1、引言

　　对于功率型LED，目前的电光能量转换效率约为15 ，即85 的能量将转化为热能。在GaN基功率型LED中，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。如果热量集中在尺寸很小的芯片内，会使芯片温度升高，引起热应力分布不均、芯片发光效率和荧光粉转换效率下降。当温度超过一定值时，器件失效率呈指数规律升高。因此在芯片制作和封装设计方面要设法降低热阻，以保证功率型LED能高效且可靠地工作。本文在对各种功率型LED芯片的表面温度分布进行直接测试的基础上，分析了正装和倒装焊芯片结构LED的散热性能，以及制约因素和改进的途径。

2、 功率型LED芯片散热物理模型

2．1 芯片结构与基本参数

　与传统的白炽灯相比，LED器件的温度一般低于200℃ ，其热辐射非常弱。同时由于封装结构和材料的因素，芯片侧表面和上表面的散热能力极差。因此，LED产生的热量绝大部分是通过热传导的方式传到芯片底部的热沉，再以热对流的方式耗散掉。表1给出了几种不同材料的热导率[1 ]。由表1可以看出，目前在功率型LED的制备中，技术最为成熟、用得最多的蓝宝石衬底的热导率只有35～46 W/(m ·K)，不足Si材料的1/4。

　　为了提高功率型LED器件的散热能力和出光效率，产生了倒装焊芯片(flip-chip)结构。图1分别给出了目前常用的正装与倒装焊功率型LED芯片结构的示意图。

　　倒装焊结构的特点在于以热导率较高的Si(或陶瓷)材料作为器件热传导的介质，通过倒装焊技术将LED芯片键合在Si衬底上。

　　与正装结构的LED相比，倒装焊芯片结构使器件产生的热量不必经由蓝宝石衬底，而是由焊接层传导至Si衬底，再经Si衬底和粘结材料传导至金属底座。由于Si材料的热导率较高，可有效降低器件的热阻，提高其散热能力。

2．2 功率型LED芯片散热模型

图2分别给出了正装与倒装焊结构LED芯片的热阻构成示意图。

　 图2 正装与倒装焊结构LED芯片热阻构成示意图 假定LED芯片结构中某材料层的热导率为五， 厚度为d，面积为S，在忽略材料层的边界效应时， 该材料层的热阻

  目前蓝宝石层典型厚度约为80 m。面积为1mm ，其热导率取46 W/(m ·K)，则其热阻约为1．74 K/W 。

(2)倒装焊结构LED芯片热阻估算同样忽略P型GaN 及金属电极层的热阻。于是倒装焊结构LED芯片的热阻可表示为：

　其中， 为芯片与Si衬底间焊接层的热阻， 为Si衬底材料层的热阻。

　 假定芯片与Si衬底之间以使用较广的铅锡焊料焊接，其热导率取50 W/(m ·K)，焊接接触面积取0．5 mm (但目前多数flip—chip芯片与Si衬底之间的焊接接触面积要小于这一数值)，设焊接层厚度为20 m，则焊接层的热阻 约为0．8 K/W。

　　Si衬底的热导率取150 W/(m ·K)，假定其面积和厚度分别取1．4 mm×1．4 mm和160 m，则其热阻 约为0．54 K/W。

　　因此理论上，对于倒装焊结构的LED，以目前的材料和工艺，其芯片热阻 最低可做到约1．34 K/W 。由此可见，在散热方面，倒装焊芯片结构具有潜在的优势。

3、测试结果与讨论

　　实验中先对各种LED芯片的光辐射功率进行测试，对比输入的电功率P，就可求出芯片热耗散功率 。然后在热平衡状态下，用自行设计的温度微区测量装置直接测量不同芯片的表面温度分布。测试的示意图如图4所示。
测得器件各点的表面温度后，再由式(2)得到LED芯片表面对热沉的热阻 ，结果如表3所
示。

　　3．1 影响LED芯片热阻计算的因素

　　比较表2和表3可以发现，测试结果与其理论计算值基本符合，但存在一定的偏差。误差的来源主要有以下几个方面：

　　(1)温度测试本身带来的误差：由于测量探头体积很小，在温度测试过程中容易引起温度值的起伏，由于采取多次测试统计平均取值，各点的测量相对误差应在1℃左右。

　　(2)焊接面和焊接质量对倒装焊LED芯片热阻的影响：个别焊点处焊接不良，使得凸焊点的接触面过小甚至不接触，必然导致该焊点处热阻增大，在实验中确实发现个别凸焊点处的温度有不正常的升高现象。

　　(3)焊接层面积的误差：在计算中采用的是透过sapphire看到的焊盘底部的最大截面积，但其实际焊接面要小于最大截面积，这导致焊接层的热阻的计算值要小于其真实值。

　　3．2 制约倒装焊结构热阻的主要因素

　　实验中发现，不管是理论估算还是实测，目前多数商业化的倒装焊结构LED产品在散热方面的优势并不明显，甚至热阻还大于正装的芯片。主要因素如下：

　　(1)芯片与Si衬底之间焊接层的影响。由于目前所用焊接材料—— 铅锡焊料的热导率只有约50W/(m ·K)，并不比sapphire高很多，同时焊接层的整体面积小于sapphire层。此外，如果由于焊接质量不高，使得金属化层和Si衬底之间存在虚焊，这些都增大了倒装焊LED器件的热阻。

　　(2)Si衬底与金属底座之间粘结层的影响。目前普遍使用的导电银胶其热导率很低，而且粘结层的厚度难以减到20m 以下，使得这一层的热阻难以大幅度降低。

　　(3)衬底材料和工艺的影响。在倒装焊LED芯片中，用得较多的是Si材料，其优点是工艺成熟。但Si的机械强度不高，使其厚度无法进一步减小，同时Si的导热性能也不是很强，这也制约了倒装焊芯片性能的提高。

　　因此，如果不能有效地解决焊接层的热导率、焊接质量和优化工艺参数等问题，不但不能够体现倒装焊技术在散热方面的优势，甚至还会比正装芯片t更差。

　　4、 结论

　　本文结合正装和倒装焊功率型LED芯片在热平衡状态下的温度分布测试，研究了GaN基功率型LED芯片的散热性能。理论分析表明，倒装焊结构在降低LED芯片热阻，提高器件散热能力方面具有潜在的优势，但这一优势能否充分体现出来则取决于芯片结构中各层材料的选取及工艺参数的优化。

　　目前制约倒装焊LED芯片散热能力的主要因素表现在焊接层和粘结材料层。采用热导率更高的焊接和粘结材料，同时增大焊接层的面积而减小焊接层和粘结材料层的厚度，改善倒装焊LED芯片的焊接质量，可以显著降低倒装焊LED的热阻，提高器件的散热能力。

　　对于正装LED芯片，其优势在于结构简单和制作工艺相对容易。在实验中，我们采用同样的正装LED芯片和同样的导热银胶，但是在对银胶的处理和芯片粘结固化过程中采用了特殊的工艺流程，将粘结材料层的厚度从20m 减小到15m 以下，并提高粘结质量，从而将器件热阻从10.18 K/W 降低到6.96 K/W。