大功率LED芯片抗過電能力研究

　　LED作為一種新型的照明技術，具有耗能低、壽命長、體積小、可調光、控制靈活和環(huán)保等優(yōu)點，其應用前景舉世矚目。隨著LED價格的下降，市場逐漸打開，越來越多的照明產品使用LED作為光源。特別是在道路照明領域，大功率LED產品成為市場的主角，LED在戶外照明領域大放異彩[2]。然而，隨著LED燈具應用的增加，戶外LED燈具受雷擊浪涌影響失效的數量也在增加。據調查，在正常使用年限內受損的LED戶外燈具大多是因為雷擊浪涌產生的過電應力失效了燈具電源及LED光源。這不僅影響燈具的使用壽命，而且增加企業(yè)的維護成本。鑒于此，LED戶外燈具的抗雷擊浪涌能力應引起足夠的重視。

　　LED燈具的抗雷擊浪涌能力主要取決于兩方面：(1)LED驅動電源的抗雷擊浪涌能力及保護機制。(2)LED芯片的抗過電應力能力。對于LED驅動電源，應該以兩點判斷其抗雷擊浪涌能力的好壞：(1)自身元器件的抗雷擊浪涌能力，保證電源在雷擊浪涌后依舊正常工作。(2)電源對浪涌電流電壓波形的衰減能力，保證浪涌經過電源后衰減的峰值電流電壓在LED芯片可承受的范圍內。天津大學張金建[3]等對LED驅動電源的抗雷擊浪涌進行研究，根據雷擊浪涌的特性，利用氣體放電管、壓敏電阻、瞬態(tài)抑制二極管等浪涌器件設計了一種適合LED電源的浪涌保護電路，并采用雷擊浪涌發(fā)生器進行抗擾度實驗以測試其抗雷擊性能。實驗結果表明，能夠抗擊差模1kV和共模2kV的雷擊高壓，保證LED電源正常工作。然而，LED驅動電源的抗雷擊浪涌要求是由LED芯片的抗過電應力能力決定的。因此，對LED芯片的抗過電應力能力的研究是十分必要的。

　　基于此，本文針對幾種類型不同的大功率LED芯片進行雷擊浪涌實驗，以探討不同大功率LED芯片抗過電應力能力，為LED戶外燈具的驅動電源與LED芯片的選擇，以及抗雷擊浪涌浪涌能力的設計研發(fā)提供參考，具有重要的實際意義。

　　2、LED芯片抗過電應力能力的影響因素

　　首先，LED芯片可承受的電流密度決定其抗過電應力能力，LED芯片能承受的單位橫截面積上的電流越大，其抗過電應力能力越強。對于常規(guī)電導體電流密度必須足夠低，以防止導體熔化或熔斷，或者絕緣材料被擊穿[4]。在大電流密度下LED芯片內部會發(fā)生電遷移現(xiàn)象。導電金屬材料在通過較高電流密度時，金屬原子會沿著電子運動方向進行遷移擴散。在LED中電遷移使金屬原子從一個晶格自由擴散到另一個晶格空位上。以倒裝結構芯片為例，當電子流從互連引線流入共晶合金凸點時，由于互連引線到凸點的幾何形狀產生了突變，因此會在界面上產生電流密度聚集和局部焦耳熱效應[5]。電流密度聚集使得凸點和芯片及基板引線里的電流密度分布不均勻，導致電流密度聚集處局部產生了復雜的電遷移力，加速了電遷移的過程，同時加速了LED的失效。

　　其次，電流聚集效應影響芯片的抗過電應力能力。電流聚集是電流密度在芯片上的不均勻分布，尤其在芯片接觸點附近和P-N接點上方。LED芯片的電流聚集現(xiàn)象在芯片上形成局部過熱形成熱點，加劇電遷移效應使電流密度局部分布不均勻，不均勻的電流密度使得芯片局部溫度上升，而溫度上升又引起電阻率降低，從而導致局部載流子的俄歇復合增加[6]，影響芯片的內量子效率。少數載流子通過異質結的電荷區(qū)時發(fā)生滲漏，會引起電流的注入效率下降，從而造成LED芯片局部發(fā)光不均、過熱，影響芯片的發(fā)光性能和使用壽命，最終導致LED芯片短路或開路。當芯片尺寸和注入電流較大時，這種現(xiàn)象尤為嚴重。

　　最后，LED芯片鍵合線的載流能力是影響LED芯片抗過電應力能力的一個因素。雖然由于鍵合線的熔斷導致LED失效在實際應用中不常見，但是鍵合線的直徑、長度、鍵合類型、金屬的物理材質性質、電阻性都對金線的載流能力有影響。當過電應力較大時，導體熔斷使LED開路。

　　以上因素共同影響LED芯片的抗過電應力能力。通過不同的芯片技術工藝可以改善芯片的電遷移及電流聚集效應。例如，優(yōu)化的插指電極可以改善電流擁擠現(xiàn)象;垂直結構芯片使電流在芯片內縱向流動可以改善電流聚集現(xiàn)象。同時倒裝芯片的電極和Bump的數目[5]、位置以及歐姆接觸的加工制作對于芯片的電流擴展有顯著的影響，通過優(yōu)化電極、Bump的幾何及電學參數等可以較大程度的減弱電流擁擠效應，改善電流密度分布的不均勻性，促進電流擴展，降低芯片總的等效電阻。

　　可見不同結構不同工藝的LED芯片在相同的浪涌脈沖下，抗過電應力的表現(xiàn)不同。下面通過實驗找到市場上常見大功率LED芯片的抗單次脈沖電流峰值的范圍。

　　3、不同大功率LED芯片抗單次脈沖電流的實驗

　　為了模擬實際雷擊對LED燈具及芯片的影響，采用杭州遠方EMS61000-5A[7]智能型雷擊浪涌發(fā)生器，模擬雷擊過程中電網中產生的浪涌波形。

　　EMS61000-5A的輸出波形為：電壓綜合波1.2/50μs和電流綜合波8/20μs的標準組合波[8]，其中電壓綜合波(如圖1所示)波前時間：T1=1.67T=1.2μs±0.36μs，半峰值時間：T2=50μs±10μs。

　　電流綜合波(如圖2所示)波前時間：T1=1.25T=8μs±1.6μs，半峰值時間：T2=20μs±4μs。

　　當使用LED整燈(包含燈珠和驅動電源)作為浪涌測試對象時，發(fā)現(xiàn)標準浪涌波形經過LED電源后其輸出浪涌電流是不確定的，由于不同生產廠家的驅動電源抗雷擊設計不同，造成電源輸出端即燈珠輸入端浪涌波形的形態(tài)及峰值電流大小不可控，增加了實驗過程中的不確定因素。

　　為解決以上問題，本實驗使用直流供應器直接對單顆LED供電，將浪涌波形加在直流電路中。通過調節(jié)設備輸出的脈沖電壓峰值大小和與單顆LED相串聯(lián)的電阻阻值，來改變燈珠輸入端電流脈沖峰值的大小。這樣就做到了浪涌波形的確定及脈沖峰值電流大小的可控。

　　實驗時首先將燈珠在350mA工作電流下點亮，在串聯(lián)有電阻和LED燈珠的電路中施加以上脈沖波形。脈沖電壓由250V開始逐步增加，增加間隔為50V。每個電壓檔進行浪涌沖擊5次，每個波形間隔10s。如果測試完成后燈珠正常工作，就進入下一個電壓檔繼續(xù)測試。同時使用示波器觀察燈珠兩端的峰值電流波形，當燈珠失效擊穿時記錄其脈沖波形，確定其失效時脈沖峰值電流(為排除燈珠保護電極對實驗影響，實驗前將燈珠保護電極去除)。

　　3.1藍寶石襯底水平結構芯片抗浪涌測試

　　對市場上一款尺寸為45mil*45mil尺寸的水平結構LED芯片進行浪涌測試。由250V浪涌開始，燈珠在300V第二次浪涌沖擊時失效。記錄到燈珠失效時其兩端的電流浪涌波形如圖3所示。

　　實驗共測試5顆水平結構LED燈珠，其失效時脈沖電流峰值分別為：15.55A、15.88A、15.00A、15.62A、15.22A。

　　對浪涌后燈珠分析發(fā)現(xiàn)，燈珠完全短路，芯片電極處完全擊穿熔斷，如圖4所示：

　　圖5、圖6分別為藍寶石襯底正裝結構芯片在1mA和150mA下芯片表面亮度分布圖。從圖中可以觀察到在1mA下芯片表面電流分布不均勻導致芯片表面亮度不均勻，同時隨著電流增大(150mA)，電流分布不均勻現(xiàn)象加劇。

　　3.2 SiC倒裝結構LED芯片抗浪涌測試

　　選用市場上一款尺寸為40mil*40mil大小的SiC襯底倒裝結構芯片做抗過電應力測試。燈珠在650V浪涌電壓下失效，其失效時承受的浪涌波形如圖7所示。

　　實驗共測試5顆SiC襯底倒裝結構LED芯片，其失效時的脈沖峰值電流分別為：29.22A、29.68A、33.57A、35.68A、35.39A。通過對比發(fā)現(xiàn)，以上峰值電流比測試過的水平結構芯片抗浪涌峰值電流高出一倍。

　　對浪涌后燈珠分析發(fā)現(xiàn)，燈珠完全短路，如圖8所示：

　　圖9、圖10分別為SiC襯底正裝結構芯片在1mA和150mA下芯片表面亮度分布圖。

　　觀察測試SiC襯底的倒裝芯片結構的燈珠在1mA與150mA下芯片表面亮度分布圖，發(fā)現(xiàn)在小電流下芯片亮度分布較均勻，表明芯片電流分布均勻。同時隨著電流的增大(150mA)，芯片中沒有出現(xiàn)明顯的電流分布不均勻現(xiàn)象。

　　對于GaN基藍光LED，SiC與GaN之間的晶格失配率僅3.4%，遠小于藍石襯底與GaN之間17%的晶格失配，SiC襯底上外延生長的GaN薄膜具有更低的位錯缺陷密度，意味著SiC襯底的GaN LED具有更高的內量子效率，適合在大電流密度下工作。另外，SiC的熱導率很高(420W/m.K)，是藍寶石(23-25W/m.K)的十五倍以上[9]，有利于LED器件的散熱，提高LED的可靠性。

　　3.3藍寶石剝離襯底倒裝LED芯片抗過電應力測試

　　選用市場上一款尺寸為55mil*55mil以藍寶石剝離襯底的倒裝結構燈珠做過電應力測試。芯片在350V浪涌電壓下失效，其失效浪涌波形如圖11所示。

　　實驗測試的5顆藍寶石剝離襯底倒裝結構燈珠失效時承受的脈沖電流峰值分別為：16.2A、16.59A、12.23A、14.49A、14.53A。

　　圖12藍寶石倒裝LED光源浪涌失效后的芯片表面，芯片表面可以明顯觀察到由于電流擁擠產生的局部溫度過高造成的擊穿。

　　3.4 SiC襯底垂直結構LED芯片抗過電應力測試

　　選用市場上一款尺寸為55mil*55mil，以SiC為襯底的垂直結構芯片做雷擊浪涌測試，芯片在600V浪涌電壓下失效。其失效的浪涌波形如圖13所示。

　　實驗測試5顆SiC襯底垂直結構燈珠失效時承受的脈沖電流峰值分別為：24.4A、28A、25.2A、24.6A、26.0A。

　　對失效燈珠進行分析發(fā)現(xiàn)，其失效區(qū)域集中在電極附近，如圖14所示。

　　3.5 Si襯底轉移垂直結構LED芯片抗過電應力測試

　　選用市場上一款尺寸為45mil*45mil，Si襯底轉移垂直結構芯片做過電應力測試，芯片在350V浪涌電壓下失效。其失效時承受的浪涌波形如圖15所示。

　　實驗測試的5顆Si襯底垂直結構芯片失效時承受的脈沖電流峰值分別為：16.6A、16.6A、16.4A、16.2A、16.5A。

　　對失效芯片進行分析，可明顯觀察到N電極附近金屬化電極擊穿，如圖16所示。

　　將以上測試結果記錄如表1所示：

　　4、結論

　　通過對市場上常見的大功率LED芯片的抗過電應力能力測試，發(fā)現(xiàn)不同結構不同工藝LED芯片的抗過電應力能力差別很大。其失效時承受的單次脈沖電流峰值范圍在12A到35A之間。對于LED驅動電源，其在遭受雷擊浪涌時在保證自身正常工作的前提下，還需要保證其輸出端的浪涌波形峰值電流小于12A，這樣才能保護LED燈珠，避免其立即失效。當然，還需要考慮另一種情況，即LED燈珠在承受過電應力時，失效初期僅僅表現(xiàn)為燈珠漏電，需要老化一段時間后才出現(xiàn)光通量的明顯下降或死燈現(xiàn)象。這種情況對于LED驅動電源的抗雷擊能力有更高的要求，我們在后期將增加浪涌沖擊后燈珠漏電檢測及加速老化的實驗內容，完善這部分的研究工作。

　　提高LED燈具抗雷擊能力的另一個方面即提高燈具使用的LED光源的抗過電應力能力，在表1中可以看到倒裝結構SiC襯底(圖形化處理襯底，未完全剝離襯底)能承受的脈沖電流峰值達到32A，在抗過電應力上有很好的表現(xiàn)，與抗雷擊浪涌能力強的驅動電源結合使用可以提升燈具的整體抗雷擊性能。當然，大功率LED芯片制作工藝(如芯片結構、外延制造等)對芯片抗過電應力能力起決定性作用的方面在表1中沒有充分反映，這也是我們下一階段的課題方向。