有所不同。光通量在输入电流较小时,受电流波形的影响不明显,但在输入电流较大时,其受波形的影响就变得很明显,且大电流输入时,直流驱动的光通量最大。输入电流较小时,PWM波的光效最大,输入电流较大时,直流的光效最大。LED的色温在PWM驱动时最大,直流驱动时最小,三角波与馒头波位于两者之间且差别不大。

(2)LED的光电特性受温度的影响明显。不同输入电流波形下,LED的伏安特性随着温度的增加而左移 ;随着温度的增加,直流驱动时,LED的光通量和光效都减小。

摘要：以不同知名厂家的大功率LED芯片为对象,基于简化后的热网络模型,采用积分球测试系统,分析研究了大功率LED芯片的光通量、光效以及色温等输出光性能随输入电流和温度变化的规律。结果表明,在不同输入电流波形驱动时,大功率LED芯片的输出特性有所不同且LED的光电特性受温度的影响明显。

关键词：大功率LED芯片,光电热性能,输出特性

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部分LED企业及芯片展示 篇3

国际整流器公司 (IR) 提供了一系列的LED驱动器IC和模块, 搭载了包括广泛LED驱动器类别的高压开关。IR已经推出的应用指南和演示板同样可以辅助客户在这些产品方面的设计。应用范围覆盖了从低成本双向可控硅可调灯泡类解决方案, 到荧光灯和HID工业替代LED驱动器, LED运动器可以由LED电流或电流模拟控制的PWM斩波进行调光。在这种情况下, PWM和模拟控制IC与微控制器逻辑级输入相兼容。IR具有LED应用技术支持小组, 能够为客户提供建议和帮助, 同样还可以提供客户所需的设计。

Linear (凌力尔特)

凌力尔特公司最近新推出了创新的LED驱动器LT3791, 这是一款相当精密的降压-升压LED控制器。无论输入电压高于、低于还是等于输出电压, 这一器件都实现了固定的输出电压。但是, 与复杂低效的SEPIC转换器不同, 这一4路开关同步单电感拓扑不仅简化了转换器设计, 而且还提高了工作效率, 从而降低了热耗。

从图1的100W驱动器电路原理图可以看出, 在整个输入电压范围内, 输出达到33.3V/3A, 转换效率高达96%。

安森美

LED驱动器方案针对各类终端应用而定制。例如, 在灯泡替代市场, 安森美提供几种不同的低成本驱动器, 能够省去许多外部元件。在工业/商业照明应用方面, 安森美提供高能效、高功率因数、配有数字及模拟调光接口的方案。此外, 安森美还提供用于LED照明应用的多种功率分立器件, 如MOSFET、整流器、双极结晶体管 (BJT) 等。为了配合智能照明的需求, 安森美提供环境光传感器及距离传感器、无源红外 (PIR) 检测传感器及控制器、有线及无线通信IC, 以及微控制器 (MCU) , 是可提供一站式方案的厂商。

罗姆

罗姆的新产品有:内置升/降压电路的LED驱动IC-BM1050AF, 备升压、降压两个转换器, 可以提供实现0~100%无闪烁的PWM调光标准设计。如果同时使用罗姆另一个带调光功能的LED驱动IC-BD7681F, 则可实现调光调色的解决方案。

为切合中国客户的需求, 罗姆推出了迎合本土客户需求的实用型LED驱动参考设计, 如“使用了内置MOSFET的AC/DC的参考设计”。此外, 还有“无线遥控吸顶灯解决方案”, 该方案采用的便是罗姆的内置升/降压电路的LED驱动IC (BM1050F) 和带调光功能的LED驱动IC (BD7681F) , 并融合旗下LAPIS Semiconductor的数字技术—内置低功耗MCU的Zigbee控制IC (ML7275) , 可以通过遥控器进行调光调色, 从而实现智能化照明。

Marvell

Marvell提供的智能LED照明方案同时面向家用和商用, 可以很好地解决高成本和开放式互通两大问题。Marvell的解决方案有四个层次:

●LED驱动。Marvell的LED驱动采用了独特的数模混合架构, 采用了最少的芯片数量及器件数量, 可以满足球泡灯的小尺寸要求;其次, Marvell的LED驱动拥有数字接口, 可与通信芯片连接;再次, Marvell提供RF MCU工作的高效率低功耗供电方案, 帮助整灯静态功耗远小于美国能源之星规定的500mW。市场上很多厂商采用的智能照明驱动方案, 需要多至4~5个芯片, 成本高且影响尺寸要求。

●提供整体的通信网关方案。

●提供基于Kinoma技术的用户接口 (UI) 。

●云端软件及服务支持。

奥地利微电子

提供的主要传感器解决方法包括:可根据日光自行调节亮度的TSL4531环境光传感器、TCS3472色彩传感器 (该传感器可以实现对白光和其他色彩系统的细致管理) , 以及AS369x、AS382x和AS1390系列精确的多通道LED驱动器以及升压控制器。同时, 还协助通讯协议堆栈的定义、标准化和部署工作, 因为这些通讯协议堆栈能使感知照明系统像今天的数据网络一样顺畅地运作。

飞兆半导体