该层金属薄膜引出.为获得好的电流扩展,Ni-Au金属电极层就不能太薄.为此,器件的发光效率就会受到很大影响,通常要同时兼顾电流扩展与出光效率二个因素.但无论在什么情况下,金属薄膜的存在,总会使透光性能变差.此外,引线焊点的存在也使器件的出光效率受到影响.
采用GaN LED倒装芯片的结构可以从根本上消除上面的问题,如图14所示.由于芯片倒装于Si基垫上,LED发出的光直接透过兰宝石射出,不存在上述的Ni-Au金属膜与引线电极,因此出射的光没有损失,加上下面P-GaN层上蒸镀有Ag反射膜,进一步增强了出射光的强度.图15指出了兰绿光LED的量子效率随峰值波长的变化.实验指出,在450~530nm的峰值波长区域,倒装功率型LED器件的量子效率要比普通型器件高出1.6倍. 3、LED散热机制的分析
正如上述,对于一个常规的LED器件,90%以上的输入功率将转换成热.为使器件能维持一个合适的温度,正常工作,这些热量必须通过管壳基板等媒介散发到周围环境中去.
通常将二个节点间单位热功率输运所产生的温度差定义为该二个节点间的热阻,其数学表达式为:
Rθ=ΔT/PD (9)
其中Rθ为节点1与2之间的热阻,ΔT为节点1与2之间的温差,PD为二点间的热功率流.热阻Rθ表示了二点间的热散失能力,Rθ越大,散热能力越差;反之Rθ越小,散热能力越强.当电功率V=VF?IF施加到LED上后,在器件的P-N结处将产生大量的热,致使芯片温度迅速升高,由于器件良好的散热特性,大部分热量将通过银浆、管壳、散热基板,PCB散发到周围环境中去,从而抑制了器件芯片的升温.
类同于电学中的电阻特性,热阻也存在着相同的运算法则,当n个LED安装于同一块基板上时,其热流图如图17所示.
图中Tj、Tc与TB分别代表了某个LED管的P-N结区,管壳与基板处的温度、RθJ-C、RθC-B、RθB-A分别代表P-N结与管壳、管壳与基板、基板与环境之间的热阻,那么,该LED列阵的总热阻可表示为:
RθJ-A= RθJ-C + RθC-B +RθB-A (10)
其中,1/ΣRθJ-C=Σ(1/ RθJ-C),1/ΣRθC-B=Σ(1/ RθC-B),上式满足的基本条件是阵列中所有LED具有完全相同的参数.
热阻Rθ是LED的一个重要参量,当我们知道了某一器件的热阻的Rθ数值,那么根据式(9),即可求得LED的结温: Tj=TA+PDRθJ-A (11)
其中Tj为器件的P-N结温,TA为环境温度,PD=I?V为器件的耗散功率,RθJ-A为器件P-N结与环境之间的热阻.
表9. LED衬底材料的热导系数 材料 热导系数(w/cm?k) Si 1.5 Al2O3 0.46 GaAs 0.54
SiC 4.9
表10. 常用的热沉材料的热导系数 材料 热导系数(w/cm?k) 碳钢 39.2-36.7 黄铜 109 铝合金 162 钼 138 银 427 锡 67 锌 121 纯铜 398 纯铝 236 纯铁 81.1
显然,LED的热阻将严重影响器件的使用条件与性能,图18指出了不同热阻值的器件的最大正向电流与环境温度的关系,由图可见,当热阻较小时,光通量几乎与正向电流成正比例增加,当热阻较大时,由于P-N结温的上升,当正向电流加大到某值时,光通量将趋于饱和,并随之逐渐下降.对于一个LED管,设法降低P-N结与采用环境之间的热阻是提高器件散热能力的根本途径.由于环氧胶是低热导材料,因此P-N结处产生的热量很难通过透明环氧向上散失到环境中去,大部分热量通过衬底、银浆、管壳、环氧粘接层、PCB与热沉向下发散.显然,相关材料的导热能力将直接影响器件的热散失效率.表9与表10指出了若干常用衬底与热沉材料的导热系数值,银浆与环氧的数据未在表中列出.他们的导热系数值分别为2.7与0.2~0.8(w/mk).实验指出,对于一个普通型(Φ5)的LED,从P-N结区环境温度的总热阻在300~600?C/w之间;对于一个具有良好结构的功率型LED器件,其总热阻约为15~30?C/w.巨大的热阻差异表明普通型器件只能在很小的输入功率条件下,才能正常地工作,而功率型器件的耗散功率可大到瓦级甚至更高.
相关推荐：
loading