大功率倒裝結構LED芯片熱模擬及熱分析

《半導體光電》2007年12月第28卷第6期王立彬等:大功率倒裝結構IED芯片熱模擬及熱分析光電器大功率倒裝結構LED芯片熱模擬及熱分析王立彬,陳宇,劉志強,伊曉燕,馬龍,潘領(lǐng)峰,王良臣中國科學(xué)院半導體研究所,北京100083)摘要:對功率型倒裝結構發(fā)光二極管(LED)溫度場(chǎng)分布進(jìn)行了有限元模擬,與實(shí)測結果進(jìn)行了比較,并結合傳熱學(xué)基本原理對模擬結果進(jìn)行了分析。結果表明,凸點(diǎn)的形狀及分布與芯片內部溫差有著(zhù)密切的關(guān)系,藍寶石的厚度對芯片內部溫差也有一定的影響。同時(shí),對倒裝結構與正裝結構的熱阻進(jìn)行了比較。ED;熱模擬;有限元;倒裝結構中圖分類(lèi)號:TN312.8文獻標識碼:A文章編號:1001-5868(2007)06-0769-05Thermal Simulation and Analysis of High Power Flip-chip Light-emitting diodesWANG Li-bin, CHEN Yu, LIU Zhi-qiang, YI Xiao-yanMA Long, PAn Ling-feng, WANG Liang-chen(Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, CHN)Abstract: The thermal property of high power flip-chip light-emitting diode(led)wassimulated and analyzed. The results show that the difference in temperature of the led die areclosely related with the shape and the distribution of solder bumps. The thickness of sapphirealso affects the thermal property of light-emitting diode die. The comparison is given betweenflip-chip and conventional structureKey words GaN; light-emitting diode (leD); thermal simulation; finite element analysis;flip-chip1引言本文對功率型倒裝結構LED進(jìn)行了有限元模擬,并對模擬結果進(jìn)行了熱學(xué)理論分析,發(fā)現在功率與傳統的白熾燈相比,白光LED具有節能、環(huán)型倒裝結構LED中,芯片的內部結構對芯片內部溫保、發(fā)光效率高、顯色指數高、響應速度快、體積小和差有很大的影響,即芯片中存在較大的橫向熱阻。工作壽命長(cháng)等突出優(yōu)點(diǎn),被視為新一代的照明光源,因此,在倒裝結構LED的熱學(xué)設計中應盡量降低橫成為近年研究熱點(diǎn)-3。歐美日韓等國家和地區制向熱阻定了相應的發(fā)展計劃,投入巨資進(jìn)行相關(guān)技術(shù)研究。我國也于2003年啟動(dòng)了“國家半導體照明工程”2熱模擬GaN基功率型倒裝結構發(fā)光二極管(LED)是目前研究熱點(diǎn)。由于其產(chǎn)生的熱量很大,如果熱阻功率型LED模型如圖1所示,芯片尺寸為1過(guò)高,就會(huì )造成芯片結溫過(guò)高,或芯片局部結溫過(guò)mm×1mm。利用有限元模擬分析軟件對倒裝結構至直接造成器件損壞,因此散熱技術(shù)是功鞍N的L圳由卦法用的環(huán)氧樹(shù)脂熱導高,過(guò)高的結溫將引起器件光衰,降低使用壽命,甚中國煤化二理,熱量通過(guò)熱傳導CNMH通過(guò)對流輻射或型倒裝結構LED的關(guān)鍵技術(shù)之熱傳導釋放到環(huán)境中。其中各接觸界面假設為理想收稿日期:2007-03-29接觸界面,即不考慮界面熱阻。采用的模擬軟件為SEMICONDUCTOR OPTOELECTRONICS Vol 28 No 6ANSYS10三維模擬軟件。測量的實(shí)際器件表面溫度分布圖,溫度范圍為61.83~84.15℃ANSK圖1功率型LED模型圖倒裝結構的LED芯片與Si基座通過(guò)凸點(diǎn)連接如圖2。凸點(diǎn)的分布將影響芯片內的溫度分布,在圖4LED器件表面溫度場(chǎng)模擬分布圖模擬中,凸點(diǎn)的分布采用圖3所示的方案。散熱體采用4cm×4cm×1.5cm銅質(zhì)材料。藍寶石MOW-b圖5LED芯片有源區溫度場(chǎng)模擬分布圖Si基座圖2倒裝結構示意圖yo圖6LED器件表面溫度場(chǎng)實(shí)際分布圖模擬結果中溫度分布與實(shí)測溫度分布基本相圖3凸點(diǎn)在芯片上的分布符,溫度范圍小于實(shí)測溫度范圍,這主要由于模擬過(guò)程中忽略了界面熱阻與芯片和管殼粘接材料的熱阻邊界條件:與空氣對流系數設為5,散熱體黑度對比圖3與圖5可以看出,芯片有源區溫度梯為0.5,環(huán)境溫度為25℃;設芯片產(chǎn)熱功率為1W,度較大,凸點(diǎn)中心位置溫度最低,距離凸點(diǎn)最遠的區GaN材料層為均勻產(chǎn)熱層。LED熱量來(lái)源主要為域溫度最高。整個(gè)有源區的溫差為8.1C。因此器材料對光的吸收和焦耳熱。由于倒裝結構的電極可件芯片的自身熱阻就達到了8.1K/W以做得比較厚,電流擴展非常好,因此p電極區域產(chǎn)對于實(shí)際應用,LED的總熱阻為生的熱量比較均勻,n電極區域產(chǎn)生的熱量也比較R。=R若片+Rs基座十R+R熱沉十R熱沉環(huán)境均勻,而n電極區域的GaN比p電極區城厚度小一其中,R+R+R的值一般在20K/W左右,些,并且沒(méi)有有源區,因此n電極區域由于光的吸收R過(guò)大,將使得整個(gè)LED系統熱阻過(guò)大,導致芯產(chǎn)生的熱量少;但是n電極區占器件面積少,其電流片溫度過(guò)高,影響芯片的壽命。因此,研究芯片內部密度比p電極區域大,即產(chǎn)生的焦耳熱要多一些因此,綜合考慮兩種因素,可以近似認為整個(gè)GaN中國煤化工材料層為均勻產(chǎn)熱層CNMHG模擬結果見(jiàn)圖4與圖5,溫度范圍為68~86℃。圖6為具有相同凸點(diǎn)分布的LED采用熱像儀在倒裝結構中,絕大多數熱量必然從芯片經(jīng)由770《半導體光電》2007年12月第28卷第6期王立彬等:大功率倒裝結構LED芯片熱模擬及熱分析凸點(diǎn)傳導出去,凸點(diǎn)可以有各種不同的分布,凸點(diǎn)也dv=whdr可以有不同形狀,如圓柱形,條形等。對每個(gè)凸點(diǎn)而dt言,其周?chē)即嬖谝粋€(gè)特定的芯片區域,在這個(gè)芯片區域產(chǎn)生的熱量將全部傳導至該凸點(diǎn)(如圖7,圖8其中,S=wh,D=x一r?？倻夭顬樗?。由于縱向尺度遠小于橫向尺度,縱向溫差△T1=|dT(x-r)dx=8(L-r)2(熱阻)忽略不計。下面分析這個(gè)區域產(chǎn)生的熱量傳(1)導至凸點(diǎn)時(shí)所產(chǎn)生的溫差。這個(gè)溫差所代表的熱阻即芯片的橫向熱阻。r至L間任一點(diǎn)x1至r的溫差△T,△T,=△T(L-x1)2x1點(diǎn)處的溫度梯度為圖7條形凸點(diǎn)(a)和圓柱形凸點(diǎn)(b)d△T=(L-x1)(3)其中,≤x1≤L。當凸點(diǎn)為圓柱形時(shí),如圖8(b)所示,設凸點(diǎn)圓心為坐標原點(diǎn),凸點(diǎn)半徑為r,距離凸點(diǎn)圓心x處的長(cháng)度為dx的體積(a)條形b)圓柱形dV= w(ar)d圖8不同凸點(diǎn)熱傳導模型dx處產(chǎn)生的熱量GaN導熱率達到200W/mK左右,相對比鄰dQ在y處傳導距離為dy時(shí),產(chǎn)生的溫差為的藍寶石(K=35W/mK),導熱能力很好,其厚度Dg dv只有幾微米,因此可以將整個(gè)GaN層看作為均勻的dT熱源。設產(chǎn)熱區厚度為,產(chǎn)熱率為g,距離凸點(diǎn)中其中,S=u(0y),D=dy心最遠的距離為L(cháng),材料的導熱率為λ,在芯片內部dQ從x處傳導至r處產(chǎn)生的溫差熱傳遞方式為熱傳導。此處為方便分析計算,暫不考慮藍寶石的影響,藍寶石厚度的影響在后面另作△T2=dT分析距離凸點(diǎn)圓心最遠處至凸點(diǎn)邊緣的溫差根據熱傳導公式:△T2=dT2T△T(In.x-Inr)rdx式中,q為熱流密度,q=Q/S,Q為熱量,S為與熱流方向垂直的面積;Δx為熱流流經(jīng)的距離,以D表7)-0.512+0.5示,dT為熱流量為q的熱量流經(jīng)距離D產(chǎn)生的溫r至L間任一點(diǎn)x2至r的溫差為差,負號表示熱流方向與溫度梯度方向相反。得到dt= D= D△T,=△-a[(2)-0.512+05}=此處Q=gdV。因此21n(L)0.52+0.5dt= de dv中國煤化工0.5x2}當凸點(diǎn)為條形時(shí),如圖8(a)所示,條寬為h,左CNMHG(5)側為坐標原點(diǎn),條形凸點(diǎn)半寬為r。取r至L之間任意點(diǎn)x(距離原點(diǎn)為x),長(cháng)度dx的體積為x2點(diǎn)處的溫度梯度為SEMICONDUCTOR OPTOELECTRONICS Vol 28 No 6Ded△T11為根據式(3)和(6)作出的各點(diǎn)的溫度梯度。從(6)圖10可以看出溫度從r處迅速上升,至L處溫度上其中r≤x2≤L升緩慢。對比圖11,即溫度梯度在r附近很大,然設L-r=z,由式(1)和式(4)得后迅速減小,至L附近逐漸減小為零。在圓柱形的△T1=8(L-r)2(7)凸點(diǎn)時(shí)各點(diǎn)溫度明顯比條形凸點(diǎn)溫度高,溫度梯度也大。同時(shí)凸點(diǎn)半徑越小,凸點(diǎn)附近溫度梯度越大△T=數(+)(+)-0.5(=+-7]}對應的芯片最高溫度也就越商Block bump因此,凸點(diǎn)為條形時(shí),距離凸點(diǎn)最遠處至凸點(diǎn)邊緣的溫差與二者距離的二次方成正比,并且與凸點(diǎn)大小無(wú)關(guān),但凸點(diǎn)大小會(huì )影響凸點(diǎn)自身的熱阻凸點(diǎn)為圓柱形時(shí),二者關(guān)系比較復雜,同時(shí)與凸點(diǎn)半徑有關(guān)。圖9是分別取r為10pm,30m和60pm,作出的△T2與z的關(guān)系曲線(xiàn),同時(shí)給出△T1與z的關(guān)系曲線(xiàn),此處沒(méi)有考慮藍寶石的影響,其中g(shù)=O圖10≤x≤L各點(diǎn)相對溫度分布1×10-3×1×10-3×5×100-6=2×1011000o0o/..Cylinder bump(W/m3)…:…x/Hm圖11L=100μm時(shí),兩種凸點(diǎn)結構下對應的不同位置與溫度梯度的關(guān)系圖9不同情況下芯片內的最高溫度差4藍寶石的影響從圖9中可以看出,相同的z值,對應的△T2在倒裝結構LED中,藍寶石表面覆蓋的是熱導都比△T1大。也就是說(shuō),對于圓柱形凸點(diǎn)距離凸極低的環(huán)氧樹(shù)脂,被近似看作絕熱,同時(shí)藍寶石熱點(diǎn)最遠處至凸點(diǎn)邊緣的溫差,與其距離的關(guān)系大于導率相對較低,通常認為熱量由芯片通過(guò)凸點(diǎn)等逐二次方的關(guān)系。對比圖3,圖5,圖6,可以發(fā)現距離步進(jìn)入環(huán)境,藍寶石對散熱沒(méi)什么影響。取藍寶石不同厚度時(shí)對倒裝結構LED進(jìn)行熱凸點(diǎn)較遠的兩個(gè)角,無(wú)論是模擬結果還是實(shí)測結果,學(xué)模擬,模擬邊界條件同上,圖12是模擬結果中不其溫度較其他區域都高出很多。同藍寶石厚度與芯片內部溫差的關(guān)系。因此,芯片設計時(shí)應避免局部區域與凸點(diǎn)的距從圖中可以看出,隨著(zhù)藍寶石厚度的增加,芯片離過(guò)大。同時(shí)也可以發(fā)現,圓柱形凸點(diǎn)半徑不同,對應著(zhù)不同的△T2z曲線(xiàn),r越小,對應的△T2越大內部溫差逐漸降低;當藍寶石厚度較小時(shí)(小于100m),芯片內部溫差隨藍寶石厚度的增加降低很快,r越大,對應的△T2越小,也就是說(shuō)越接近△T1。因當藍寶石厚度較大時(shí),繼續增加藍寶石的厚度,芯片此,設計時(shí),在凸點(diǎn)數量相同,工藝條件允許的情況內部中國煤化工下,凸點(diǎn)半徑應盡可能大些。CNMHG的過(guò)程中,熱源與圖10是取r=30pm,L=130pm時(shí),根據式凸點(diǎn)之間存在熱阻R,藍寶石的作用相當于為該熱(2)和(5)當κ≤x≤L時(shí)各點(diǎn)相對r處的溫度差,圖阻并聯(lián)了一個(gè)熱阻R2,總熱阻用R表示,它們的關(guān)772《半導體光電》2007年12月第28卷第6期王立彬等:大功率倒裝結構LED芯片熱模擬及熱分析系如下就目前國內制作的LED而言,經(jīng)實(shí)際測量正裝結構熱阻在5~10K/W,倒裝結構熱阻在10~20R RI RK/W。這主要一方面由于倒裝結構橫向熱阻比較r,R大,同時(shí)倒裝結構引人了Si-基座,增加了工藝難度,藍寶石厚度增加,R2將會(huì )降低,總熱阻R也就界面增多,界面熱阻增加所致降低。選取適當的藍寶石的厚度可以有效降低芯片6結論內部的溫差。通過(guò)對大功率倒裝結構LED的有限元模擬及熱分析,表明芯片內部熱阻較大;通過(guò)進(jìn)一步模擬與分析,芯片與Si基座聯(lián)接的凸點(diǎn)的形狀與分布與芯片內部熱阻有著(zhù)密切的關(guān)系;同時(shí),藍寶石的厚度對芯片內部熱阻也有一定的影響。通過(guò)與正裝結構對比,倒裝結構只有在其芯片橫向熱阻很小的情況下,其總熱阻低于正裝結構,而通常情況下,正裝結構的熱阻小一些圖12藍寶石厚度對芯片內部溫差的影響參考文獻5與正裝結構的比較[1] Schubert E F. Light-emitting Diodes[M]. New YorkCambridge University Press, 2003由于藍寶石的熱導率(35W/mK)遠低于硅的2] Steigerwald D A, Bhat J C, Collins d o. Illumination熱導率(145W/mK),通常認為倒裝結構散熱比正with solid state lighting technology[J]. IEEE J. Sel.裝結構散熱好。下面進(jìn)行分析Top. Quantum Electron, 2002,8(2): 310-320在與倒裝結構相同的封裝條件下,正裝結構[3] Craford M G. isible leds: the trend toward highLED的總熱阻:power emitters and remaining challenges for solid stateR,=R(N+R蓄y石+R=+R熱沉十R熱沉環(huán)須lighting[J]. Proc. SPIE,2002,4776:1-8.與倒裝結構LED的總熱阻R比較,只有前兩項不[4] Sugiura L. Dislocation motion in GaN light-emittingdevices and its effect on device lifetime[J]. J. Appl.Phys.,1997,81:1633-1-638由導熱熱阻公式R=4,6為厚度,A面積,[5] Arik M,Prok. Weaver S. Thermal challenges in則Rmx石=2100406the future generation solid state lighting applications35×(1×10-3)≈2.9K/W,厚度取100Light emitting diodes [A]. In: Proc. IEEE Int.Soc.Conf. Thermal Phenomena[ c]. 2002: 113-120.m,Rs燥145×(1×10)≈1.4K/W,厚度取6]HhC. Schaff W J, Eastman L F,etal. Temperature200mcdependence of performance of In GaN/GaN MQwLED's with different indium compositions [J]. IEEE從以上兩值可以看出,雖然他們熱導率相差很Electron Device Lett., 2004, 25(2):424-426大,但由于厚度很小,他們的熱阻值絕對值相差很(7]夏雅君,傳熱學(xué)[M].北京:中國電力出版社,200小,只有1.5K/W。正裝結構中的RcN為GaN縱向熱阻。倒裝結構中的R悲片即包含了GaN的縱向熱阻,也包含了前面討論的橫向熱阻。當倒裝結構作者簡(jiǎn)介中橫向熱阻大于1.5K/W時(shí),倒裝結構LED的熱阻就大于正裝結構LED的熱阻,反之,倒裝結構GaNLED的熱阻的熱阻就小些YHa中國煤化工究生研究方向為CNMHG