基于多物理場(chǎng)耦合的LED低溫特性研究及可靠性問(wèn)題分析.pdf

1、近年來(lái),LED逐漸被市場(chǎng)和業(yè)界認(rèn)可,很多領(lǐng)域都已經(jīng)將利用LED照明取代傳統(tǒng)光源照明列入例行計(jì)劃之中。由于 LED自身的亮度高,使用壽命長(zhǎng),節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì),LED照明已經(jīng)成功地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,尤其是特殊照明。在低溫環(huán)境中,LED具有更均勻的照度及更高的發(fā)光效率,所以目前已經(jīng)被視為下一代冷藏系統(tǒng)中的照明光源,同時(shí)在一些寒冷地區(qū),由于晝長(zhǎng)夜短的地域特點(diǎn),其年平均照明時(shí)間遠(yuǎn)高于平均水平,這使得照明耗電量長(zhǎng)期居高不下,因此對(duì) LED照明的需求更為

2、迫切。對(duì)于目前LED市場(chǎng)而言,是挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存的關(guān)鍵時(shí)期。LED的可靠性問(wèn)題一直是影響應(yīng)用領(lǐng)域的主要因素,研究其可靠性的關(guān)鍵問(wèn)題在于如何將 LED在實(shí)際條件下表現(xiàn)擬合于試驗(yàn)和仿真當(dāng)中。本文針對(duì) LED在低溫物理場(chǎng)下的可靠性,從封裝器件的光電特性,到LED芯片的材料性能,直至LED完整器件的可靠性進(jìn)行全面系統(tǒng)性分析,最終通過(guò)理論研究成果提出一種在低溫物理場(chǎng)下有良好光電性能的新型 LED結(jié)構(gòu)。開展的研究工作有:
　　(1)設(shè)計(jì)并實(shí)施了

3、LED低溫特性探究實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得LED的各項(xiàng)光電參數(shù)與溫度的關(guān)系。隨著溫度的降低,單芯片GaN基LED的正向電壓升高,相對(duì)光強(qiáng)也會(huì)逐漸升高;對(duì)于峰值波長(zhǎng)、峰值半寬及色溫,都會(huì)隨著溫度的下降而下降。同時(shí),通過(guò)比較藍(lán)光LED及白光LED,可以確定熒光粉會(huì)受溫度的影響使LED的光電性能產(chǎn)生變化。
　　(2)針對(duì)芯片材料進(jìn)行材料屬性分析實(shí)驗(yàn)及裸芯片電學(xué)性能分析實(shí)驗(yàn)。采用原子力顯微鏡(AFM)及掃描電子顯微鏡(SEM)觀察LED芯片的晶

4、體結(jié)構(gòu)、表面形貌、層間排布,發(fā)現(xiàn)在PPS襯底上的薄膜的生長(zhǎng)質(zhì)量會(huì)有所提高,并且GaN薄膜的位錯(cuò)密度會(huì)降低。襯底的表面特殊形貌會(huì)降低芯片全反射效果,但同時(shí)會(huì)帶來(lái)界面間的接觸熱阻的增大,不連續(xù)的顆粒狀結(jié)構(gòu)是材料失效的易發(fā)區(qū)域,也是釋放界面應(yīng)力的區(qū)域。通過(guò)對(duì)裸芯片的電學(xué)性能測(cè)試,進(jìn)一步確定了低溫條件下 LED器件正向電壓升高的結(jié)論,并確定此現(xiàn)象的發(fā)生是 LED芯片本身材料屬性所致,其主要原因是在低溫環(huán)境下,GaN晶格震動(dòng)的能量較小,載流子活性

5、及密度有所降低,電子和空穴的濃度同時(shí)降低,禁帶寬度也會(huì)減小,使得電子遷移率變小,導(dǎo)致了結(jié)區(qū)擴(kuò)散電壓的下降。
　　(3)根據(jù)有限元方法,運(yùn)用ANSYS14.0有限元仿真分析軟件,對(duì)實(shí)驗(yàn)用單芯片LED樣品,進(jìn)行了低溫?zé)?機(jī)械耦合場(chǎng)可靠性分析。獲得了以下結(jié)論:第一,芯片的熱流量傳遞方向主要是垂直向下傳遞,隨著溫度的下降,溫度梯度會(huì)拓展水平方向的范圍,而減少垂直方向的范圍。第二,溫度降低時(shí),LED各組件的溫度差也隨之變小,就是說(shuō)隨著溫度降

6、低,器件的溫度均勻性有所提高;同時(shí)整個(gè)器件的導(dǎo)熱能力有所增強(qiáng),表明導(dǎo)熱能力與環(huán)境溫度關(guān)系是非線性的。第三,最大應(yīng)變與最大應(yīng)力位置容易出現(xiàn)在MCPCB與LED器件的粘接層TIM的邊緣、及芯片的粘接層與硅透鏡交界處。第四,隨著溫度的降低器件所受的應(yīng)力逐漸增大,應(yīng)變先降低后升高,低溫同樣會(huì)對(duì)LED器件的可靠性問(wèn)題帶來(lái)很大。
　　(4)根據(jù)前述基礎(chǔ)理論研究結(jié)果,提出一種在低溫條件下具有較高顯色性及可靠性的LED結(jié)構(gòu)原型即RGB-LED。以

7、單芯片LED的有限元分析結(jié)果為參照依據(jù),對(duì)比分析了RGB-LED在低溫多物理耦合場(chǎng)中的溫度分布規(guī)律,應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律,進(jìn)而驗(yàn)證RGB-LED在低溫耦合場(chǎng)中的可靠性。通過(guò)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)RGB-LED的溫度場(chǎng)結(jié)果與單芯片相似。在RGB LED的三種芯片中,藍(lán)光芯片溫度最高但是其溫度分布比較均勻,溫差較小,紅光芯片溫度最低但是其溫差較大。在熱機(jī)械耦合場(chǎng)中,兩種LED在Die attach層與熱沉接觸面的邊角處較易出現(xiàn)應(yīng)力應(yīng)變最大值,應(yīng)力應(yīng)變的

8、最值區(qū)域不一定是同一個(gè)區(qū)域。應(yīng)力應(yīng)變與溫度是非線性的關(guān)系,整個(gè)溫度變化過(guò)程中,襯底及Die attach層的熱應(yīng)力變化梯度較大,是容易出現(xiàn)疲勞破壞的主要區(qū)域。在不同溫度下的RGB-LED中,雖然紅色芯片溫度最低,但是紅色芯片位置的最值應(yīng)力、最值應(yīng)變出現(xiàn)次數(shù)最多,表明其表面承受著較大的應(yīng)力差及應(yīng)變差,這都會(huì)對(duì)其可靠性造成一定影響。綠色芯片的應(yīng)力、應(yīng)變分布較為平穩(wěn),由此可推斷,在低溫耦合場(chǎng)中,紅色芯片可靠性要差于藍(lán)光芯片和綠光芯片,也是較早