刘 波，郑 伟，李海洋，朱欣贇，马 超

(上海市计量测试技术研究院，上海 201203)

引言

发光二极管(Light Emitting Diode, LED)具有高光效、快启动、长寿命、高可靠性和节能环保等优点，已在照明和指示领域得到广泛应用，被誉为新一代照明光源[1]。典型的单个LED芯片功率约为1 W，通常将数个乃至数百个芯片组成LED灯具，以满足不同场合的照明需要。鉴于LED对人类社会的贡献，2014年诺贝尔物理学奖授予了三位发明高效GaN蓝光LED的科学家[2]。目前照明用LED电光转化效率已超过40%[3]，其余的电能转化成热能。如果热量不能及时散出，则芯片结温升高，从而影响LED器件的工作性能，导致诸如波长红移、发光效率下降、发光强度降低、寿命缩短及色温质量下降等问题。随着单个LED芯片功率的不断攀升，散热问题已成为制约其产业发展的主要瓶颈，因此LED器件的热管理与热分析测试是其封装与应用的关键技术。

本文综述了LED热管理与热分析测试技术的研究进展。首先介绍了LED热量生成机理及相应的抑制技术，随后分析了LED结温的测试方法和热阻结构函数分析的关键算法，并比较了不同方法的适用范围和优缺点，最后基于LED传热强化技术讨论了LED热分析与热管理的发展趋势。

1 LED芯片的热生成与抑制技术

LED芯片是LED模块中将电能转化为光能的功能核心部件，其三种常见的架构如图1所示。LED发光过程也会伴随产生热量，包括电子和空穴复合过程中产生的非辐射热、电子和空穴运动过程产生的焦耳热[3]。此外部分光子在传输过程中被吸收而转化成热能。

图1 三种LED芯片架构示意图①Fig.1 Structure of the three kinds of LED chip

1)非辐射复合。在电场的驱动下，电子和空穴相对运动，在多量子阱中发生电子空穴对的复合。复合通过具体跃迁过程实现，根据跃迁中释放或吸收能量和动量的形式，可以分为辐射复合和非辐射复合。电子和空穴发生辐射复合而发射出光子，实现电能向光能转化，这是LED的工作机理。非辐射复合释放的能量，如声子，导致晶格原子振动，产生热量。研究表明，GaN材料与蓝宝石衬底之间存在较大的晶格失配，导致LED外延层及有源发光区中存在较高浓度的非辐射复合缺陷。这些缺陷中心俘获或释放载流子，对LED电学和光学特性有重要影响，是LED结温升高、性能老化的根源[4]。因而应尽量减少产生非辐射复合中心的晶体缺陷及杂质浓度，以减少非辐射复合过程[5]。

2)电流拥挤效应。传统的GaN基LED衬底一般采用绝缘蓝宝石，其p型和n型接触电极制作在外延片的同一侧，见图1(a)。由于n型GaN层的横向电阻远比p型欧姆接触层的电阻大，因而在实际器件内部不同路径上传输的横向电流密度不同，导致靠近n型电极的台面边缘电流密度大于靠近p型电极焊盘的地方，即电流拥挤效应，造成产生的热量集中影响器件可靠性和发光性能[6]。对大面积大功率器件而言，电流拥挤会更严重。如何使电流均匀扩展一直是国内外研究者关注的问题，研究表明，电极结构极大地影响着LED芯片的电流扩展能力，因而优化电极结构，能够缓解电流拥挤效应[7]。在p电极欧姆接触层的正下方制备结构优化的电流阻挡层，减小电流在电极正下方的聚集，也能有效改善电流拥挤效应[8，9]。

3)电子溢出。由于p型GaN的空穴浓度以及空穴迁移率和n型GaN的电子相比差别很大，造成LED载流子注入不对称，注入到量子阱的部分电子会溢出至p区，使LED的效率大幅下降[10]。在发光复合区与p型GaN之间设置电子阻挡层，通过较宽的禁带宽度，将电子阻挡在发光复合区的多量子阱内，以克服大电流注入条件下，电子溢出导致的发光效率衰减等问题[11]。对电子阻挡层的优化能够进一步减少电子溢出[12]。

4)光线吸收。LED芯片的辐射光和荧光粉的激发光需要经过芯片、荧光粉胶、封装胶和透镜等光学元件才能辐射到环境中去。材料吸收光线会生成热量，荧光粉在光转化过程中由于非辐射跃迁和Stokes损失也会生成热量。有效的光学设计能减小光线在封装材料中的传播光程，是提高光效、减少热量生成的关键。LED封装模块内主要存在芯片-荧光粉胶和荧光粉胶-空气2个容易发生全反射的光学界面。通常芯片的折射率为2.5，荧光粉胶的折射率在1.4～1.7之间，空气的折射率为1，两种材料折射率的差异导致光线从芯片传至荧光粉胶或从荧光粉胶传至空气的过程中会在芯片-荧光粉胶或荧光粉胶-空气界面发生全反射。发生全反射的光线在封装材料中反复传播，大部分被吸收转化为热量，不仅造成光效损失，更导致芯片温度升高，造成芯片效率和荧光粉效率降低。芯片表面粗糙化或者图案化[13]、衬底图案化[14]和光子晶体[15]能够有效减少芯片-荧光粉胶界面的全反射。为减少荧光粉胶-空气界面的全反射，可以采取提高封装材料透光率[16]、改进封装结构[17]、使封装基板和荧光粉胶出光面粗化或图案化[18]、掺杂高散射性微纳颗粒[19]、以及增大荧光粉胶与基板的接触角[20]等措施。

2 LED结温测试与热阻结构函数

对LED的结温和热阻进行精确测试是完善LED性能评价标准的必要条件，也是有效热管理的前提。目前LED结温和热阻的测试方法较多，可分为接触式和非接触式。各种测量方法都存在一定的使用范围和优缺点，部分测量方法对仪器的要求较为严苛，能满足测试精度要求的多以少数国外仪器为主。对各种测试方法进行对比分析，有利于完善我国LED热性能测试标准，有利于开发满足国际标准认可的国产测试仪器。

2.1 接触式测量方法

接触式测量是指测量过程中需要接触LED引脚的一种测量方法，包括电学参数法和管脚温度法。LED电输运的温度效应表明，在恒定电流驱动下，LED的正向电压降VF与pn结温度具有良好的线性关系：

(1)

式中VF(T2)和VF(T1)分别为结温T2和T1时的正向电压降，K为电压温度敏感系数。JEDEC固态技术协会制定的标准JESD 51-1集成电路热测量方法，即电气测试方法中对K系数的标定过程和注意事项做了详尽规范[21]，本文不再赘述。美国标准化技术研究院NIST提出在K系数标定时，选用幅度与额定电流相等的方波脉冲测试电流，在不同热沉温度下测得正向电压降VF，从而得到电压温敏系数的方法[22]。采用这种脉冲电流法测量结温时，脉宽必须小于十几微秒，才能使结温误差小于1 ℃[23]。

LED的热阻是指LED点亮后达到热稳定状态时，单位热功耗下pn结与连接支架或铝基板间的温差：

(2)

式中，Rθjx为pn结到参考位置的热阻，Tj为结温，Tx为参考点温度，热功耗Pj为输入电功率与实际光功率的差值。由LED每层部件热阻构成的热阻网络如图2所示。通常选择LED封装壳温Tc作为参考温度，但由于与热沉接触的封装外壳温度分布不均匀，因而不同测试装置使用热电偶测得的Tc往往存在偏差。鉴于此，标准JESD 51-14提出了一维传热路径下半导体器件结壳热阻瞬态双界面测试方法，消除了壳温测量产生的误差[24]。

图2 LED的热阻网络示意图[4]Fig.2 Thermal resistance of LED

与LED封装器件的整体热阻相比，每一层结构的热阻和热容更有助于分析和优化器件的散热性能。LED的热模型可以等效为一个热阻Rth和热容Cth的并联形式，根据电热比拟理论，可变换为一个等效电阻R和电容C的并联电路。一个n阶RC网络如图3(a)所示，即FOSTER网络模型。如果给模型一个ΔPH的加热功率，则温度的响应函数为：

(3)

式中，t为响应时间；τi=Rthi·Cthi，为模型的时间常数。

图3 RC单端的标准模型[24]Fig.3 Standard model of RC

由于FOSTER模型与实际系统不符，需要将其进行热路变换得到反映器件内部传热结构的CAUER模型[图3(b)]。对于实际的传输型RC系统可以认为由无数多个RC模型组成，式(3)中的求和形式相应地替换为积分形式，并假设ΔPH为1 W，则器件的温度响应可表示为：

(4)

式中R(τ)为时间常数谱。令z=lnt，则式(4)可改写为卷积形式：

⊗w(z)

(5)

式中，⊗为卷积算子，w(z)=exp[z-exp(z)]。因而R(z)可由da(z)/dz和w(z)的反卷积计算得到。

将时间常数谱R(z)分割成许多个宽度为Δz的片段，每个片段对应一个并联RC电路，构建FOSTER网络，再通过FOSTER-CAUER转换计算得出CAUER网络模型，将模型中的累积热容对累积热阻作图和求微分，即可得到器件近似的积分结构函数和微分结构函数。

在求解结构函数的过程中，反卷积和网络模型转换是关键算法。JESD 51-14提供了通过傅里叶逆变换求解反卷积和FOSTER-CAUER模型变换的计算方法[24]。Lai等[25]选用贝叶斯反卷积求LED热阻结构函数，并通过模型和试验测试验证了该方法的有效性。反卷积的计算结果对输入数据的信噪比非常敏感，导致解的相对误差大；且在网络模型变换过程中，时间常数τ跨度从微秒量级到数百秒，对数值精度要求较高，需要特殊的算法才能完成网络变换。高亚楠等[26]提出采用曲线正向拟合的方法处理LED瞬态热响应曲线，由此计算热阻结构函数，此方法具有计算步骤简单、运算量小的优点，并显示出良好的提取还原能力。杨连乔等[27]在原始数据理论数学模型基础上采用最小二乘法拟合进行数据平滑，该方法省去了测试数据因寄生误差而必须的拟合操作，且能对含噪瞬态响应曲线进行平滑，实际测试数据的对比分析表明该方法具有一定的优越性。

由于LED中的热量大部分产生于芯片，监测和降低芯片结温成为研究者进行LED散热设计的首要目的。然而，Luo等[28]实验发现在大功率输入下，荧光粉温度远高于芯片结温从而导致荧光粉碳化，这是由于荧光粉颗粒弥散在导热系数很低的树脂和硅胶等聚合物中，其产生的热量很难传递出去。Ma等[29]在荧光粉光致发热基础上建立了荧光粉光热耦合模型，以预测不同封装结构LED的荧光粉温度。

2.2 非接触式测量法

非接触式测量法是指不需要接触LED引脚的测量，其测温原理分为两类：一类是利用热成像技术直接测温，如显微红外热成像法；另一类是根据LED结温与光谱之间的关系，通过测量光谱特性来求结温，如峰值波长法和白蓝比法。

红外热成像法基于红外辐射原理，利用红外热像仪测量LED器件的温度分布，并把芯片表面的最高温度作为结温。红外热像法具有成像直观、信息丰富的特点[30]。实际测量时，将被测LED置于密闭容器内，仅被测面敞开，点亮一段时间后，用红外热像仪扫描被测面，探测到的红外辐射能被转换为电信号，经放大后以红外热图像的形式显示。根据采集时间的不同，还可获得被测表面温度随时间的变化规律。

红外热像法广泛应用于半导体器件的热特性分析。Aladov等[31]使用红外显微热像仪研究了倒装LED芯片的温度分布和热阻，从温度分布情况验证了电流拥挤效应。Shi等[32]使用红外显微热像仪研究了GaN基蓝色激光二极管温度分布，并分析了高温区产生的原因。迟雷等[33]针对GaN HEMT器件热特性开展了显微红外热像法和电学法测试结果的比较，发现两者测试结果比较接近，但也存在一定的差异，这是由于显微红外热像法能够检测芯片表面的最高温度，而电学法是测量芯片的平均结温。

峰值波长法是利用LED发光机理中载流子带间复合时，当结温升高，禁带宽度变小，辐射峰值波长变长，颜色红移的原理测量结温的。美国照明研究中心的Hong等[34]对AlGaInP基红光LED进行光谱测试发现，峰值波长与结温呈良好的线性关系。李松宇等[35]开展了高压LED的光谱特性测试，发现峰值波长仍然与结温有良好的线性度，可作为结温敏感参数。Choi等[36]也分析了照明LED的峰值波长和结温的线性关系。但由于LED光谱峰值波长变化量通常非常小，因而峰值波长法对设备精度要求极高，且并非所有LED的峰值波长都与结温呈线性关系，如GaN基蓝光LED的峰值波长随结温升高先减小后增大[37]。

蓝白比法主要是根据InGaN蓝光LED芯片发光与荧光粉发光随温度变化不一致，当结温升高时，蓝光峰值波长红移，并降低了荧光粉转化效率，使其发光减弱比蓝光更为显著，根据这一特性即可求得结温。研究表明，GaN+YAG白光LED的总辐射功率与蓝光区辐射功率的比值与结温呈线性关系[37]。Ke等[38]研究含两种荧光粉转化的白光LED时发现，蓝白比与结温的线性度较差，因此提出用蓝黄红三色辐射功率之和与蓝光辐射功率之比代替白蓝比，建立了与结温之间的线性关系，并将该方法应用到多芯片阵列LED光源的测试上。

3 LED传热强化技术

LED器件内部传热过程复杂，涉及扩散热阻、界面热阻和环境热阻，因此LED散热设计需要根据不同热阻的影响机理采取相应的传热强化措施。

1)基于扩散热阻的传热强化。扩散热阻是由热流传导过程中热导体横截面积变化引起的，若热源面积与散热基板面积相等，则扩散热阻为零。由于LED不同部件之间尺寸跨度比较大，因而扩散热阻可占总热阻的60% ～ 70%，是总热阻的主要组成部分[3]。热源和基板的尺寸差异是扩散热阻的主要影响因素，接触面率增大有利于减小扩散热阻；芯片与基板的中心距对扩散热阻也有重要影响，对多芯片封装LED而言，优化热源位置可获得良好的温度分布；但扩散热阻随基板厚度的增加先减小后增大，即存在最优基板厚度使扩散热阻最小[39]。

2)基于界面热阻的传热强化。LED器件中不同部件之间通过很薄的一层热界面材料粘合在一起，如导热胶、导电银浆和导电锡浆等。界面热阻主要由2部分组成，热界面材料厚度引起的体热阻和不完全润湿产生空气腔造成的热阻[40]。因为LED封装模块中存在诸多界面，所以界面热阻是LED热阻的重要组成部分。为减小界面热阻首先应选用热阻小的热界面材料，熊旺等[41]采用热阻分析仪测试了采用Sn20Au80共晶和银胶芯片粘结LED的热阻，发现Sn20Au80共晶的热阻较银胶小。在聚合物基体中添加高导热性的金属颗粒也能强化传热，减小界面热阻。Anithambigai等[42]研究了聚合物基体热界面材料中添加不同比例的铝颗粒对LED结温和热阻的影响。Hashim等[43]研究了商用热界面材料中添加不同粒径的AlN和BN颗粒，通过优化粒径获得了较低的结温和热阻。提高粘合过程的压力，降低基板的表面粗糙度都能有效减少空气腔的形成，从而减小界面热阻。

3)基于环境热阻的传热强化。热量经散热设备最终传递到环境过程中的热阻称为环境热阻，其散热方式可分为被动散热和主动散热。翅片是最广泛使用的散热设备，对翅片的高度、厚度及翅片间隔等参数进行优化，以使翅片有最佳的传热性能[44，45]。热管作为一种先进有效的散热部件，常用于高热流密度器件的散热。梁锋等[46]开展了平板微热管的传热特性实验，结果表明所选用的平板微热管具有良好的均温性和快速启动性。Xu等[47]提出回路热管采用Cu-Ni双层吸液芯结构，加快了启动速率，降低了散热器的表面温度。随着LED集成度和功率的增加，单位面积上产生的热量越来越多，因此需要主动散热，如强制空气冷却和液体冷却，以达到散热要求[48]。当热流密度极大时，应当多种传热强化措施组合使用，才能达到有效散热的目的[46]。

4 结语

随着LED芯片功率的不断攀升，散热问题已成为制约产业发展的主要瓶颈，因而LED器件的热管理与热分析测试技术成为其封装与应用的关键。本文综述了LED热生成与抑制、结温测试与热阻结构函数以及传热强化技术的研究进展，主要得出以下结论：

1) LED发光过程也会伴随热量产生，减少非辐射复合、缓解电流拥挤、减少电子溢出以及合理的光学设计，有利于调节LED的温度和光效。

2) 对LED结温和热阻进行精确测试是有效热管理的前提。电学参数法、显微红外热成像法和峰值波长法是结温测试的常用方法。对结温瞬态热响应函数进行反卷积和网络模型转换能够得到LED的热阻结构函数，可用以分析热阻构成和封装质量。

3) 将LED的热量传递到环境中去是热设计的最终目的。优化扩散热阻，采用高性能热界面材料减少界面热阻，基于翅片、热管和小微通道技术强化散热，以维持LED结温在较低水平。

随着LED向小型化、集成化、多芯片和大功率发展，现有的LED封装技术也需要进一步发展以适应新的应用需求。提升取光效率，减少传播过程中光线被吸收，对提高LED的光热性能至关重要。新型界面材料、新型材料制造的散热器以及高效率的传热强化技术为LED散热性能改善提供了可能。

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