大功率倒装结构LED芯片热模拟及热分析

《半导体光电》2007年12月第28卷第6期王立彬等:大功率倒装结构IED芯片热模拟及热分析光电器大功率倒装结构LED芯片热模拟及热分析王立彬,陈宇,刘志强,伊晓燕,马龙,潘领峰,王良臣中国科学院半导体研究所,北京100083)摘要:对功率型倒装结构发光二极管(LED)温度场分布进行了有限元模拟,与实测结果进行了比较,并结合传热学基本原理对模拟结果进行了分析。结果表明,凸点的形状及分布与芯片内部温差有着密切的关系,蓝宝石的厚度对芯片内部温差也有一定的影响。同时,对倒装结构与正装结构的热阻进行了比较。ED;热模拟;有限元;倒装结构中图分类号:TN312.8文献标识码:A文章编号: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引言本文对功率型倒装结构LED进行了有限元模拟,并对模拟结果进行了热学理论分析,发现在功率与传统的白炽灯相比,白光LED具有节能、环型倒装结构LED中,芯片的内部结构对芯片内部温保、发光效率高、显色指数高、响应速度快、体积小和差有很大的影响,即芯片中存在较大的横向热阻。工作寿命长等突出优点,被视为新一代的照明光源,因此,在倒装结构LED的热学设计中应尽量降低横成为近年研究热点-3。欧美日韩等国家和地区制向热阻定了相应的发展计划,投入巨资进行相关技术研究。我国也于2003年启动了“国家半导体照明工程”2热模拟GaN基功率型倒装结构发光二极管(LED)是目前研究热点。由于其产生的热量很大,如果热阻功率型LED模型如图1所示,芯片尺寸为1过高,就会造成芯片结温过高,或芯片局部结温过mm×1mm。利用有限元模拟分析软件对倒装结构至直接造成器件损坏,因此散热技术是功鞍N的L圳由卦法用的环氧树脂热导高,过高的结温将引起器件光衰,降低使用寿命,甚中国煤化二理,热量通过热传导CNMH通过对流辐射或型倒装结构LED的关键技术之热传导释放到环境中。其中各接触界面假设为理想收稿日期:2007-03-29接触界面,即不考虑界面热阻。采用的模拟软件为SEMICONDUCTOR OPTOELECTRONICS Vol 28 No 6ANSYS10三维模拟软件。测量的实际器件表面温度分布图,温度范围为61.83~84.15℃ANSK图1功率型LED模型图倒装结构的LED芯片与Si基座通过凸点连接如图2。凸点的分布将影响芯片内的温度分布,在图4LED器件表面温度场模拟分布图模拟中,凸点的分布采用图3所示的方案。散热体采用4cm×4cm×1.5cm铜质材料。蓝宝石MOW-b图5LED芯片有源区温度场模拟分布图Si基座图2倒装结构示意图yo图6LED器件表面温度场实际分布图模拟结果中温度分布与实测温度分布基本相图3凸点在芯片上的分布符,温度范围小于实测温度范围,这主要由于模拟过程中忽略了界面热阻与芯片和管壳粘接材料的热阻边界条件:与空气对流系数设为5,散热体黑度对比图3与图5可以看出,芯片有源区温度梯为0.5,环境温度为25℃;设芯片产热功率为1W,度较大,凸点中心位置温度最低,距离凸点最远的区GaN材料层为均匀产热层。LED热量来源主要为域温度最高。整个有源区的温差为8.1C。因此器材料对光的吸收和焦耳热。由于倒装结构的电极可件芯片的自身热阻就达到了8.1K/W以做得比较厚,电流扩展非常好,因此p电极区域产对于实际应用,LED的总热阻为生的热量比较均匀,n电极区域产生的热量也比较R。=R若片+Rs基座十R+R热沉十R热沉环境均匀,而n电极区域的GaN比p电极区城厚度小一其中,R+R+R的值一般在20K/W左右,些,并且没有有源区,因此n电极区域由于光的吸收R过大,将使得整个LED系统热阻过大,导致芯产生的热量少;但是n电极区占器件面积少,其电流片温度过高,影响芯片的寿命。因此,研究芯片内部密度比p电极区域大,即产生的焦耳热要多一些因此,综合考虑两种因素,可以近似认为整个GaN中国煤化工材料层为均匀产热层CNMHG模拟结果见图4与图5,温度范围为68~86℃。图6为具有相同凸点分布的LED采用热像仪在倒装结构中,绝大多数热量必然从芯片经由770《半导体光电》2007年12月第28卷第6期王立彬等:大功率倒装结构LED芯片热模拟及热分析凸点传导出去,凸点可以有各种不同的分布,凸点也dv=whdr可以有不同形状,如圆柱形,条形等。对每个凸点而dt言,其周围都存在一个特定的芯片区域,在这个芯片区域产生的热量将全部传导至该凸点(如图7,图8其中,S=wh,D=x一r。总温差为所示)。由于纵向尺度远小于横向尺度,纵向温差△T1=|dT(x-r)dx=8(L-r)2(热阻)忽略不计。下面分析这个区域产生的热量传(1)导至凸点时所产生的温差。这个温差所代表的热阻即芯片的横向热阻。r至L间任一点x1至r的温差△T,△T,=△T(L-x1)2x1点处的温度梯度为图7条形凸点(a)和圆柱形凸点(b)d△T=(L-x1)(3)其中,≤x1≤L。当凸点为圆柱形时,如图8(b)所示,设凸点圆心为坐标原点,凸点半径为r,距离凸点圆心x处的长度为dx的体积(a)条形b)圆柱形dV= w(ar)d图8不同凸点热传导模型dx处产生的热量GaN导热率达到200W/mK左右,相对比邻dQ在y处传导距离为dy时,产生的温差为的蓝宝石(K=35W/mK),导热能力很好,其厚度Dg dv只有几微米,因此可以将整个GaN层看作为均匀的dT热源。设产热区厚度为,产热率为g,距离凸点中其中,S=u(0y),D=dy心最远的距离为L,材料的导热率为λ,在芯片内部dQ从x处传导至r处产生的温差热传递方式为热传导。此处为方便分析计算,暂不考虑蓝宝石的影响,蓝宝石厚度的影响在后面另作△T2=dT分析距离凸点圆心最远处至凸点边缘的温差根据热传导公式:△T2=dT2T△T(In.x-Inr)rdx式中,q为热流密度,q=Q/S,Q为热量,S为与热流方向垂直的面积;Δx为热流流经的距离,以D表7)-0.512+0.5示,dT为热流量为q的热量流经距离D产生的温r至L间任一点x2至r的温差为差,负号表示热流方向与温度梯度方向相反。得到dt= D= D△T,=△-a[(2)-0.512+05}=此处Q=gdV。因此21n(L)0.52+0.5dt= de dv中国煤化工0.5x2}当凸点为条形时,如图8(a)所示,条宽为h,左CNMHG(5)侧为坐标原点,条形凸点半宽为r。取r至L之间任意点x(距离原点为x),长度dx的体积为x2点处的温度梯度为SEMICONDUCTOR OPTOELECTRONICS Vol 28 No 6Ded△T11为根据式(3)和(6)作出的各点的温度梯度。从(6)图10可以看出温度从r处迅速上升,至L处温度上其中r≤x2≤L升缓慢。对比图11,即温度梯度在r附近很大,然设L-r=z,由式(1)和式(4)得后迅速减小,至L附近逐渐减小为零。在圆柱形的△T1=8(L-r)2(7)凸点时各点温度明显比条形凸点温度高,温度梯度也大。同时凸点半径越小,凸点附近温度梯度越大△T=数(+)(+)-0.5(=+-7]}对应的芯片最高温度也就越商Block bump因此,凸点为条形时,距离凸点最远处至凸点边缘的温差与二者距离的二次方成正比,并且与凸点大小无关,但凸点大小会影响凸点自身的热阻凸点为圆柱形时,二者关系比较复杂,同时与凸点半径有关。图9是分别取r为10pm,30m和60pm,作出的△T2与z的关系曲线,同时给出△T1与z的关系曲线,此处没有考虑蓝宝石的影响,其中g=O图10≤x≤L各点相对温度分布1×10-3×1×10-3×5×100-6=2×1011000o0o/..Cylinder bump(W/m3)…:…x/Hm图11L=100μm时,两种凸点结构下对应的不同位置与温度梯度的关系图9不同情况下芯片内的最高温度差4蓝宝石的影响从图9中可以看出,相同的z值,对应的△T2在倒装结构LED中,蓝宝石表面覆盖的是热导都比△T1大。也就是说,对于圆柱形凸点距离凸极低的环氧树脂,被近似看作绝热,同时蓝宝石热点最远处至凸点边缘的温差,与其距离的关系大于导率相对较低,通常认为热量由芯片通过凸点等逐二次方的关系。对比图3,图5,图6,可以发现距离步进入环境,蓝宝石对散热没什么影响。取蓝宝石不同厚度时对倒装结构LED进行热凸点较远的两个角,无论是模拟结果还是实测结果,学模拟,模拟边界条件同上,图12是模拟结果中不其温度较其他区域都高出很多。同蓝宝石厚度与芯片内部温差的关系。因此,芯片设计时应避免局部区域与凸点的距从图中可以看出,随着蓝宝石厚度的增加,芯片离过大。同时也可以发现,圆柱形凸点半径不同,对应着不同的△T2z曲线,r越小,对应的△T2越大内部温差逐渐降低;当蓝宝石厚度较小时(小于100m),芯片内部温差随蓝宝石厚度的增加降低很快,r越大,对应的△T2越小,也就是说越接近△T1。因当蓝宝石厚度较大时,继续增加蓝宝石的厚度,芯片此,设计时,在凸点数量相同,工艺条件允许的情况内部中国煤化工下,凸点半径应尽可能大些。CNMHG的过程中,热源与图10是取r=30pm,L=130pm时,根据式凸点之间存在热阻R,蓝宝石的作用相当于为该热(2)和(5)当κ≤x≤L时各点相对r处的温度差,图阻并联了一个热阻R2,总热阻用R表示,它们的关772《半导体光电》2007年12月第28卷第6期王立彬等:大功率倒装结构LED芯片热模拟及热分析系如下就目前国内制作的LED而言,经实际测量正装结构热阻在5~10K/W,倒装结构热阻在10~20R RI RK/W。这主要一方面由于倒装结构横向热阻比较r,R大,同时倒装结构引人了Si-基座,增加了工艺难度,蓝宝石厚度增加,R2将会降低,总热阻R也就界面增多,界面热阻增加所致降低。选取适当的蓝宝石的厚度可以有效降低芯片6结论内部的温差。通过对大功率倒装结构LED的有限元模拟及热分析,表明芯片内部热阻较大;通过进一步模拟与分析,芯片与Si基座联接的凸点的形状与分布与芯片内部热阻有着密切的关系;同时,蓝宝石的厚度对芯片内部热阻也有一定的影响。通过与正装结构对比,倒装结构只有在其芯片横向热阻很小的情况下,其总热阻低于正装结构,而通常情况下,正装结构的热阻小一些图12蓝宝石厚度对芯片内部温差的影响参考文献5与正装结构的比较[1] Schubert E F. Light-emitting Diodes[M]. New YorkCambridge University Press, 2003由于蓝宝石的热导率(35W/mK)远低于硅的2] Steigerwald D A, Bhat J C, Collins d o. Illumination热导率(145W/mK),通常认为倒装结构散热比正with solid state lighting technology[J]. IEEE J. Sel.装结构散热好。下面进行分析Top. Quantum Electron, 2002,8(2): 310-320在与倒装结构相同的封装条件下,正装结构[3] Craford M G. isible leds: the trend toward highLED的总热阻:power emitters and remaining challenges for solid stateR,=R(N+R蓄y石+R=+R热沉十R热沉环须lighting[J]. Proc. SPIE,2002,4776:1-8.与倒装结构LED的总热阻R比较,只有前两项不[4] Sugiura L. Dislocation motion in GaN light-emittingdevices and its effect on device lifetime[J]. J. Appl.Phys.,1997,81:1633-1-638由导热热阻公式R=4,6为厚度,A面积,[5] Arik M,Prok. Weaver S. Thermal challenges in则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从以上两值可以看出,虽然他们热导率相差很Electron Device Lett., 2004, 25(2):424-426大,但由于厚度很小,他们的热阻值绝对值相差很(7]夏雅君,传热学[M].北京:中国电力出版社,200小,只有1.5K/W。正装结构中的RcN为GaN纵向热阻。倒装结构中的R悲片即包含了GaN的纵向热阻,也包含了前面讨论的横向热阻。当倒装结构作者简介中横向热阻大于1.5K/W时,倒装结构LED的热阻就大于正装结构LED的热阻,反之,倒装结构GaNLED的热阻的热阻就小些YHa中国煤化工究生研究方向为CNMHG