《半導(dǎo)體光電》2007年12月第28卷第6期王立彬等:大功率倒裝結(jié)構(gòu)IED芯片熱模擬及熱分析光電器大功率倒裝結(jié)構(gòu)LED芯片熱模擬及熱分析王立彬,陳宇,劉志強(qiáng),伊?xí)匝?馬龍,潘領(lǐng)峰,王良臣中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所,北京100083)摘要:對(duì)功率型倒裝結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管(LED)溫度場分布進(jìn)行了有限元模擬,與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行了比較,并結(jié)合傳熱學(xué)基本原理對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,凸點(diǎn)的形狀及分布與芯片內(nèi)部溫差有著密切的關(guān)系,藍(lán)寶石的厚度對(duì)芯片內(nèi)部溫差也有一定的影響。同時(shí),對(duì)倒裝結(jié)構(gòu)與正裝結(jié)構(gòu)的熱阻進(jìn)行了比較。ED;熱模擬;有限元;倒裝結(jié)構(gòu)中圖分類號(hào):TN312.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):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(duì)功率型倒裝結(jié)構(gòu)LED進(jìn)行了有限元模擬,并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了熱學(xué)理論分析,發(fā)現(xiàn)在功率與傳統(tǒng)的白熾燈相比,白光LED具有節(jié)能、環(huán)型倒裝結(jié)構(gòu)LED中,芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)芯片內(nèi)部溫保、發(fā)光效率高、顯色指數(shù)高、響應(yīng)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。工作壽命長等突出優(yōu)點(diǎn),被視為新一代的照明光源,因此,在倒裝結(jié)構(gòu)LED的熱學(xué)設(shè)計(jì)中應(yīng)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(qū)制向熱阻定了相應(yīng)的發(fā)展計(jì)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(dǎo)體照明工程”2熱模擬GaN基功率型倒裝結(jié)構(gòu)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過高,就會(huì)造成芯片結(jié)溫過高,或芯片局部結(jié)溫過mm×1mm。利用有限元模擬分析軟件對(duì)倒裝結(jié)構(gòu)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)氧樹脂熱導(dǎo)高,過高的結(jié)溫將引起器件光衰,降低使用壽命,甚中國煤化二理,熱量通過熱傳導(dǎo)CNMH通過對(duì)流輻射或型倒裝結(jié)構(gòu)LED的關(guān)鍵技術(shù)之熱傳導(dǎo)釋放到環(huán)境中。其中各接觸界面假設(shè)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(jié)構(gòu)的LED芯片與Si基座通過凸點(diǎn)連接如圖2。凸點(diǎn)的分布將影響芯片內(nèi)的溫度分布,在圖4LED器件表面溫度場模擬分布圖模擬中,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(lán)寶石MOW-b圖5LED芯片有源區(qū)溫度場模擬分布圖Si基座圖2倒裝結(jié)構(gòu)示意圖yo圖6LED器件表面溫度場實(shí)際分布圖模擬結(jié)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(duì)流系數(shù)設(shè)為5,散熱體黑度對(duì)比圖3與圖5可以看出,芯片有源區(qū)溫度梯為0.5,環(huán)境溫度為25℃;設(shè)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(yuǎn)的區(qū)GaN材料層為均勻產(chǎn)熱層。LED熱量來源主要為域溫度最高。整個(gè)有源區(qū)的溫差為8.1C。因此器材料對(duì)光的吸收和焦耳熱。由于倒裝結(jié)構(gòu)的電極可件芯片的自身熱阻就達(dá)到了8.1K/W以做得比較厚,電流擴(kuò)展非常好,因此p電極區(qū)域產(chǎn)對(duì)于實(shí)際應(yīng)用,LED的總熱阻為生的熱量比較均勻,n電極區(qū)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(qū)域的GaN比p電極區(qū)城厚度小一其中,R+R+R的值一般在20K/W左右,些,并且沒有有源區(qū),因此n電極區(qū)域由于光的吸收R過大,將使得整個(gè)LED系統(tǒng)熱阻過大,導(dǎo)致芯產(chǎn)生的熱量少;但是n電極區(qū)占器件面積少,其電流片溫度過高,影響芯片的壽命。因此,研究芯片內(nèi)部密度比p電極區(qū)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(rèn)為整個(gè)GaN中國煤化工材料層為均勻產(chǎn)熱層CNMHG模擬結(jié)果見圖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(jié)構(gòu)中,絕大多數(shù)熱量必然從芯片經(jīng)由770《半導(dǎo)體光電》2007年12月第28卷第6期王立彬等:大功率倒裝結(jié)構(gòu)LED芯片熱模擬及熱分析凸點(diǎn)傳導(dǎo)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(duì)每個(gè)凸點(diǎn)而dt言,其周圍都存在一個(gè)特定的芯片區(qū)域,在這個(gè)芯片區(qū)域產(chǎn)生的熱量將全部傳導(dǎo)至該凸點(diǎn)(如圖7,圖8其中,S=wh,D=x一r。總溫差為所示)。由于縱向尺度遠(yuǎn)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(jì)。下面分析這個(gè)區(qū)域產(chǎn)生的熱量傳(1)導(dǎo)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(dāng)凸點(diǎn)為圓柱形時(shí),如圖8(b)所示,設(shè)凸點(diǎn)圓心為坐標(biāo)原點(diǎn),凸點(diǎn)半徑為r,距離凸點(diǎn)圓心x處的長度為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(dǎo)模型dx處產(chǎn)生的熱量GaN導(dǎo)熱率達(dá)到200W/mK左右,相對(duì)比鄰dQ在y處傳導(dǎo)距離為dy時(shí),產(chǎn)生的溫差為的藍(lán)寶石(K=35W/mK),導(dǎo)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(shè)產(chǎn)熱區(qū)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(yuǎn)的距離為L,材料的導(dǎo)熱率為λ,在芯片內(nèi)部dQ從x處傳導(dǎo)至r處產(chǎn)生的溫差熱傳遞方式為熱傳導(dǎo)。此處為方便分析計(jì)算,暫不考慮藍(lán)寶石的影響,藍(lán)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(yuǎn)處至凸點(diǎn)邊緣的溫差根據(jù)熱傳導(dǎo)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(fù)號(hào)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(dāng)凸點(diǎn)為條形時(shí),如圖8(a)所示,條寬為h,左CNMHG(5)側(cè)為坐標(biāo)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(jù)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(duì)比圖11,即溫度梯度在r附近很大,然設(shè)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(shù)(+)(+)-0.5(=+-7]}對(duì)應(yīng)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(yuǎn)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(fù)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,同時(shí)給出△T1與z的關(guān)系曲線,此處沒有考慮藍(lán)寶石的影響,其中g(shù)=O圖10≤x≤L各點(diǎn)相對(duì)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(jié)構(gòu)下對(duì)應(yīng)的不同位置與溫度梯度的關(guān)系圖9不同情況下芯片內(nèi)的最高溫度差4藍(lán)寶石的影響從圖9中可以看出,相同的z值,對(duì)應(yīng)的△T2在倒裝結(jié)構(gòu)LED中,藍(lán)寶石表面覆蓋的是熱導(dǎo)都比△T1大。也就是說,對(duì)于圓柱形凸點(diǎn)距離凸極低的環(huán)氧樹脂,被近似看作絕熱,同時(shí)藍(lán)寶石熱點(diǎn)最遠(yuǎn)處至凸點(diǎn)邊緣的溫差,與其距離的關(guān)系大于導(dǎo)率相對(duì)較低,通常認(rèn)為熱量由芯片通過凸點(diǎn)等逐二次方的關(guān)系。對(duì)比圖3,圖5,圖6,可以發(fā)現(xiàn)距離步進(jìn)入環(huán)境,藍(lán)寶石對(duì)散熱沒什么影響。取藍(lán)寶石不同厚度時(shí)對(duì)倒裝結(jié)構(gòu)LED進(jìn)行熱凸點(diǎn)較遠(yuǎn)的兩個(gè)角,無論是模擬結(jié)果還是實(shí)測結(jié)果,學(xué)模擬,模擬邊界條件同上,圖12是模擬結(jié)果中不其溫度較其他區(qū)域都高出很多。同藍(lán)寶石厚度與芯片內(nèi)部溫差的關(guān)系。因此,芯片設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免局部區(qū)域與凸點(diǎn)的距從圖中可以看出,隨著藍(lán)寶石厚度的增加,芯片離過大。同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn),圓柱形凸點(diǎn)半徑不同,對(duì)應(yīng)著不同的△T2z曲線,r越小,對(duì)應(yīng)的△T2越大內(nèi)部溫差逐漸降低;當(dāng)藍(lán)寶石厚度較小時(shí)(小于100m),芯片內(nèi)部溫差隨藍(lán)寶石厚度的增加降低很快,r越大,對(duì)應(yīng)的△T2越小,也就是說越接近△T1。因當(dāng)藍(lán)寶石厚度較大時(shí),繼續(xù)增加藍(lán)寶石的厚度,芯片此,設(shè)計(jì)時(shí),在凸點(diǎn)數(shù)量相同,工藝條件允許的情況內(nèi)部中國煤化工下,凸點(diǎn)半徑應(yīng)盡可能大些。CNMHG的過程中,熱源與圖10是取r=30pm,L=130pm時(shí),根據(jù)式凸點(diǎn)之間存在熱阻R,藍(lán)寶石的作用相當(dāng)于為該熱(2)和(5)當(dāng)κ≤x≤L時(shí)各點(diǎn)相對(duì)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(dǎo)體光電》2007年12月第28卷第6期王立彬等:大功率倒裝結(jié)構(gòu)LED芯片熱模擬及熱分析系如下就目前國內(nèi)制作的LED而言,經(jīng)實(shí)際測量正裝結(jié)構(gòu)熱阻在5~10K/W,倒裝結(jié)構(gòu)熱阻在10~20R RI RK/W。這主要一方面由于倒裝結(jié)構(gòu)橫向熱阻比較r,R大,同時(shí)倒裝結(jié)構(gòu)引人了Si-基座,增加了工藝難度,藍(lán)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(dāng)?shù)乃{(lán)寶石的厚度可以有效降低芯片6結(jié)論內(nèi)部的溫差。通過對(duì)大功率倒裝結(jié)構(gòu)LED的有限元模擬及熱分析,表明芯片內(nèi)部熱阻較大;通過進(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(nèi)部熱阻有著密切的關(guān)系;同時(shí),藍(lán)寶石的厚度對(duì)芯片內(nèi)部熱阻也有一定的影響。通過與正裝結(jié)構(gòu)對(duì)比,倒裝結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu),而通常情況下,正裝結(jié)構(gòu)的熱阻小一些圖12藍(lán)寶石厚度對(duì)芯片內(nèi)部溫差的影響參考文獻(xiàn)5與正裝結(jié)構(gòu)的比較[1] Schubert E F. Light-emitting Diodes[M]. New YorkCambridge University Press, 2003由于藍(lán)寶石的熱導(dǎo)率(35W/mK)遠(yuǎn)低于硅的2] Steigerwald D A, Bhat J C, Collins d o. Illumination熱導(dǎo)率(145W/mK),通常認(rèn)為倒裝結(jié)構(gòu)散熱比正with solid state lighting technology[J]. IEEE J. Sel.裝結(jié)構(gòu)散熱好。下面進(jìn)行分析Top. Quantum Electron, 2002,8(2): 310-320在與倒裝結(jié)構(gòu)相同的封裝條件下,正裝結(jié)構(gòu)[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(jié)構(gòu)LED的總熱阻R比較,只有前兩項(xiàng)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(dǎo)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(dǎo)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(duì)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(jié)構(gòu)中的RcN為GaN縱向熱阻。倒裝結(jié)構(gòu)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(dāng)?shù)寡b結(jié)構(gòu)作者簡介中橫向熱阻大于1.5K/W時(shí),倒裝結(jié)構(gòu)LED的熱阻就大于正裝結(jié)構(gòu)LED的熱阻,反之,倒裝結(jié)構(gòu)GaNLED的熱阻的熱阻就小些YHa中國煤化工究生研究方向?yàn)镃NMHG