CC BY
34
Доклады БГУИР
2011 №4 (58)
УДК 621.382: 535.376
МЕТОД ТЕПЛОВОЙ РЕЛАКСАЦИОННОЙ СПЕКТРОМЕТРИИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СВЕТОДИОДОВ
ОС. ВАСЬКОВ, В.К. КОНОНЕНКО*, ВС. НИСС
Белорусский национальный технический университет
пр. Независимости, 65, Минск, 220013, Беларусь
*
Институт физики НАН Беларуси пр. Независимости, 70, Минск, 220072, Беларусь Поступила в редакцию 29 апреля 2011
Изучены тепловые характеристики полупроводниковых светодиодов LUXEON Rebel белого свечения компании Philips Lumileds. Методом тепловой релаксационной спектрометрии определены компоненты теплового сопротивления светодиодов с разным качеством слоя теплового интерфейсного материала на теплоотводе. Измеренное тепловое сопротивление переход-корпус светодиодов составило 10,7-10,8 К/Вт, что коррелирует с паспортными данными (10 К/Вт). Постоянные времени теплопередачи, соответствующие компонентам теплового сопротивления этой области, находятся в интервале 0,03-12 мс.
Ключевые слова: светодиод, тепловое сопротивление, релаксационная спектрометрия.
Введение
Полупроводниковые светодиоды широко используются в промышленности, технике, а также в быту. В настоящее время наибольшее внимание уделяется разработке и улучшению выходных характеристик светодиодов белого свечения, предназначенных для использования в различных системах освещения [1].
В данной работе на основе исследования переходных процессов при саморазогреве прямым током разработан эффективный метод определения тепловых параметров диодных излучателей [2, 3]. Развитым методом релаксационной спектрометрии из дифференциального анализа временных зависимостей температуры перегрева активной области светодиодов на основе производных третьего порядка (в рамках эквивалентных моделей Фостера и Кауера) определены компоненты теплового сопротивления светодиодов с разным качеством слоя теплового интерфейсного материала (TIM) на теплоотводе. Дифференциальные и дискретные спектры теплового сопротивления получены для светодиодов LXML-PWC1-0080 белого свечения, что позволяет установить тепловые параметры 10-компонентных наборов их структурных составляющих.
Методика эксперимента и структура светодиодов
Исследования проводились с помощью разработанного в БНТУ релаксационного импеданс-спектрометра тепловых процессов [4]. Измерения основаны на регистрации процесса релаксации прямого напряжения на светодиоде при подаче на исследуемый образец ступенчатого импульса тока длительностью в интервале от 10 мкс до 200 с. Из изменения прямого напряжения (с учетом предварительно определенного температурного коэффициента напряжения - K-фактора) находится температура перегрева активной области светоизлучающего прибора. Регистрация изменений напряжения осуществляется с временным разрешением 1 мкс, а максимальное количество точек регистратора достигает 16 000.
Анализ результатов измерений температуры перегрева при саморазогреве (или остывании) образца на основе представления его структуры в виде эквивалентной тепловой ЛС-цепи
для многослойных систем позволяет определить тепловое сопротивление диодного излучателя. Такого рода тепловые эквивалентные цепи используются для анализа и расчета температуры активной области полупроводниковых приборов в различных режимах работы, например, при SPICE-моделировании.
Температура перегрева ДТ активной области прибора определяется полным тепловым сопротивлением его элементов и межэлементных соединений между ^-«-переходом и окружающей средой. Исходя из аналогии описания электрических токов и тепловых потоков, переходные процессы в полупроводниковой структуре анализируются в рамках эквивалентных схем [5] в виде ЯС-цепочек - схем Фостера [6] и Кауера [7]. При использовании для анализа схемы Фостера временная зависимость ДТ(0 (при нагревании диода) имеет простой математический вид [2, 3, 8, 9]:
ДТ (Г) = Рт £ R¡
1 - ехр
/ ^
X //
(1)
Здесь Рт - мощность, рассеиваемая светодиодом в виде тепла, Я. - тепловое сопротивление /-го структурного элемента светодиода, х. = Я/С/ - постоянная времени тепловой релаксации, С/ -теплоемкость элемента конструкции диода и теплоотвода, п - число компонентов в структуре. При остывании диода, очевидно, температура активной области падает согласно
ДТ«) = Рт ¿Я/. ехр(-/X/).
/
В общем случае тепловое сопротивление диодной структуры определяется как
п
Ят = £ Я , где величина п задает общее число структурных элементов светодиода. Далее про/
анализируем переходный (релаксационный) процесс изменения температуры активной области диодного излучателя. Согласно (1) определяем динамическое тепловое сопротивление как Я*^) = ДТ ^)/Рт и вводим функциональную зависимость [3]:
t
) = £ ехр
X,.
'1 - ^
, X /
(2)
Как видно, в случае, когда различие постоянных времен тепловой релаксации х. для ближайших компонентов структуры достаточно велико, величина Я (О при t« х. дает значения теплового сопротивления Я/ для /-го компонента светодиода.
Однако график зависимости (2) для сложных многослойных структур, к которым относятся современные полупроводниковые приборы, мало информативен. оэтому на основании (1) дифференциальная зависимость (2) преобразовывалась к функции более высокого порядка:
Яз>) = £ Я
V 3Х /
3
ехр
Г Г ; ЛЛ 3 1 - —
V V 3х/ //
(3)
Функция (2) соответствует дифференцированию Дт^) первого порядка (Я*(?) = Я*(?)), а функция (3) - третьего порядка. Переход от (2) к (3) позволяет, используя цифровые данные измерений, наиболее точно подобрать тепловые параметры структурных элементов светодиода. Легко показать, что можно представить дифференциальную функцию теплового
п
сопротивления высшего порядка, например га-го, в виде Я*т (О = £ Я. (^тх1 )т ехр (т (1 - ^тх;)) .
/
Такая методика дает возможность уточнить параметры компонентов Я. и х..
Зависимость Я3*(?) представляет собой дифференциальный спектр теплового сопротивления. При задании достаточного большого числа п структурных компонентов светодиода можно определить также дискретный спектр теплового сопротивления. Обычно число анализируемых тепловых структурных элементов определяется мощностью
программных симуляторов или эффективностью используемых нестационарных тепловых тестеров и ограничивается n = 3^5 (из-за технических трудностей измерений и сложности анализа) [10, 11]. Развитая выше дифференциальная методика дает возможность расширить число исследуемых тепловых структурных элементов диодного излучателя до n = 10.
Как известно, схема Фостера носит ограниченный характер, так как содержит последовательно соединенные емкости, которые в общем случае трудно однозначно связать с реальными теплоемкостями элементов. Поэтому данная схема для получения более точных значений тепловых сопротивлений преобразовывается в схему Кауера [12, 13].
Развитая методика апробирована для светодиодов разного типа и инжекционных лазеров ИК-диапазона [2, 3, 14, 15]. Ниже приведены результаты измерений для светодиодов LUXEON Rebel белого свечения компании Philips Lumileds, выполненных по тонкопленочной флип-чип (TFFC) технологии [1], при которой тонкопленочный светодиодный чип садится на подложку из DBC (direct bonded copper) керамики (рис. 1).
п-контакт
лллллллл/учлллллллл п
-О II, Р
GaN чип
Посадка кристалла Медно-керамическая подложка DBC
Тепловой интерфейсный материал (TIM)
AI радиатор
Рис. 1. Схематическая структура белого светодиода LXML-PWC1-0080 на теплоотводе
Исходные данные слоев структуры светодиодов приведены в табл. 1. Как следует из предварительных оценок, основной вклад в тепловое сопротивление светодиодов вносит мед-но-керамическая подложка и слой TIM. Сечение подложки Al2O3 принималось эффективным для учета растекания теплового потока. Немаловажное значение имеет также посадка кристалла.
Таблица 1. Теплопроводности, размеры слоев и оценка тепловых сопротивлений слоев структуры светодиода типа LXML-PWC1-0080
Слои структуры Толщина (мкм) Сечение (мм) Теплопроводность (Вт/К • см) Тепловое сопротивление (К/Вт)
Чип GaN 4 1 X 1 1,30 0,03
Посадка кристалла 50 1 X 1 0,57 0,9
Медное покрытие 70 1 X 1 3,85 0,18
Керамическая подложка (Л12Оэ) 500 1,5х 1,5 0,30 7,4
Медное покрытие 70 2 x 2 3,85 0,04
Слой TIM 50 2 x 2 0,03 4,2
Результаты измерений и обсуждение
Результаты исследования методом релаксационной спектрометрии тепловых параметров светодиодов LUXEON Rebel белого свечения приведены на рис. 2-4. Экспериментальные точки показывают дифференциальные спектры теплового сопротивления согласно представлению (2) и (3). Временная шкала для R*(t) сдвинута в соответствии с (3). Дискретные спектры теплового сопротивления в 10-компонентном наборе найдены как для схемы Фостера, так и Кауера, и привязаны к временной шкале R1* (t). Хорошее совпадение подгоночных кривых с экспериментальными данными свидетельствует о достаточности 10-компонентного набора структурных элементов светодиодов и адекватности используемой методики.
Сравнение полученных спектров теплового сопротивления демонстрирует, что свойства области посадки и TIM-слоя (границы раздела подложка-радиатор) вносят определяющий вклад в тепловое сопротивление структуры от активной зоны светодиода до радиатора. В зависимости от прижима светодиода к радиатору тепловое сопротивление TIM-слоя может возрас-
ти почти в два-три раза (табл. 2). При этом тепловое сопротивление остальных составляющих структуры светодиода практически не изменяется. Кроме того, полученные значения RT согласуются с предварительными оценками, приведенными в табл. 1.
10~2 Ю"1 10° 101 ю2 ю3 ю4
14 12 10
"р m
8
'of *оГ 6
4 2 0
10"2 10"1 10° 101 ю2 ю3 ю4
t (мс)
Рис. 2. Дискретный и дифференциальный спектры «тепловое сопротивление-постоянная времени тепловой релаксации» для светодиода LXML-PWC1-0080 без TIM-слоя в представлении 10-компонентных эквивалентных схем Фостера (-) и Кауера (.....)
Ю"2 10"1 10° 101 ю2 ю3 ю4
7
65-
Р m
=2 4-
*ос
*оГ3" 210-
10"2 10"1 10° 101 ю2 ю3 ю4
t (мс)
Рис. 3. Спектры «тепловое сопротивление-постоянная времени тепловой релаксации» для светодиода LXML-PWC1-0080 в представлении схем Фостера (-) и Кауера (.....) при слабом прижиме
Ю"2 10"1 10° 101 ю2 ю3 ю4
6
5-
_ 4 -н m
V3-2 -
1 -
10"2 10"1 10° 101 ю2 ю3 ю4
t (мс)
Рис. 4. Спектры «тепловое сопротивление-постоянная времени тепловой релаксации» для светодиода LXML-PWC1-0080 в представлении схем Фостера (-) и Кауера (.....) при сильном прижиме
переход-корпус
посадка кристалла .;-керамическая; .
. ■ ' ¡интерфейс мбд'но- ! подложка-радиатор
подложка / 35^3\
,2,5 J ! 2
¿Äl 2,2
■ "1,5 Уа
. ■ : УР \
: о,з : j
S M I I; ;
\Ri * <5=3
\ ■
12
\
1,2 " _ • 0.5 " -
переход-корпус
медно- Интерфейс посадка кристалла керамическая по^ложка-цёдиатор »¡подложка : \
Таблица 2. Структура теплового сопротивления светодиода, полученная из дискретных спектров на рис. 2-4 (схема Кауера)
Структурные слои излучателя Компоненты теплового сопротивления (К/Вт)
TIM+теплоотвод (сильный прижим) TIM+теплс бый п ютвод (сла-рижим) граница без TIM
Посадка кристалла 1,2 4,1 1,5 4,2 1,6 4,3
1,1 1,3 1,1
1,8 1,4 1,6
Медно-керамическая подложка 2,2 6,6 1,9 6,6 2,4 7,5
2,4 2,2 2,4
2,0 2,5 2,7
Т1М-слой (граница раздела подложка-радиатор) 1,7 3,5 3,5 6,9 6,1 16,2
0,9 1,7 4,8
0,6 1,2 3,6
0,3 0,5 1,7
Заключение
Развитым методом тепловой релаксационной спектрометрии (в рамках 10-компонентных эквивалентных схем Фостера и Кауера) определены компоненты теплового сопротивления промышленных светодиодов белового свечения в зависимости от качества TIM-слоя на теплоотводе. Измеренное тепловое сопротивление переход-корпус светодиодов составило 10,7-10,8 К/Вт, что коррелирует с паспортными данными (10 К/Вт). Постоянные времени теплопередачи, соответствующие компонентам теплового сопротивления этой области, находятся в интервале 0,03-12 мс.
Предложенные методики полезны при решении технологических проблем формирования слоев посадки, подложек и переходных (пограничных) областей и слоев на теплоотводе, а также при разработке тепловых моделей и SPICE-моделировании диодных излучателей. Авторы выражают благодарность Ю.А. Бумаю, В.М. Ломако и Е.В. Луценко за полезное обсуждение результатов измерений и помощь в работе.
THERMAL RELAXATION SPECTROMETRY METHOD AND DETERMINING THE PARAMETERS OF LIGHT-EMITTING DIODES
AS. VASKOU, V.K. KONONENKO, VS. NISS
Abstract
Thermal characteristics of semiconductor light-emitting diodes of LUXEON Rebel type with white radiation of Philips Lumileds firm are studied. By the thermal relaxation spectrometry method, components of the light-emitting diode thermal resistance at different quality of the TIM layer on a heat sink are determined. The measured transition-case thermal resistance of the light-emitting diodes is of 10,7-10,8 K/W that correlates with passport data (10 K/W). Time constants of heat transferring corresponding to this region are in the interval of 0,03-12 ms.
Литература
1. Philips Lumileds. [Electronic resource]. Режим доступа: http://www.philipslumileds.com.
2. Бумай Ю.А., Васьков О.С., Доманевский Д.С. // Сб. ст. 6-й Бел.-Росс. cеминар «Полупроводниковые лазеры и системы на их основе». Мн., 2007. C. 108.
3. Bumai Yu.A., Vaskou A.S., Kononenko V.K. // Metrology and Measurement Systems. 2010. Vol. 17, №1. P. 39.
4. Бумай Ю.А., Васьков О.С., Кононенко В.К. и др. // Электроника инфо. 2010. №3. С. 58.
5. Нейман Л.Р., Демирчян К.С. Теоретические основы электротехники. Т. 1. Л., 1981.
6. Foster R.M. // Bell Syst. Tech. J. 1924. Vol. 3. P. 259.
7. Cauer W. // Z. Angew. Math. und Mechanik. 1930. Vol. 10, №5. P. 425.
8. Sofia J.W. // IEEE Trans. Components, Packaging, and Manufacturing Technol. Part A. 1995. Vol. 18, №1. P. 39.
9. Szekely V. // Microelectron. J. 1998. Vol. 29, №4-5. P. 257.
10. Digele G., Lindenkreuz S., Kasper E. // Proc. 27th European Solid-State Device Research Conf. Stuttgart, 1997. P. 463.
11. Farkas G., Vader Q.van V., Poppe A. et al. // IEEE Trans. Components and Packaging Technol. 2005. Vol. 28, №1. P. 45.
12. Masana F.N. // Microelectron. Reliability. 2001. Vol. 41, №6. P. 901.
13. Gerstenmaler Y.C., Wachutka G. // Microelectron. J. 2002. Vol. 33, №9. P. 719.
14. Бумай Ю.А., Васьков О.С., Кононенко В.К. и др. // Лазерная и оптико-электронная техника. Сб. науч. ст. Вып. 11. Мн., 2008. С. 192.
15. Бумай Ю.А., Васьков О.С., Кононенко В.К. и др. // Сб. ст. 7-й Бел.-Росс. cеминар «Полупроводниковые лазеры и системы на их основе». Мн., 2009. C. 149.
