可靠性與熱管理是影響LED照明高品質(zhì)的重要因素,蔓延在產(chǎn)業(yè)鏈的各環(huán)節(jié),一直備受關(guān)注。隨著半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)及市場的不斷成熟,進(jìn)入新的發(fā)展階段,進(jìn)一步提高LED的發(fā)光效率和降低LED的制備成本更為非常重要,絲毫不能放松。
11月15日-17日,一年一度的行業(yè)盛會--第十三屆中國國際半導(dǎo)體照明論壇(SSLCHINA 2016)在北京國際會議中心召開。SSLCHINA的經(jīng)典分會--“可靠性與熱管理技術(shù)”,武漢大學(xué)動力與機(jī)械學(xué)院院長、教授劉勝與飛利浦首席可靠性工程師陶國橋共同擔(dān)任分會主席并擔(dān)任嘉賓主持人。
攜手來自桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院院長、教授楊道國,德國英戈爾施塔特應(yīng)用技術(shù)大學(xué)Alexander Hanss,華中科技大學(xué)教授羅小兵,美國科銳公司應(yīng)用工程經(jīng)理Ralph C. Tuttle,長庚大學(xué)電子工程學(xué)系教授陳始明,長春希達(dá)電子技術(shù)有限公司副總經(jīng)理汪洋,河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院樊嘉杰,天津工業(yè)大學(xué)博士寧平凡等國內(nèi)外企研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)代表等重量級專家,多角度共同論道可靠性與熱管理技術(shù)的發(fā)展。
其中,來自美國科銳公司的應(yīng)用工程經(jīng)理Ralph C. Tuttle介紹了COB LED的可靠性,并回顧C(jī)OB LED的制造方式、COB LED的固有可靠性挑戰(zhàn)、COB LED裝配的關(guān)鍵點和使用COB LEDs過程中需要避免常見錯誤的建議。
他表示,在照明行業(yè)中使用板上芯片(COB)LED顯著增加。設(shè)備制造商不需要投資昂貴的SMT加工設(shè)備就可以組裝照明產(chǎn)品,而SMT是傳統(tǒng)的分立式LED封裝所需要的。然而,盡管它們明顯易于使用,COB LED與分立LED相比,實際上對組裝方法的變化、熱管理技術(shù)和材料選擇更加敏感。即使在看似相對良好的條件下操作COB LED,如果不仔細(xì)考慮上述問題,產(chǎn)品的可靠性將受到明顯影響。
LED與傳統(tǒng)的光源相比有許多優(yōu)勢,如照明效率高、節(jié)能、壽命長,因此越來越引起人們的關(guān)注。桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院院長、教授楊道國表示,在目前的產(chǎn)品中,70%以上的輸入點能量轉(zhuǎn)換成了熱能。由于接合溫度高,LED產(chǎn)品存在許多問題,比如量子效率低,光譜移位,色移,甚至壽命縮短。LED產(chǎn)品的熱可靠性也令人擔(dān)憂。在過去的十年間,盡管對LED的封裝和模塊進(jìn)行了很多研究,但是測量和預(yù)測系統(tǒng)級的LED燈的壽命仍然是一個挑戰(zhàn)。隨后,楊道國教授還介紹了LED燈具壽命預(yù)測的快速評價方法,提出了基于子系統(tǒng)隔離法的LED燈的分級加載壓力加速測試,包括減低壓力加速衰變測試和增加壓力加速衰變測試。
LED的可靠性取決于結(jié)溫,進(jìn)而取決于LED模塊的熱阻。來自德國英戈爾施塔特應(yīng)用技術(shù)大學(xué)的Alexander Hanss教授對LED瞬態(tài)熱阻測量的國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了介紹。他表示,用于測量LED封裝的實際熱阻的通用標(biāo)準(zhǔn)是JESD51-51,它基于MIL-STD-750D方法3101.3中描述的二極管的熱阻抗測量標(biāo)準(zhǔn)以及在JESD51-14標(biāo)準(zhǔn)中的瞬態(tài)測量。瞬態(tài)測量基于半導(dǎo)體器件的正向電壓的溫度的依賴性。LED的熱阻測量需要大量工作且容易出錯,為了克服當(dāng)前的情況,我們定義了執(zhí)行瞬態(tài)熱阻測量的工作流程,并建立了熱循環(huán)。在本文中,首先解釋了瞬態(tài)熱阻測量中的典型誤差。基于所討論的誤差和JESD51-51 / 14a的瞬態(tài)熱電阻測量的實際工作流程定義了熱循環(huán)過程。循環(huán)的第一個結(jié)果是在中國(中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所)和德國(因戈爾施塔特技術(shù)大學(xué))實驗室獲得的測量結(jié)果。按計劃,將有更多的LED制造商,模塊裝配商和可靠性研究所的更多實驗室加入,促進(jìn)實際工作流程的推廣,保證的瞬態(tài)熱電阻測量的質(zhì)量。
華中科技大學(xué)教授羅小兵表示,在LED熒光粉加熱、建模與實驗測試中發(fā)現(xiàn),LED領(lǐng)域通常關(guān)心芯片的熱和熱管理。由于光致發(fā)熱量很小,熒光粉的熱量通常被忽視。在這個報告中,我們將介紹熒光粉發(fā)熱導(dǎo)致高溫現(xiàn)象,然后我們提出耦合的光熱模型,通過非接觸實驗我們測量了芯片表面溫度。通過上述工作,我們希望開發(fā)一些新的工藝來解決熒光粉散熱和光衰現(xiàn)象。
高功率LED以其多種優(yōu)勢,正在取代傳統(tǒng)照明光源。然而,由于缺乏對其失效機(jī)制和相關(guān)可靠性問題的研究,它的可靠性仍然引起人們的擔(dān)心,尤其對于戶外應(yīng)用。長庚大學(xué)電子工程學(xué)系教授陳始明還在“高功率LED在戶外應(yīng)用中的退化物理研究綜述”報告中,對不同濕度和高溫下高功率LED進(jìn)行研究。高功率LED的失效機(jī)制隨著濕度的變化而變化,在器件的壽命周期的不同時段中也會產(chǎn)生變化,這就導(dǎo)致了目前的壽命預(yù)測模型不再適用于高功率LED。
長春希達(dá)電子技術(shù)有限公司副總經(jīng)理汪洋在高功率密度大瓦數(shù)LED照明關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用報告中指出,針對目前傳統(tǒng)大功率照明產(chǎn)品能耗大,壽命短等問題,介紹LED照明替換傳統(tǒng)大功率產(chǎn)品的熱學(xué)、電學(xué)、配光和整機(jī)優(yōu)化設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù),實現(xiàn)大功能LED照明高光效、小體積、輕量化,使大功率LED照明產(chǎn)品替換傳統(tǒng)大功率照明產(chǎn)品成為可能,推動LED照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
高功率LED以其多種優(yōu)勢,正在取代傳統(tǒng)照明光源。長庚大學(xué)電子工程學(xué)系教授陳始明分享了“高功率LED在戶外應(yīng)用中的退化物理研究綜述”研究報告時指出,由于缺乏對其失效機(jī)制和相關(guān)可靠性問題的研究,它的可靠性仍然引起人們的擔(dān)心,尤其對于戶外應(yīng)用。本文綜述了不同濕度和高溫下高功率LED的研究。高功率LED的失效機(jī)制隨著濕度的變化而變化,在器件的壽命周期的不同時段中也會產(chǎn)生變化,這就導(dǎo)致了目前的壽命預(yù)測模型不再適用于高功率LED。
緊接著,來自河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院樊嘉杰介紹了“HEMT封裝上金錫共熔晶粒黏貼的可靠性優(yōu)化”研究報告。他表示,典型的基于SiC和GaN的寬禁帶半導(dǎo)體用于制造功率半導(dǎo)體器件引起了廣泛關(guān)注,由于它與常規(guī)的硅基器件相比,熱導(dǎo)率高,擊穿場強(qiáng)高,操作溫度高,功率損耗低。一些功率器件的操作溫度超過200℃,對于芯片鍵合層的可靠性來說是一個巨大的挑戰(zhàn),導(dǎo)致各種分層和差的熱界面。金-錫共熔焊接合金熔點高,電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率高,高溫穩(wěn)定性好,可濕性極好,焊點強(qiáng)度高,無焊料焊接實用性強(qiáng),是最有潛力的芯片鍵合材料。然而,關(guān)于功率半導(dǎo)體器件的芯片和襯底材料的疲勞損壞的聯(lián)合效應(yīng)的信息很少。因此,為優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計,芯片和襯底材料合并的芯片鍵合層的可靠性很有研究價值。
每個溫度周期中積累的金-錫共熔焊接合金鍵合層在不同HEMT封裝中采用不同芯片和襯底條件下的疲勞損傷。每個周期的疲勞損傷的特點為來源于FEA的粘塑層能量積累。芯片和襯底材料以及它們之間的相互作用對疲勞損傷積累的影響。對于CaN芯片,為保持與Si芯片Cu襯底系統(tǒng)接近的壽命,應(yīng)采用薄的有彈性的襯底。結(jié)果還表明,增加芯片鍵合層的焊點高度可以有效避免AuSn層中的裂紋萌生,尤其對于GaN系統(tǒng)。最終,對于具體的封裝給出了選擇合適材料的指導(dǎo)方針。
最后,來自天津工業(yè)大學(xué)博士寧平凡分享了Mn2+摻雜CdSe/CdS/ZnS量子點的光致發(fā)光和熱穩(wěn)定性研究報告。量子點具有高量子效率,寬吸收,飽和色高,并且顏色易于調(diào)諧,是一種極好的替代熒光粉的材料。然而,由于由于量子點不可避免的電流感應(yīng)的焦耳熱量,成本難以降低,到目前為止,它還不能成為理想的熱可靠性好的標(biāo)準(zhǔn)LED芯片。
研究表明,采用薄的CdS/ZnS外殼堵塞非激發(fā)混合物的中心,可以實現(xiàn)高熒光量子效率和增強(qiáng)熱穩(wěn)定性的量子點。Mn摻雜量子點激發(fā)的熱穩(wěn)定性在很大程度上依賴于外殼厚度和主帶隙,比非摻雜的量子點高很多。而且,還提出了Mn2+摻雜CdSe/CdS/ZnS量子點激發(fā)的熱淬火機(jī)制。