DY-FA080-(Critical-State-of-LED-Chip-at-Low-Curren

©2011Bridgelux,Inc.BridgeluxConfidential1LED蓝光芯片的低电流近临界态—兼谈集成LED低电流下亮度颜色不均问题董翊普瑞光电4/28/20112©2011Bridgelux,Inc.BridgeluxConfidential一、现象：很多客户在使用普瑞芯片封装集成LED（或COB)光源时，普遍遇到一种现象：在低电流（~几微安）下检验时，有时会发现芯片亮度或颜色不均匀，如下图：3©2011Bridgelux,Inc.BridgeluxConfidential二、流行观点：在低电流下观察集成LED每个芯片的亮度，如果不均匀，那么亮度较暗的芯片就存在漏电。这是目前普遍采用的鉴别漏电的流行方法。在普遍不具备专门仪器的条件下，这也是大多数客户/用户唯一能做到的，但广大客户心里一定存在这样一个问题：“漏电肯定亮度不均匀，但亮度不均匀是否就意味着漏电？”这种现象不是极个别的、罕见的，有时是经常的和普遍的，为此我们不仅在理论上而且在实验上给上述问题一个明确的解答。4©2011Bridgelux,Inc.BridgeluxConfidential三、漏电测试：我们通过对一个典型样品的所有芯片逐一测试，来看看亮度不均匀与漏电电流的关系。样品由惠琪光电提供，在此感谢，芯片为BXCE4545452-F2-B5©2011Bridgelux,Inc.BridgeluxConfidential3-1、测试装置：在专门的芯片测试台上逐个芯片测试反向漏电电流，电压为-5V6©2011Bridgelux,Inc.BridgeluxConfidential3-2、探针分别接触P极和N极7©2011Bridgelux,Inc.BridgeluxConfidential3-3、测试软件和数据反向电压漏电电流背景噪音8©2011Bridgelux,Inc.BridgeluxConfidential3-4、空载测试（没有芯片，开路）：电流为-3nA=-0.003uA9©2011Bridgelux,Inc.BridgeluxConfidential0.1560.2040.1460.1480.1520.1510.1400.1470.1350.1520.1790.1500.1410.1440.2030.1400.1520.1540.1440.1420.6380.1410.1470.1700.1430.1860.1460.1660.1690.1430.1570.1360.1390.1770.1260.1390.1410.1770.1910.1613-5、测试数据：图中数据为每个芯片的反向漏电电流，单位（uA）10©2011Bridgelux,Inc.BridgeluxConfidential3-6、结果讨论：•样品上40个芯片的漏电电流基本在0.14~0.20uA之间，除一个为0.638uA之外，但都远小于规格书2uA的标准；•在弱电流下亮度不均匀性与芯片正常漏电电流大小无关。•普瑞芯片在出厂前每个芯片都经过反向漏电检测，我们订的标准是小于1uA；•漏电更容易在封装过程中产生，如果客户对自己的封装工艺充满信心的话，也应对普瑞芯片的质量充满信心。11©2011Bridgelux,Inc.BridgeluxConfidential四、低电流近临界态：看过上述实验结果，大家一定会问：既然每个芯片及其封装都不漏电，为什么低电流下亮度不均匀？我们引入一个半导体芯片上的一个概念，从理论上给大家一个解释，这个概念叫：低电流近临界态12©2011Bridgelux,Inc.BridgeluxConfidential4-1、低电流近临界态的定义下图是一张经典的LED蓝光芯片的发光功率(效率)与正向电流的关系图，而且还标出了曲线随温度的变化。我们不管温度变化只看其中一条线。众所周知。LED发光强度随电流下降而减弱（下图中的小图），但光效却是增加的（下图中的大图），那么电流一直减弱到接近0的时候，光效一定会达到一个最大值，然后急剧下降，因为电流为零时光效也为零。或者说，电流从零开始增加，光效和光强一定有一个急剧上升的过程，这就是LED蓝光芯片的低电流近临界态(下图阴影区域)，其特征之一就是亮度陡升13©2011Bridgelux,Inc.BridgeluxConfidential右上图为两种芯片(红线和黑线)的光强光效随电流密度的变化，我们把低电流部分放大(右下图)，多根曲线表示不同芯片个体间的差异。可以看到：•黑线所代表的芯片的低电流近临界态比红线代表的芯片要窄，达到效率最大值要快得多；•如果我们用蓝线所处的电流来测试，因其恰好在红线芯片的低电流近临界态区域，不同芯片间的个体差异导致此时亮度差异最为明显，就会看到芯片亮度不均匀；•而此时黑线芯片已经过了临界态，肉眼察觉不到芯片间的差异，就会觉得亮度均匀。4-2、亮度陡升为何会亮度不均？14©2011Bridgelux,Inc.BridgeluxConfidential4-3、电流稍微增大，亮度就均匀多了15©2011Bridgelux,Inc.BridgeluxConfidential五、低电流近临界态的另一特征：颜色漂移所有的蓝光LED芯片的主波长都随着电流减弱向长波漂移，但漂移的大小在芯片个体间有差异，大家一定感觉或怀疑过低电流下除了亮度不均外，似乎还有颜色不一致，因为都是随机分布，无法测试单个芯片的波长加以印证。感谢天重星光电提供了这个典型的样品，我们通过实验把这个问题答案彻底解决。右图为低电流下点亮的效果图，无论何种原因，都很难用漏电来解释，因为不会只发生在如此规则的区域。且客户反映全部芯片来自同一张蓝膜，固晶顺序沿红色箭头方向，这就是说中间颜色较浅的芯片在固晶时是连续的，在蓝膜上也是连续摆放的。BXCE4545芯片16©2011Bridgelux,Inc.BridgeluxConfidential电流增大至毫安(mA)级，依然看到的亮度(或颜色)的区别按照已有的经验和理论解释，通常稍微增大电流，芯片的亮度就均匀了，这个样品为何在很高的电流下依然看到明显的不均匀？是不同波长bin或不同亮度bin的芯片混在一起？还是其它原因？17©2011Bridgelux,Inc.BridgeluxConfidential0.1990.1710.1540.1550.1630.1630.1720.171100.1560.1460.1400.1710.1770.1660.1730.1530.1490.1690.202第二列第五列5-1、漏电测试：无论如何，先要证实颜色(或亮度)不同是否为漏电引起。18©2011Bridgelux,Inc.BridgeluxConfidential漏电测试结果分析：1、除了第二列第六个芯片严重漏电外，其余芯片的漏电电流远远小于规格书标准(2uA)；2、芯片亮度(或颜色)不同与漏电电流大小无关；19©2011Bridgelux,Inc.BridgeluxConfidential5-2、光谱测试：制作了一个留有小孔的盖子，底部用吸光的黑绒布覆盖。选择下图所示两个区域测试光谱#1#220©2011Bridgelux,Inc.BridgeluxConfidentialSpectrum4.ISDWavelength/nm400420440460480500520540102030405060708090Radiantpower/%(1)25-3、光谱测试结果分析之一(10mA电流):两种颜色虽然峰值位置基本一样，亮度差不多，但#1区域芯片的光谱在长波拖一个尾巴，使得主波长有3nm的差别，这还是存在一定相互干扰情况下的平均值，单个芯片间的主波长差别更大，主波长直接对应人眼感觉的颜色，所以在弱电流下，这个集成LED的芯片呈现出两种差别较明显的蓝色。21©2011Bridgelux,Inc.BridgeluxConfidentialSpectrum5.ISDWavelength/nm420440460480500020406080100Radiantpower/%(1)25-4、光谱测试结果分析之二（1000mA电流):一种颜色是不是不同波长的芯片混在一起了呢？我们再看看大电流下的结果，在1000mA下（样品正常工作电流2800mA)，两个区域的光谱完全吻合，主波长都向短波移动且变得只有0.06nm差别，说明在大电流下芯片呈现出同一种颜色，而芯片出厂就是在正常工作电流下分bin的，所以，低电流下的颜色差异没有问题，既不是漏电也不是混bin。22©2011Bridgelux,Inc.BridgeluxConfidential500.ISD300.ISD100.ISD10.ISD1000.ISDWavelength/nm420440460480500020406080100Radiantpower/%(1)25-5、光谱测试结果分析之三（不同电流强度):颜色漂移下面就是该样品在不同电流下的光谱图，电流分别是10、100、300、500、1000mA，可以看到随着电流的增大，光谱向短波方向移动。芯片波长分bin是在大电流下进行的，那么弱电流下的颜色就存在一定的随机性，与制备时的条件相关。23©2011Bridgelux,Inc.BridgeluxConfidential结论：•芯片的发光颜色随电流强度增加而向短波移动；•同一张蓝膜上的芯片来自不同的晶圆，而不同的晶圆可能因制备条件不同而存在差异，表现在弱电流时颜色漂移的程度不同，呈现人眼能察觉的颜色差别；•“颜色漂移”和“亮度陡升”是LED芯片在低电流近临界态的两个主要特征，表现为颜色和亮度不同，这些表现丝毫不会影响芯片在正常电流下的使用；•如封装工艺没有问题，不应以低电流下亮度颜色不均匀作为判断漏电的唯一依据。©2011Bridgelux,Inc.BridgeluxConfidentialThankyou