Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методы проводимых исследований 23
1.1. Подбор основных материалов и структур для светодиодных сборок типа «чип-на-плате» для УФ-А диапазона 23
1.2. Методы экспериментальных исследований 37
1.2.1. Спектрофотометрия на пропускание 37
1.2.2. Спектрофотометрия на отражение 39
1.2.3. Компьютерная обработка результатов измерений 39
1.2.4. Визуализация объектов измерений 40
1.2.5. Фотометрические и электрические измерения 40
1.2.6. Методика определения деградации характеристик устройств 42
Глава 2. Разработка конструкции мощных ультрафиолетовых светодиодных сборок «чип на плате» 45
2.1. Конструкция мощных УФ светодиодных сборок «чип на плате» 45
2.2. Особенности конструктивных элементов мощных УФ светодиодных
сборок 48
2.2.1. Структура корпуса 48
2.2.2. Свойства оптического полимера 57
2.2.3. Диаграмма направленности излучения 62
2.2.4. Модульность конструкции корпуса 62
2.2.5. Монтаж электрических выводов 65
2.3. Влияние количества и расположения чипов в корпусе на мощность излучения мощных УФ сборок и скорость деградации свойств устройств 65
2.3.1. Влияние количества и расположения чипов в корпусе на мощность излучения мощных УФ сборок 65
2.3.2. Влияние количества и расположения чипов в корпусе на скорость деградации оптических, электрических и электро оптических свойств устройств 71
2.4. Влияние условий эксплуатации на оптические свойства конструктивных элементов мощных УФ светодиодных сборок 77
2.4.1. Влияние дозы УФ облучения на пропускательную способность оптического полимера 77
2.4.2. Влияние дозы УФ облучения на отражательную способность покрытия корпуса 79
Глава 3. Разработка технологии мощных УФ светодиодных сборок «чип на плате» 79
3.1. Основные технологические операции при изготовлении УФ-светодиодов 79
3.2. Основные технологические операции при изготовлении УФ светодиодных сборок «чип на плате » 90
Глава 4. Характеристики разработанных мощных ультрафиолетовых светодиодных сборок 97
4.1. Параметры УФ светодиодных сборок «чип на плате» 97
4.1.1. Характеристики опытных образцов УФ светодиодных сборок «чип на плате» (СОВ) разных серий 97
4.1.2. Образцы с УФ-А-СОВ наибольшей мощности излучения 100
4.2. Температурные режимы УФ светодиодных сборок «чип на плате» 102
4.2.1. Измерение температуры в светодиодном модуле с помощью инфракрасной камеры 102
4.2.2. Распределение температуры по краям подложки 102
4.2.3. Распределение температуры на поверхности чипов 103
4.2.4. Измерение скорости нагрева чипов 104
Заключение 106
Основные публикации по теме диссертации 108
Список литературы 111
- Спектрофотометрия на отражение
- Влияние количества и расположения чипов в корпусе на мощность излучения мощных УФ сборок и скорость деградации свойств устройств
- Основные технологические операции при изготовлении УФ светодиодных сборок «чип на плате
- Характеристики опытных образцов УФ светодиодных сборок «чип на плате» (СОВ) разных серий
Спектрофотометрия на отражение
Зависимость мощности излучения светодиодной структуры диапазона УФ-С от электрического тока на постоянном (квадраты) и импульсном (круги) токе при длине волны излучения светодиода = 275 нм. Из работы [27]. Crystal IS путем улучшения структуры кристалла и обеспечения лучшего теплового управления удалось получить устройство, излучающее на длине волны 262 нм с мощностью излучения 100 мВт при токе 1,7 А, что значительно превысило мощность других существующих устройств данного диапазона [29].
Еще одной важной и не решенной до конца проблемой является вывод излучения из светодиодных чипов; впрочем, это касается и устройств видимого диапазона. Решение этих проблем и определяет основные направления разработок, ведущихся в зарубежных компаниях и исследовательских центрах [9, 31].
В качестве базовой технологии для получения приборных УФ нитридных гетероструктур повсеместно используется газофазная эпитаксия из металлорганических соединений (ГФЭ МОС, или так называемая МОС– гидридная эпитаксия) [11]. Вместе с тем, успешно ведутся и исследования по созданию таких структур другими видами газотранспортной эпитаксии. Так, можно привести примеры выращивания экспериментальных структур методом хлорид–гидридной эпитаксии (ХГЭ) [32, 33]. Применение этого вида эпитаксии позволяет, кроме того, получать качественные подложечные кристаллы [34] и слои, что существенно снижает плотность дислокаций в светодиодных структурах.
Для ряда задач по совершенствованию конструкции УФ гетероструктур перспективным является использование возможностей молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), которая представляется особенно перспективной для роста сверхтонких высококачественных слоев и гетероструктур на основе Al(In)GaN [35, 36]. Прежде всего, это касается возможности прецизионного контроля эпитаксиального роста с атомарным разрешением. Кроме того, МЛЭ позволяет выращивать слои AlGaN с дырочной проводимостью без последующей высокотемпературной активации примеси Mg. Наконец, необходимые для данной технологии условия сверхвысокого вакуума исключают паразитные газофазные реакции между компонентами (в случае ГФЭ МОС взаимодействие аммиака с А1-содержащими прекурсорами, например, триметилалюминием, является серьезной проблемой при росте AlGaN-слоев, поскольку приводит в них к повышенному дефектообразованию). Ещё одним достоинством МЛЭ является легкость реализации дискретной (импульсной) подачи ростовых материалов (атомарных пучков элементов III группы и активированного азота) в зону эпитаксиального роста [37, 38]. Данный подход уже использовался в различных системах материалов для получения так называемых «цифровых сплавов», т. е. твердых растворов, состав которых определяется соотношением между длительностью импульсов подачи материалов бинарных компонент. Развитие «дискретной» МЛЭ привело к улучшению выходных характеристик различных приборов, в том числе, позволило улучшить параметры некоторых УФ светодиодов.
В результате достигнутого прогресса в росте эпитаксиальных структур [39, 40] в настоящее время производится широкий спектр УФ светодиодов. Лидерами производства являются такие компании как Crystal IS (США), Nichia Corporation (Япония) и Semileds (Тайвань). Примеры основных параметров серийных УФ свето диодов этих компаний приведены в табл. 1, где приняты следующие обозначения: S — площадь поверхности полупроводникового кристалла, X — длина волны излучения, Ф — мощность излучения, If — рабочий ток, Vf — прямое напряжение, Р — рассеиваемая мощность, КПД — коэффициент преобразования электрической мощности в мощность электромагнитного излучения, «мин» — минимальное значение, «макс» — максимальное значение, символом «-» в таблице обозначено не указанное производителем значение параметра.
Влияние количества и расположения чипов в корпусе на мощность излучения мощных УФ сборок и скорость деградации свойств устройств
Для оценки влияния температурного воздействия на оптическое пропускание используемых в конструкции светодиодов и сборок были проведены измерения прозрачности образцов силиконов после выдержки при 200C. Для проведения эксперимента силиконы наносились на предметные стекла и высушивались (отверждались) в термостате с регулируемой температурой с точностью регулировки ±2С, затем длительное время выдерживались при температуре 200C. Коэффициент пропускания измерялся при помощи спектрофотометра SPECORD UV VIS. Измерения проводились на исходном образце и после экспозиции в течение 168, 336 и 1008 ч. Для оценки оптической мощности одиночных светодиодных чипов они размещались на транзисторном корпусе TO-46 [68] на термоотверждаемый адгезив. При выборе адгезива проверялась его устойчивость к длительному УФ облучению. Электрические контакты чипов соединялись с внутренними электрическими контактами корпуса термоультразвуковой микросваркой, после чего на чип и на электрические выводы наносилось оптическое покрытие. Таким способом было изготовлено по 100 образцов двух видов, с пиковой длиной волны излучения 375 нм и 368 нм.
Оптическая мощность каждого образца была измерена до (Pbefore) и после (Pafter) нанесения оптического покрытия. Измерения проводились с помощью измерительной системы LCS-100 LED Measurement System, Sphere Optics, состоящей из шестидюймовой интегральной сферы, 16-битного сканирующего 2048-элементного ПЗС-спектрометра и высокоточного источника питания светодиодов Keithley 2401. Результаты усреднялись по числу образцов. Образцы подключались к источнику постоянного тока величиной I = 20 мА и выдерживались так в течение 1008 ч работы. Раз в 168 ч проводились замеры оптических и электрических характеристик по методике, описанной в п. 1.2.5.
Характеристики УФ диодных сборок были измерены при номинальной силе тока из расчёта 20 мА на одиночный чип. Для исключения нагрева образца при измерениях использовали импульсный режим подачи тока. Измерительная система состояла из спектрорадиометра ORB Optronix SP-75, позволяющего проводить измерения в диапазоне 250–1000 нм, 50 см сферического интегратора Gamma Scientific, источника питания 2601А Keithley и программного обеспечения Spectral Suite 3.0, используемого для регистрации измеренных значений.
Сначала измерялись характеристики образцов, не подвергавшихся внешнему воздействию. Затем образцы помещались на радиатор и подключались к источнику постоянного тока АКИП 1114 на номинальном токе. Параметры образцов измерялись через каждые 168 ч работы до достижения образцами суммарного времени работы в 1008 ч. Погрешности параметров источника питания АКИП 1114 составляли 0,02%+3 мВ по напряжению и 0,05%+1 мА по току при дискретности этих параметров соответственно 0,1 мВ и 0,01 мА. Глава 2. Разработка конструкции мощных ультрафиолетовых светодиодных сборок «чип на плате»
Конструкция мощных УФ светодиодных сборок «чип на плате» В качестве исходной идеи корпусирования УФ светодиодных сборок была использована разработанная в компании «Оптоган» конструкция размещения светодиодых чипов на общей подложке с металлической разводкой, применявшаяся ранее для приборов излучающих белый свет, модель «X10» [69]. В этой конструкции эффективно используется площадь корпуса: при полной площади выводной рамки Stotal = 9360 мм2 на площадь корпусов приходится Sboard = 6914.88 мм2, так что полезная площадь составляет 74% от полной.
Преимуществом конструкции является отсутствие необходимости в операции пайки для обеспечения электрического соединения с внешним источником питания. Для этой цели используется специальный прижимной фиксатор, одновременно обеспечивающий надёжную фиксацию светодиодной сборки на поверхности радиатора и электрическое соединение [69]. Подложка представляет собой слой керамики Al2O3 с поверхностной металлизацией медью (слой толщиной 40±10 мкм), никелем (слой толщиной не менее 4 мкм) и серебром (слой толщиной не менее 1 мкм). Глубина лазерного скрайбирования составляет примерно от трети до половины толщины керамики.
На рис. 19 представлена схема лицевой стороны корпуса для УФ светодиодной сборки, на рис. 20 – схема ее обратной стороны с линиями лазерного скрайбирования, выделенными зеленым цветом, и вид сбоку (верхняя часть рис. 19), на котором указана толщина подложки.
Основные технологические операции при изготовлении УФ светодиодных сборок «чип на плате
Разница в мощности излучения между наименее (16 чипов на расстоянии 0.8 мм) и наиболее (4 чипа на расстоянии 5.8 мм) оптимальным вариантом расположения чипов составляет около 6%.
На рис. 37 изображены расчетные зависимости относительной мощности излучения УФ сборок с 1, 4 и 9 чипами, находящимися на минимальном (чипы находятся в центре сборки) и максимальном (чипы находятся по краям посадочной площадки для чипов в сборке) расстоянии друг от друга, от толщины защитного покрытия. В случае, когда чипы располагаются на максимальном возможном расстоянии друг от друга, по краям подложки, зависимость от толщины защитного покрытия практически отсутствует. Для УФ сборок, в которых чипы расположены на минимальном расстоянии друг от друга в центре подложки, оптимальная толщина защитного покрытия составляет 1.1 мм. Для УФ сборки, содержащей 9 чипов, которые размещены в центре подложки, зависимость мощности излучения от толщины защитного покрытия довольно заметная: разница между наименее (толщина покрытия 0.4 мм) и наиболее (толщина покрытия 1.2 мм) оптимальными вариантами составляет около 13%. Рис. 37. Результаты параметрических расчетов относительной мощности излучения УФ сборок с разным количеством чипов в зависимости от толщины защитного покрытия [8]
На рис. 38 представлены зависимости мощности излучения УФ сборок с 1, 4, 9 и 16 чипами, находящимися на максимальном расстоянии друг от друга, от общей площади чипов, изменяющейся с изменением размера чипов. Так как чипы поглощают попавшее на них излучение, эти расчеты подтверждают очевидный качественный эффект — чем больше общая площадь чипов, тем больше потери мощности излучения. Зависимость мощности излучения от площади чипов – линейная. Конструкция УФ сборок с 4 чипами показала лучшие результаты, поскольку в этом случае большая доля излучения выводится через боковые поверхности сборки. Для УФ сборок с 9 и 16 чипами, при увеличении площади чипов в четыре раза мощность выводимого излучения изменяется на 5%.
Анализ характеристик изготовленных экспериментальных образцов УФ светодиодных сборок, выполненных по технологии «чип на плате», и проведенные модельные расчеты показали, что на эффективность устройства значительно влияют: 1) толщина защитного покрытия, 2) размер чипов и 3) геометрия их расположения. Расчётными и экспериментальными данными продемонстрировано, что существует некоторое оптимальное расстояние Рис. 38. Результаты параметрических расчетов мощности излучения УФ сборок с разным количеством чипов в зависимости от суммарной площади чипов. Результаты представлены для чипов с длиной стороны чипа от 400 мкм до 1.2 мм [5]. между УФ чипами, при котором достигается максимально возможная мощность излучения при заданных характеристиках компонентов устройств. Оптимальная геометрия обеспечивает, по крайней мере, десятипроцентный прирост эффективности УФ сборки.
Влияние количества и расположения чипов в корпусе на скорость деградации оптических, электрических и электро-оптических свойств устройств
Для оценки срока службы рассматриваемых конструкций светодиодных сборок были проведены исследования деградации [71]. оптических и электрических характеристик УФ светодиодных сборок. По 10 образцов каждого вида УФ сборок, содержащих 16, 20 и 24 чипа (соответственно модели №№ 1, 2 и 3), были установлены на радиатор в специальные фиксирующие разъёмы и подключены к электрическому питанию по параллельной схеме включения. Такая схема подключения стала возможной, поскольку перед монтажом чипов в корпус светодиодных сборок они были протестированы и рассортированы по рабочему напряжению и мощности излучения. Таким образом, светодиодные сборки в группе имели одинаковое значение падения напряжения на рабочем токе.
Для улучшения отвода тепла от светодиодной сборки перед монтажом на радиатор на её тыльную сторону была нанесена тонким слоем теплопроводящая паста. На рис. 39 представлены 10 образцов светодиодных сборок модели № 2, установленных на радиаторы и подключённых к источнику постоянного тока АКИП-1123. Номинальные токи для УФ светодиодных сборок №№ 1–3 составляли соответственно 80, 100 и 120 мА.
Рис. 39. Фотография стенда для испытания УФ светодиодных сборок «чип на плате». Образцы из группы №2, размещённые на радиаторах, во время работы на постоянном токе в течение 1000 ч.
Светодиодные сборки выдерживались в рабочем режиме в течение 1000 ч. Через каждые 100 ч они отключались от электрического питания для проведения измерений оптических и электрических характеристик. Измерения проводились с использованием спектрорадиометра ORB Optronix SP-75, позволяющего регистрировать интенсивность излучения в диапазоне 250–1000 нм, сферического интегратора Gamma Scientific диаметром 50 см и программируемого источника питания 2601А Keithley. Результаты измерений фиксировались в программном пакете Spectral Suite 3.0, переносились в таблицу результатов измерений и усреднялись по 10 образцам. После этого светодиодные сборки вновь размещались на радиаторах и подключались к электрическому питанию. Процедура повторялась до тех пор, пока суммарное время работы светодиодных сборок не составило 1000 ч. С течением времени работы УФ сборок изменение значения падения напряжения показало сходную тенденцию к увеличению напряжения.
На рис. 40(а) представлены усреднённые результаты измерений значения падения напряжения за 1000 ч работы устройств, а на рис. 40(б) — относительное изменение падения напряжения. Наибольшее увеличение напряжения среди рассмотренных групп отмечено на образцах группы №3: изменение напряжения составило 2%, в то время как на образцах групп №1 и №2 оно оказалось на уровне 0.5%.
Характеристики опытных образцов УФ светодиодных сборок «чип на плате» (СОВ) разных серий
Ключевым элементом сборки является излучающий светодиодный чип, технология которого во многом универсальна как для светодиодных устройств видимого, так и УФ диапазона. Вместе с тем есть и своя специфика. В УФ приборах используются светодиодные структуры на основе GaN/AlGaN с максимумом излучения вблизи края запрещённой зоны GaN (для УФ-А) и более коротковолновые, с большим содержанием AlN, в случае УФ-В и УФ-С. Квантовая эффективность с ростом концентрации AlN значительно падает, и в настоящее время для светодиодов УФ-С не превышает 10%. Исследовательские коллективы ведут активные поиски путей увеличения квантового выхода, совершенствуя все элементы структуры. Как известно, качество эпитаксиальной структуры зависит от ростовой подложки. Так, в типовой светодиодной структуре, выращенной на сапфировой подложке с отличием параметров решетки от GaN 13%, плотность дефектов превышает 109 см-2. Значительное снижение плотности дефектов достигается гомоэпитаксией, т. е. ростом светодиодных структур на кристаллах нитрида галлия. В работах [1а, 2а], выполненных при участии автора, продемонстрирован метод снижения плотности дефектов в эпитаксиальных слоях на основе GaN до уровня 105 см-2.
Повышение КПД возможно не только за счет совершенствования эпитаксиальных структур светодиодного чипа, но и за счет конструкции чипа, материала и формы контактов к n- и p-слоям. В работе было проведено моделирование конструкций контактов к чипам при согласованном решении задач оптимизации электро-тепло-световых характеристик. Результаты расчетов проверены на практике, что позволило увеличить КПД чипов на 8% [3а].
При размещении чипа на подложке (плате) применяется ряд технологических операций, отличных от используемых при корпусировании отдельных светодиодов. На рис. 45 приведена блок-схема технологического процесса производства УФ диодных сборок. Основные этапы: 1) формирование оптического покрытия, 2) выламывание продольных технологических полей, 3) предварительное тестирование оптических и электрических характеристик мощных ультрафиолетовых светодиодных сборок, 4) вскрытие контактных площадок, 5) очистка оптического покрытия от нежелательных осаждений, возникающих при операции вскрытия контактных площадок, 6) измерение каждого изделия и маркировка отбракованных изделий, 7) разделение групповой заготовки на одиночные изделия, 8) испытание изделий.
Отличительной особенностью операции 8 является отсутствие пайки для электрического монтажа изделий. Для подвода электрического питания служат специальные разъёмы, обеспечивающие надёжную механическую фиксацию изделия на радиаторе и соединение контактных площадок светодиодных сборок с электрическими контактами источника питания.
Для проведения измерения характеристик и проведения испытаний на надёжность светодиоды припаиваются на печатные платы и далее испытываются. Измерения характеристик светодиодов производится в автоматическом режиме. Измерение каждой светодиодной сборки в ходе операции (8) осуществляется вручную с помощью измерительного комплекса, состоящего из сферического интегратора ORB-Optronix, источника питания Keithley 2601А, программного пакета Spectral Suite 3.0. Таким образом каждое изделие вручную проходит проверку работоспособности. Остальные перечисленные в блок-схеме на рис. 45 технологические операции отличаются от технологических операций производства светодиодов технологическими режимами. Глава 4. Характеристики разработанных мощных ультрафиолетовых светодиодных сборок
В данной главе приведены характеристики изготовленных по разработанной технологии образцов мощных УФ диодных излучателей типа сборка «чип на плате». Срок службы изделий определён как временной интервал, за который мощность излучения снижается до уровня в 30% от начального значения.
В табл. 15 представлены конструкции разработанных УФ светодиодных сборок и их характеристики, усредненные по 10 образцам. Здесь приняты следующие обозначения: n — количество чипов, If — рабочий ток, Uf — рабочее напряжение, Pel — мощность потребления, peak — пиковая длина волны, — полная ширина спектра на полувысоте от максимума интенсивности излучения, Popt — мощность излучения. КПД устройств
В табл. 16 приведены полученные характеристики одиночных элементов УФ светодиодных сборок с пиковой длиной волны излучения 375 нм, обладающие наибольшей мощностью излучения для рассмотренного количества чипов. В таблице приняты следующие обозначения: N – количество чипов в сборке, Popt – мощность излучения, I – рабочий ток, U – рабочее напряжение, – коэффициент полезного действия, расчитанный как отношение мощности излучения к мощности потребления, T – расчётный срок службы при линейной аппроксимации, отн – относительный КПД через 1000 ч работы устройства на постоянном токе.
Наибольшей мощностью излучения обладают УФ светодиодные сборки «чип на плате» следующих конструкций (конструкции приведены в табл. 15): №3 (16 чипов), №7 (20 чипов) и №9 (24 чипа).
Мощность излучения УФ диодных модулей, состоящих из 72 одиночных элементов светодиодных сборок с пиковой длиной волны излучения 375 нм, составила 15,8 Вт (16 чипов в одиночном элементе), 21,6 Вт (20 чипов) и 25 Вт (24 чипа). Для работы мощных УФ светодиодных сборок необходим их монтаж на соответствующий радиатор.
Для эффективной работы УФ-СОВ важен контроль за рабочей температурой, рост которой приводит к снижению рабочих характеристик, прежде всего электролюминесценции [76], что ведет к временной или, при длительном перегреве прибора, необратимой потере его работоспособности. Использование инфракрасных (ИК) методов позволяет получить непосредственно распределение температуры на поверхности COB и, таким образом, оценить эффективность решений, используемых для организации теплоотвода от чипов. В данном исследовании ИК измерения температуры были проведены на макете модуля УФ-А-СОВ при следующих условиях:
