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DLC接口及钻铜基材制造大功率的垂直LED

上传人:宋健民(博士)

上传时间: 2011-03-31

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  雷射剥离前磊晶的正极(P Type)需镀上一层反射金属(如银),再接上一个导电的支撑体。 若支撑体为合金,半导体和金属的接口难以接合。不仅如此,金属的热膨胀系数远大于GaN,所以接口会产生应力。LED在通电时电流乃沿电阻最小处渗透前进,应力较大的局部温度会快速升高,金属就会把GaN的晶格撑大。由于LED开关频繁,GaN晶格会被重复拉扯以致不断产出缺陷(如差排或Dislocation) ,这样LED的亮度就会快速减低。(如图8)

  

图8︰电镀金属和半导体的界面只是机械式的靠在一起,并没有化学键结,因此在LED迅速开关产生冷热交替时,金属会沿界面逐渐剥离。

  若在GaN和金属的接口加入热胀低而散热快的似钻膜(DLC Coating)就可大幅度降低接口应力(如图9)

  图9:作者与璨圆公司合作开发的DLC LED 其截面设计之一

  

  DLC LED

  若在金属和半导体之间加入多层的陶瓷(如TiC)及DLC,接口的应力就因分散而大降。除此之外DLC热传导率远高于铜,是垂直LED接口散热的极致材料。LED发光所产生废热(>50%电能)就可迅速散出。这样可避免GaN的晶格因温度过高而增加缺陷所导致的光衰问题,除此之外,顺流LED的面积可以加大(如2mm),而电流更可提高(如1A/mm2)。一颗大面积的顺流LED(如10W)会比多颗并联而功率相同的弯流LED更光亮也更耐久。(如图10)

  

  DLC 的扩散系数(Thermal Diffusivify)此铜高12倍(热膨胀率比铜高4倍),因此可将热点即时消除,LED的亮度和GaN的缺陷密度息息相关,而瞬间热点更会扩大缺陷,淢少了光子射出的数量,因此以DLC形成接口可以保持晶格完整,即使界面的平均温度稍高,也不致减少光亮(如图11)

  

  DLC的散热效果

  制造垂直式LED时,若GaN以半导体(如Si)结合虽可以舒缓接口应力,但半导体的热传导系数不高,热量久聚不散后,也会在芯片内产生差排而降低电光效率。若以无晶钻石镀膜披复GaN就可同时提高热传导率及降低热变应力。无晶钻石散热的效果可以下图表示(如图12)

  

  钻铜散热片

  除了使用无晶钻石做为接口之外,钻铜(DiaCu)散热片也可以软銲在镀金层的DLC上,这样就可以加厚阳极而强化LED晶圆的支撑体。(如图13)

  

  图13︰由于热膨胀系数可调成同步,钻铜散热片和LED芯片可直接软銲而加速散热。图示钻铜散热片底座露出的1英吋见方能銲接100个1W的LED(晶上板或Chip on Board),可用于高功率CPU、陆灯、投影灯、舞台灯、车头灯、集鱼灯及投影机。

  

图14:钻铜散热片的热阻(左图)及散热(右图)。

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