大功率LED芯片抗过电应力能力研究

d时间：2017-08-14 点击量：1563

LED作为一种新型的照明技术，具有耗能低、寿命长、体积小、可调光、控制灵活和环保等优点，其应用前景举世瞩目。随着LED价格的下降，市场逐渐打开，越来越多的照明产品使用LED作为光源。特别是在道路照明领域，大功率LED产品成为市场的主角，LED在户外照明领域大放异彩[2]。然而，随着LED灯具应用的增加，户外LED灯具受雷击浪涌影响失效的数量也在增加。据调查，在正常使用年限内受损的LED户外灯具大多是因为雷击浪涌产生的过电应力失效了灯具电源及LED光源。这不仅影响灯具的使用寿命，而且增加企业的维护成本。鉴于此，LED户外灯具的抗雷击浪涌能力应引起足够的重视。

　　LED灯具的抗雷击浪涌能力主要取决于两方面：(1)LED驱动电源的抗雷击浪涌能力及保护机制。(2)LED芯片的抗过电应力能力。对于LED驱动电源，应该以两点判断其抗雷击浪涌能力的好坏：(1)自身元器件的抗雷击浪涌能力，保证电源在雷击浪涌后依旧正常工作。(2)电源对浪涌电流电压波形的衰减能力，保证浪涌经过电源后衰减的峰值电流电压在LED芯片可承受的范围内。天津大学张金建[3]等对LED驱动电源的抗雷击浪涌进行研究，根据雷击浪涌的特性，利用气体放电管、压敏电阻、瞬态抑制二极管等浪涌器件设计了一种适合LED电源的浪涌保护电路，并采用雷击浪涌发生器进行抗扰度实验以测试其抗雷击性能。实验结果表明，能够抗击差模1kV和共模2kV的雷击高压，保证LED电源正常工作。然而，LED驱动电源的抗雷击浪涌要求是由LED芯片的抗过电应力能力决定的。因此，对LED芯片的抗过电应力能力的研究是十分必要的。

　　基于此，本文针对几种类型不同的大功率LED芯片进行雷击浪涌实验，以探讨不同大功率LED芯片抗过电应力能力，为LED户外灯具的驱动电源与LED芯片的选择，以及抗雷击浪涌浪涌能力的设计研发提供参考，具有重要的实际意义。

　　2、LED芯片抗过电应力能力的影响因素

　　首先，LED芯片可承受的电流密度决定其抗过电应力能力，LED芯片能承受的单位横截面积上的电流越大，其抗过电应力能力越强。对于常规电导体电流密度必须足够低，以防止导体熔化或熔断，或者绝缘材料被击穿[4]。在大电流密度下LED芯片内部会发生电迁移现象。导电金属材料在通过较高电流密度时，金属原子会沿着电子运动方向进行迁移扩散。在LED中电迁移使金属原子从一个晶格自由扩散到另一个晶格空位上。以倒装结构芯片为例，当电子流从互连引线流入共晶合金凸点时，由于互连引线到凸点的几何形状产生了突变，因此会在界面上产生电流密度聚集和局部焦耳热效应[5]。电流密度聚集使得凸点和芯片及基板引线里的电流密度分布不均匀，导致电流密度聚集处局部产生了复杂的电迁移力，加速了电迁移的过程，同时加速了LED的失效。

　　其次，电流聚集效应影响芯片的抗过电应力能力。电流聚集是电流密度在芯片上的不均匀分布，尤其在芯片接触点附近和P-N接点上方。LED芯片的电流聚集现象在芯片上形成局部过热形成热点，加剧电迁移效应使电流密度局部分布不均匀，不均匀的电流密度使得芯片局部温度上升，而温度上升又引起电阻率降低，从而导致局部载流子的俄歇复合增加[6]，影响芯片的内量子效率。少数载流子通过异质结的电荷区时发生渗漏，会引起电流的注入效率下降，从而造成LED芯片局部发光不均、过热，影响芯片的发光性能和使用寿命，最终导致LED芯片短路或开路。当芯片尺寸和注入电流较大时，这种现象尤为严重。

　　最后，LED芯片键合线的载流能力是影响LED芯片抗过电应力能力的一个因素。虽然由于键合线的熔断导致LED失效在实际应用中不常见，但是键合线的直径、长度、键合类型、金属的物理材质性质、电阻性都对金线的载流能力有影响。当过电应力较大时，导体熔断使LED开路。

　　以上因素共同影响LED芯片的抗过电应力能力。通过不同的芯片技术工艺可以改善芯片的电迁移及电流聚集效应。例如，优化的插指电极可以改善电流拥挤现象;垂直结构芯片使电流在芯片内纵向流动可以改善电流聚集现象。同时倒装芯片的电极和Bump的数目[5]、位置以及欧姆接触的加工制作对于芯片的电流扩展有显著的影响，通过优化电极、Bump的几何及电学参数等可以较大程度的减弱电流拥挤效应，改善电流密度分布的不均匀性，促进电流扩展，降低芯片总的等效电阻。

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