автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Технология и характеристики мощных ультрафиолетовых светодиодных сборок "чип-на-плате"

На правах рукописи

Виноградова Ксения Анатольевна

ТЕХНОЛОГИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ МОЩНЫХ УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫХ СВЕТОДИОДНЫХ СВОРОК

«ЧИП-НА-ПЛАТЕ»

Специальность 05,11.07 - Оптические и отико-электронные приборы и

комплексы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

005557680

005557680

Работа выполнена в исследовательском университете ошшш

Са нкт-Петербу ргском национальном информационных технологий, механики и

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Бугров Владислав Евгеньевич

Официальные оппоненты: Колгатин Сергей Николаевич

доктор технических наук, профессор, почетный работник высшей школы РФ Са н кт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, заведующий кафедрой физики

Тараеов Сергеи Анатольевич

кандидат физико-математических наук Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им, В.И. Ульянова (Ленина), доцент

Ведущая организации: Учреждение Российской академии наук

Санкт-Петербургский Академический университет - научно-образовательный центр нанотехнологий РАН

Защита состоится «17» декабря 2014 г. в 15-30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.227.01 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Гривпова, д. 14, ауд.314а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49 и на сайте fppo.ifmo.ru .

Автореферат разослан «ут» 2014 г.

Председатель диссертационного совета .......................

доктор технических наук, „ Прокопенко В.Т,

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Светодиодные излучатели ультрафиолетового (УФ) диапазона большой мощности, выполненные на структурах нитридных полупроводников, приходят на смену ртутным лампам, вытесняя их постепенно из всех поддиапазонов: УФ-А (380-315 нм), УФ-В (315-280 нм), УФ-С (280100 нм). Решающим фактором в этой конкуренции являются следующие преимущества светодиодных структур: энергоэффективность, простота в управлении, долговечность, компактность, экологичность. В отличие от УФ диодных источников, типичная ртутная лампа содержит до 200 мг ртути, которую необходимо утилизировать, выход на рабочий режим осуществляется с задержкой до нескольких минут, спектр излучения линейчатый и ограничен линиями излучения паров ртути. УФ излучающие диодные источники включаются мгновенно (не), имеют узкий спектр, характеризуемый пиковой длиной волны излучения, которая может быть любой во всем УФ диапазоне, что позволяет применять УФ диодный источник для конкретной задачи, сводя к минимуму потери энергии на излучение невостребованного диапазона.

До недавнего времени в корпусе УФ светодиода располагался только один чип. Рост оптической мощности светодиодных модулей из маломощных светодиодов обеспечивался подключением дополнительных светодиодов. Достаточно очевидно, что такая схема относительно легко технически реализуется в протяженном источнике излучения и с трудом - в случае необходимой локализации на небольшой площади. Для увеличения плотности мощности излучения была предложена конструкция на основе технологии, получившей название «с1пр-оп-Ьоагс!» или сокращенно СОВ (в отечественной литературе «чип на плате»). Конструкция имеет общую для всех чипов теплоотводящую основу и, в ряде случаев, единую на все чипы систему вывода света (оптику). Принцип построения светодиодных излучателей данного типа был апробирован ранее для приборов синего и белого света. До начала данной работы сведения об излучателях УФ диапазона на основе конструкции «чип на плате» отсутствовали в литературе и в Интернет-ресурсах.

Решение проблем, связанных с разработкой конструкции и технологии изготовления, а также с улучшением характеристик мощных светодиодных сборок УФ-А диапазона обусловливает актуальность настоящей диссертационной работы.

Целью работы являлась разработка и подготовка опытного производства нового класса мощных излучателей УФ-А диапазона — светодиодных сборок, обеспечивающих мощность излучения до 25 Вт.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие основные задачи:

• Проанализировать существующий процесс производства светодиодов на предмет возможности его применения для производства мощных светодиодных сборок УФ-А диапазона.

• Разработать конструкцию светодиодной сборки, позволяющую реализовать высокую мощность излучения с единицы площади.

• Исследовать материалы корпуса и оптического покрытия, в том числе -деградацию их свойств при длительном воздействии ультрафиолетового излучения.

• Изучить влияние расположения чипов в УФ диодных сборках и их количества на мощность излучения устройств и скорость деградации свойств.

• Разработать процесс изготовления мощных УФ диодных сборок, совместимый с производственной линией.

• Изготовить опытные образцы и оценить их характеристик.

Научная новизна работы

В работе комплексно исследованы возможности совместного размещения чипов на общей подложке (плате) для максимального увеличения мощности излучения светодиодной сборки с учётом специфики теплоотвода и вывода света из УФ-структур.

Разработана оптимизированная конструкция мощных светодиодных сборок типа «чип на плате» для УФ-А диапазона. Отработана технология их изготовления; опытные образцы продемонстрировали рекордные значения общей мощности излучения.

Исследованы временные зависимости оптических и электрических характеристик приборов, выявлены тенденции к деградации свойств ультрафиолетовых диодных сборок.

Научная и практическая значимость работы состоит в том, что

1. Разработана и оптимизирована конструкция светодиодных сборок типа «чип на плате» для УФ-А диапазона, общей мощностью до 25 Вт при длине волны максимума излучения X = 375 нм при стабильной работе прибора более 1000 часов.

2. Исследованы способы повышения КПД сборок данного типа. Установлено, что толщина защитного покрытия, размер чипов и геометрия их расположения оказывают наибольшее влияние на КПД, мощность излучения и деградацию свойств ультрафиолетовых диодных сборок. Оптимизация геометрии чипов обеспечивает прирост КПД как минимум на 10%. Оптимизация толщины защитного покрытия также обеспечивает прирост КПД как минимум на 10%.

3. Подобраны материалы оптических покрытий для разрабатываемых приборов. Подтверждена стабильность диметиловых кремнийорганических оптических полимеров к высокой температуре и к воздействию УФ излучения в условиях их длительной эксплуатации в светодиодных сборках.

4. Получены зависимости изменения характеристик приборов от времени их работы. Выявлены причины деградации сборок при эксплуатации.

5. Отработан технологический процесс изготовления светодиодных сборок типа «чип на плате» для УФ-А диапазона. Изготовлена конструкторская и технологическая документация для опытного производства светодиодных

сборок: КДРФ.23255.00010, КДРФ.23255.00011, КДРФ.23255.00012, КДРФ.23255.ООО 13, КДРФ.23255.00014 и КДРФ.433751.001.

Результаты работы были использованы в ходе выполнения научно-исследовательских работ по теме «Разработка опытно-промышленной технологии мощных светодиодных сборок «чип на плате», излучающих в УФ диапазоне, на основе нитридных полупроводниковых материалов» в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» и при реализации работ в рамках проекта РФФИ №12-08-00397а «Разработка и исследование наноструктурированных материалов и подложек для нитридных полупроводниковых приборов современной электроники и оптоэлектроники».

Основные положения, выносимые на защиту

1. На основе технологии «чип на плате» разработан мощный светодиодный излучатель УФ-А диапазона нового класса. Изготовленные опытные образцы обеспечивают общую мощность 25 Вт при длине волны максимума излучения X = 375 нм и длительности непрерывной работы не менее 1000 часов.

2. Оптимизация размещения чипов на общей подложке (плате) обеспечивает увеличение КПД как минимум на 10%. Оптимизация толщины защитного покрытия также обеспечивает не менее 10% прироста КПД.

3. Падение мощности излучения светодиодных сборок в процессе работы связано со снижением коэффициента отражения металлического покрытия подложки и прозрачности защитного полимерного покрытия в УФ-А диапазоне, а также деградацией электролюминесцентных свойств чипов.

Достоверность результатов работы обоснована применением современных взаимодополняющих научных методов исследования, совпадением результатов моделирования и экспериментальных данных, воспроизводимостью результатов при исследовании объектов одного типа, выступлениями на научных конференциях и семинарах, публикациями результатов работы в рецензируемых научных журналах.

Внедрение результатов работы осуществлено на опытном производстве мощных ультрафиолетовых диодных сборок в компании Оптоган (Санкт-Петербург).

Личный вклад автора состоит в постановке и проведении экспериментов, разработке конструкции интегрированных сборок типа «чип на плате», обработке результатов экспериментальных исследований, формулировании выводов по результатам исследований, изложения полученных результатов в научных статьях. Совместно с научным руководителем сформулированы цели и задачи исследовании. Научные дискуссии по результатам исследований проводились совместно с соавторами.

Апробация работы. Результаты, положенные в основу диссертации, были представлены на следующих конференциях: 9-я Всероссийская конференция «Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы» (2013, Москва), ХЫН научная и учебно-методическая конференция НИУ

ИТМО (2014, Санкт-Петербург), 9th International Conference on Optics-photonics Design and Fabrication (2014, Tokyo, Japan), а также семинарах отделения твердотельной электроники Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН, компании Оптоган, кафедры светодиодных технологий Университета ИТМО, НИЯУ «МИФИ».

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 7 научных статьях, входящих в перечень ВАК, и материалах 4-х конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературных источников. Общий объем диссертации составляет 119 страниц, включая 50 рисунков и 17 таблиц. Список литературных источников содержит 78 наименований.

Содержание диссертации. Во введении кратко рассмотрено состояние разработок в области создания и внедрения УФ светодиодов, обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, приведена научная новизна и практическая значимость работы, указана апробация работы, изложена структура диссертации и сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации изложены основные подходы к выбору материалов конструкций УФ светодиодных сборок чип-на-плате. Рассмотрены методики исследования свойств материалов для сборок: спектрофотометрия на пропускание и отражение, с применением сферического интегратора. Описаны процедуры фотометрических и электрических измерений, методика экспериментов по деградации, методика компьютерной обработки результатов измерений.

Вторая глава посвящена разработанной конструкции интегрированных УФ диодных сборок типа «чип на плате». Разработанные мощные УФ диодные сборки выполнены в негерметичном корпусе. Основанием корпуса сборок служит керамическая подложка из оксида алюминия толщиной 0,635 мм с теплопроводностью 24 В/(м-К). Неразделённый модуль УФ диодных сборок содержит 72 отдельных элемента размером 0,98x0,98 см каждый. Такая конструкция обеспечивает высокую мощность излучения УФ диодной сборки. Подложка имеет металлизацию, в качестве финишного покрытия было выбрано серебросодержащее с подслоем никеля. Выбор серебра в качестве финишного покрытия обусловлен прочностью сварного соединения при монтаже методом термоультразвуковой микросварки и длительной эксплуатационной надёжностью. Коэффициент отражения данного покрытия на длине волны 375 нм составляет 85%. В качестве альтернативы серебросодержащему финишному покрытию рассматривалось финишное покрытие на основе золота и алюминия. Однако, несмотря на высокую инертность к воздействию ультрафиолетового излучения финишного покрытия отражателя корпуса на основе золота, высоким механическим и электрическим свойствам сформированных сварных соединений, золотое покрытие с подслоем из никеля имеет низкий коэффициент отражения: всего 30% на длине волны 375 нм. Покрытие на основе алюминия, наоборот, имеет высокий коэффициент отражения — на уровне 90% в диапазоне 290^100 нм, но механические контакты золотой

проволоки и алюминиевого основания во время эксплуатации устройств оказываются непрочными из-за образования хрупких интерметаллических соединений в сплаве Аи-А1 при высокой температуре и влажности.

Важную часть второй главы составляет изучение влияния дозы УФ облучения на прозрачность оптического полимера и на отражательную способность покрытия корпуса. Оптические полимеры, используемые в производстве белых светодиодов, чувствительны к воздействию УФ излучения, что проявляется в снижении коэффициента пропускания оптического покрытия, и, как следствие, в снижении мощности излучения светодиода, в увеличении нагрева изделия, и, в конечном итоге, в выходе его из строя. Зачастую это происходит за несколько часов, при том что мощность излучения качественного синего светодиодного чипа в нормальном режиме работы снижается на 30% за 50 ООО часов. В современных светодиодных устройствах применяются диметиловые и фенил-метиловые силиконовые полимерные материалы. Фенил-метиловые кремнийорганические полимерные материалы применяются в белых маломощных светодиодах и светодиодах средней мощности ввиду высокого коэффициента преломления (до 1,54), что делает их более эффективными по сравнению с аналогичными светодиодами, использующими диметиловый силиконовый полимер (показатель преломления 1,41-1,44), однако коэффициент пропускания этих полимеров в синей области спектра ниже, так же как и стабильность к воздействию ближнего УФ излучения. Поэтому их применение в технологии мощных ультрафиолетовых светодиодных сборок недопустимо. Коэффициент пропускания диметиловых оптических силиконов в ближней ультрафиолетовой области и синем диапазоне выше, они обладают лучшей стабильностью к воздействию ближнего УФ излучения, что обусловливает их применение в синих и УФ светодиодах. Для оценки возможности применения диметиловых силиконов различных производителей в разрабатываемой технологии мощных УФ диодных сборок сначала была проведена оценка коэффициента пропускания образцов силиконов, после чего оценивались изменение пропускания за 1000 часов выдержки образцов полимеров в условиях повышенной температуры 200°С, а также твёрдость, эластичность,

влагопоглощение и наличие трещин на поверхности силиконов при перепадах температур.

На рис. 1 показаны кривые пропускания образцов силиконов до (О ч) и после (1000 ч) температурного воздействия.

Результаты приведены для образцов, пропускание которых в области 330-400 нм превышало

0,95

0,85

Я 0,75

0,65

-1 (0 ч)

" " 2(0 4)

--3(0 ч)

- • 4 (0 ч)

330 350

— 1 (1000 ч)

- 2(1000ч) -3 (1000ч) • 4 (1000 ч)

370 390

Длина волны,нм Рисунок 1. Пропускание четырёх образцов силиконов до и после выдержки при температуре 200 °С.

75%. Образец, обладающий наилучшей температурной стабильностью, был использован для дальнейших экспериментов по оценке влияния мощности УФ излучения на деградацию оптических свойств.

Мощность УФ излучения пиковой длины волны 375 нм и 368 нм не сказывается на пропускательной способности выбранного полимера при мощности облучения 18 мВт и 10 мВт, соответственно, в течение 1000 ч. Однако при мощности облучения 220-350 мВт в течение 1000 ч, по косвенной оценке, пропускательная способность полимера снизилась на 5-10% от первоначального значения. Через 3000 ч работы устройства визуально наблюдалось пожелтение оптического покрытия (рис. 2).

В этой главе представлены также результаты расчетов и опытов по оптимизации размещения чипов на подложке для увеличения мощности светодиодных сборок, результаты исследований долговечности

разработанных конструкций.

Для решения этих задач были созданы 9 вариантов образцов УФ светодиодных сборок, содержащих различное количество чипов (16, 20, 24) в различной геометрии. Были проведены параметрические расчеты в программном пакете Zemax. Расчеты проверялись по результатам эксперимента.

На рис. 3 представлены экспериментальные результаты изменения эффективности УФ светодиодных сборок в зависимости от геометрии чипов в корпусе при разном количестве чипов. Для светодиодных сборок, содержащих 16 и 24 чипа, оптимизация геометрия чипов обеспечивает прирост эффективности как минимум на 10%. При проведении параметрических расчетов варьировались следующие параметры: количество чипов (проводились расчеты для УФ сборок с 1, 4, 9 и 16 чипами); расстояние между чипами (от максимально возможного до 0,5 мм); размеры чипа (от 0,4 до 1,2 мм, продольное сечение чипа представляло собой квадрат); толщина защитного покрытия (от 0,4 до 2 мм).

Моделирование проводилось с упрощениями: 1) из всего спектра излучения чипов задавалась пиковая длина волны, 2) коэффициент отражения поверхности подложки и коэффициент пропускания защитного покрытия рассматривались для выбранной пиковой длины волны, 3) не учитывалось наличие проволочных контактов. Угол полного внутреннего отражения (ПВО) а составляет для используемого материала покрытия 45,17°; все лучи, попадающие на поверхность покрытия под углами меньше а, покидают УФ сборку (область I). Остальные лучи отражаются от поверхности покрытия внутрь устройства, часть из них попадает на подложку и соседние чипы (область II), часть выходит через боковую поверхность покрытия (область III). Для размеров чипа 0,4x0,4 мм и толщины покрытия 0,9 мм выбирались значения параметров а = 1,2 мм и ¿=1,5 мм. Значение с зависит от

Рисунок 2. Пожелтение оптического покрытия через 3000 ч работы устройства.

расположения чипа на подложке. Например, для случая одного чипа, расположенного посередине подложки, с = 3,4 мм.

5

§ 100

368 нм 376 НМ

1

2 *

96

ш

щ

о

• и

о

-V-

О 16 чипов 376 НМ

Количество чипов, шт. □ 16 чипов 368 нм 020 чипов 376 нм

ТМ"

1

£•¿¡11Т

24

Д24 чипа 376 нм

Рисунок 3. Относительная эффективность экспериментальных образцов УФ светодиодных сборок, содержащих 16, 20 и 24 чипа, с различной геометрией размещения чипов и длиной волны излучения. На вставках приведены конструкции УФ сборок.

Для рассмотренных конструкций 1-9 приняты обозначения: №№ 1, 2, 6, 9 - «линейное расположение чипов», №№ 3, 4, 5 - «расположение чипов со сдвигом», №№ 7, 8 - «шахматное расположение чипов». Мощность излучения нормирована относительно мощности излучения УФ сборки, содержащей один чип. Наблюдаемые тенденции объясняются потерями излучения, обусловленными поглощением материалом чипов. Для каждой конструкции существует значение расстояния между центрами чипов, при котором наблюдается минимум мощности излучения. Для рассмотренных образцов это расстояние составляет: 1,8 мм для УФ сборок из 4 чипов, 1,3 мм для УФ сборок из 9 чипов и 0,8 мм для УФ сборок из 16 чипов. Указанные расстояния соответствуют расстояниям, при которых поверхность чипов попадает в зону II соседних чипов (см. рис. 4). Оптимальное расстояние между чипами определяется их количеством и размером подложки. Существует два оптимальных расстояния: (1) минимально возможное расстояние между

направление хода лучей

чип

подложка

Рисунок 4. Схема распространения лучей в светодиодной сборке, содержащей 1 чип (вид сбоку).

чипами, которое обеспечивает расположение большинства чипов в области между зонами I и II (см. рис. 4); (2) максимально возможное расстояние между чипами, которое снижает их взаимное влияние, и при котором чипы располагаются близко к краю подложки, что обеспечивает вывод света через боковую поверхность покрытия.

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. 5 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. 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%.

л 90

5

о < 2

........•§.........кЩ

1

1,2

1 чип

0,6 0.8 Толщина защитного покрытия, мм —■— 4 чипа в центре —*— 9 чипов в центре — 4 4 чипа по краям • • -д • • 9 чипов по краям

Рисунок 5. Расчетная относительная мощность излучения УФ сборок в зависимости от толщины защитного покрытия.

90

85

к х Й з; — О)

Я £ о х

0

1

75

70

тРй^1 -п-

-и

" О- .

20

0 5 10 15

Суммарная плошадь чипов, мм; - О - 1 чип —О 4 чнпа —Й1—9 чипов — О— 16чнпов

Рисунок 6. Расчетная мощность излучения УФ сборок с разным количеством чипов в зависимости от суммарной площади чипов.

На рис. 6 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. 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 образцов сборок и проведенные расчеты показали, что на эффективность устройства значительно влияют: 1) толщина защитного покрытия, 2) размер чипов и 3) геометрия их расположения. Расчётами и экспериментально продемонстрировано, что существует оптимальное расстояние между УФ чипами, при котором достигается максимально возможная мощность излучения при заданных характеристиках компонентов устройств. Оптимальная геометрия обеспечивает десятипроцентный прирост эффективности УФ сборки.

Для оценки срока службы рассматриваемых конструкций светодиодных сборок были проведены исследования деградации оптических и электрических характеристик УФ светодиодных сборок. 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. 7 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. Светодиодные сборки выдерживались в рабочем режиме в течение 1000 ч. Через каждые 100 ч проводились измерения оптических и электрических характеристик с использованием спектрорадиометра ORB Optronix SP-75, сферического интегратора Gamma Scientific диаметром 50 см и программируемого источника питания 2601A Keithley. Результаты измерений усреднялись по 10 образцам. Наблюдается тенденция к увеличению напряжения со временем.

Рисунок 7. Образцы из группы №2, размещённые на радиаторах.

На рис. 8(а) представлены усреднённые результаты измерений значения падения напряжения за 1000 часов работы устройств, а на рис. 8(6) — 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%. Данное изменение напряжения, вероятно, связано с изменением свойств материалов чипов за счет увеличенного тепловыделения, обусловленного наличием большего количества чипов на одинаковой площади. Увеличение напряжения может быть связано с флуктуацией ширины запрещённой зоны, характерной для нитридов, высокого электрического сопротивления р-слоя и паразитного падения напряжения в буферных слоях и-типа, с увеличением контактного сопротивления и числа дефектов в полупроводниковом чипе.

2

- 1.5 1

1 <5 0,5

1

б)

500 1000

Время работы, час

Время работы, час -а— №1 —й— (чйг2 -

Рисунок 8. Результаты измерений электрических характеристик светодиодных сборок: а) падение напряжения на сборках групп №1, №2, №3; б) изменение падения напряжения, выраженное в процентах.

а)

500

Время работы,час О— №1 —Л— №2 —О—

б)

Рисунок 9. Результаты измерений оптических характеристик сборок: а) мощность излучения светодиодных сборок групп № I, №2 и №3; б) спектр излучения сборок.

На рис. 9(а) представлено изменение мощности излучения светодиодных сборок за 1000 ч работы устройств. Наблюдается уменьшение мощности излучения, связанное с изменением оптических свойств полимера, деградацией материала чипа, которая выражается в уменьшении числа актов излучательной

рекомбинации, а также с изменением свойств отражающего покрытия. Спектр излучения светодиодных сборок представлен на рис. 9(6). Пиковая длина волны в рассмотренных группах светодиодных сборок составляла 376 нм и не изменялась за 1000 ч работы устройств.

На рис. 10 показано, как изменялся КПД в рассматриваемых группах устройств. Для групп №№ 2 и 3 характерно изменение КПД на 5% за 1000 ч работы, в то время как образцы из группы №1 продемонстрировали снижение КПД лишь на 2%. Образцы из группы №1 в начале тестирования показали КПД лишь 20,5%, тогда как группы №№ 2 и 3 КПД —22,5%. Однако через 1000 ч работы КПД сборок группы №1 оказался выше КПД образцов из групп №№ 2 и 3 и составил 18,5 % против -17,5 %.

Таким образом, можно сделать вывод о возможности использования различных конструкций светодиодных сборок в течение длительного времени работы. В случае, если наиболее важным параметром является сохранение КПД устройства, тогда преимущество в выборе следует отдать менее мощной конструкции. Однако, если важна и мощность излучения, рекомендуется выбрать конструкцию более мощной светодиодной сборки, обеспечив при этом нормальный тепловой режим эксплуатации.

При разработке

светодиодных устройств специального спектра

излучения в ряде случаев существует альтернатива использованию излучения от излучающих чипов -применение люминофоров. Сравнение КПД устройств позволяет принять решение о целесообразности выбора того или иного

конструктивного решения. Оценка температурной

стабильности таких устройств также необходима.

Третья глава диссертации посвящена технологии мощных ультрафиолетовых светодиодных сборок. 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 A1N, в случае УФ-В и УФ-С. Квантовая эффективность с ростом концентрации A1N значительно падает, и в настоящее время для светодиодов УФ-С не превышает 10%. Исследовательские коллективы ведут активные поиски путей увеличения квантового выхода, совершенствуя все

500

Время работы, час

-о- №1 -Л- №2 -о— №3

Рисунок 10. Изменение КПД сборок, содержащих различное количество чипов.

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 ваИ -13%, плотность дефектов превышает 109 см"2. Значительное снижение плотности дефектов достигается гомоэпитаксией, то есть ростом светодиодных структур на кристаллах нитрида галлия. В работах, выполненных при участии автора, продемонстрирован метод снижения плотности дефектов в эпитаксиальных слоях на основе СаЫ 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 п- и ¿»-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%.

При размещении чипа на подложке (плате) применяется ряд технологических операций, отличных от используемых при корпусировании отдельных светодиодов. 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 параметров каждого изделия и маркировка отбракованных изделий, 7) разделение групповой заготовки на одиночные изделия, 8) испытание изделий.

Операция 1 вместо дозирования оптического полимера в каждый корпус, осуществляемого в технологии маломощных и мощных светодиодов, производится литьё под давлением, в ходе которого за один цикл одновременно осуществляется формирование оптического покрытия над двумя групповыми заготовками мощных светодиодных сборок. Этот метод исключает процесс изменения вязкости, происходящий в смеси полимеров во время длительного дозирования, необходимость изменения времени дозирования или давления. Использованный метод литья под давлением позволяет получать оптическое покрытие заданной толщины и определённой формы по всему периметру групповых заготовок. Кроме того, снижается количество материала заливки, который не может быть использован по причине сильного изменения вязкости, поскольку приготовленная полимерная композиция полностью расходуется за один цикл.

Операция 2 осуществляется с помощью разработанной оснастки, позволяющей зафиксировать технологическое поле в разъёме и механическим надавливанием по линии скрайбирования отделить её от светодиодных модулей групповой заготовки.

Для операции 3 была разработана система тестирования оптических и электрических характеристик групповой заготовки мощных ультрафиолетовых светодиодных сборок. Измерительным блоком в этой системе является визуализирующий фотометр, позволяющий поточечно регистрировать

оптический сигнал со всей поверхности групповой заготовки светодиодных сборок. Разработанное программное обеспечение позволяет сравнивать полученный сигнал с ожидаемым и делать вывод о работоспособности изделий.

Операция 4 осуществляется при помощи газового СО2 лазера с рабочей длиной волны 10,6 мкм и средней мощностью 120 Вт. Вскрытие контактных площадок происходит в процессе испарения материала оптического покрытия под действием лазерного излучения. Использованный лазер был выбран как наиболее подходящий для поставленной цели. При его работе в плоскости (ху) движется не рабочая голова прибора, а с помощью зеркал отклоняется сам лазерный луч, что ускоряет технологическую операцию. Данный лазер обеспечивает минимальную толщину линии в 0,5 от рабочей длины волны. При его использовании толщина линии испарения материала составляет 10 мкм. При этом испаряется материал в области контактов и по линии скрайбирования керамических корпусов для удобства последующего разделения групповой заготовки мощных светодиодных сборок на одиночные изделия.

Частично оседающий на поверхность светодиодных сборок нагар от испарённого оптического полимера удаляется промышленным пылесосом в ходе операции 5.

Операция 6 осуществляется на разработанной установке, задействованной в операции 3.

Операция 7 проводится вручную при помощи разработанной оснастки по принципу, аналогичному описанному для операции 2.

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.

В четвертой 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 таблице 1 приведены полученные характеристики одиночных элементов УФ светодиодных сборок с пиковой длиной волны излучения 375 нм. Здесь приняты следующие обозначения: Ы— количество чипов в сборке, Рор, - мощность излучения, I - рабочий ток, и — рабочее напряжение, 17 — коэффициент полезного действия, рассчитанный как отношение мощности излучения к мощности потребления, Т - расчётный срок службы при линейной аппроксимации, //ОТн - относительный КПД через 1000 ч работы устройства на постоянном токе.

Таблица 1. Характеристики одиночных элементов УФ светодиодных сборок

N Рор„ мВт I, мА и, В >1, % Т, ч '70ТН! %

16 221 80 13,3 21 2700 89

20 300 100 13,3 23 1200 76

24 356 120 13,3 22 1200 78

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.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработаны мощные светодиодные сборки «чип на плате» УФ-А диапазона. Полученные опытные образцы продемонстрировали рекордные значения общей мощности излучения 25 Вт.

2. Методом компьютерного моделирования выполнена оптимизация конструкции. Экспериментально установлено, что оптимизированная конструкция демонстрирует рост КПД светодиодных сборок как минимум на 10%.

3. Оптимизация толщины защитного покрытия также обеспечивает не менее 10% прироста КПД.

4. Экспериментально показано, что наилучшим металлическим покрытием подложки (платы) сборки «чип на плате» является серебро с подслоем никеля. Оно дает высокий коэффициент отражения -85% УФ излучения на длине волны 375 нм, обеспечивает стабильность термоультразвуковой микросварки и наиболее длительную работу сборки.

5. Установлено, что ряд кремнийорганических эластомеров обладает высокой стабильностью оптического пропускания, в том числе при высокой температуре. На длине волны 375 нм через 1000 ч выдержки при 200 °С экспериментально наблюдается снижение пропускания лишь на 2%. В случае же длительного воздействия излучения с пиковой длиной волны 375 нм и 368 нм и соответственно мощностью 18 мВт и 10 мВт не происходит никакого изменения прозрачности эластомеров. Некоторое заметное (более чем на 5%) изменение прозрачности возможно при мощностях излучения более 200 мВт.

6. Тестирование опытной партии образцов мощных ультрафиолетовых диодных излучателей типа сборки «чип на плате» продемонстрировало их надежность в течение как минимум 1000 ч до наработки на отказ или до выхода основных параметров за пределы заявленных значений.

7. Экспериментально продемонстрировано, что ускоренная деградация оптических и электрических характеристик образцов наблюдается с

увеличением количества чипов в корпусе. Повышение мощности излучения в 1,5 раза при неизменной токовой нагрузке на единичный чип привело к росту скорости деградации в 3 раза, что выразилось в повышении напряжения на 2% и в уменьшении КПД на 5% за 1000 ч работы сборок на постоянном токе.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ РАБОТЫ

1. Разработанная конструкция и технология светодиодных сборок типа «чип на плате» с мощностью излучения до 25 Вт при пиковой длине волны излучения X = 375 нм реализована в изделии, которое прошло проверку и испытания, подтвердившие перспективность внедрения данного прибора в производство.

2. Преимущества конструкции типа «чип на плате» позволяют максимально увеличить плотность мощности оптического излучения. Вместе с тем, для достижения рекордных значений мощности излучения и КПД определяющими являются такие особенности конструкции как геометрия расположения светодиодных чипов на плате (подложке), размер чипов и толщина защитного покрытия светодиодных сборок. Оптимизация геометрии размещения чипов обеспечивает прирост КПД на 10%. Оптимизация толщины защитного покрытия также обеспечивает как минимум 10% прироста КПД.

3. Уменьшение мощности излучения ультрафиолетовых диодных сборок типа «чип на плате» в процессе эксплуатации связано как с ухудшением оптических свойств защитного полимерного покрытия и отражающего металлического покрытия площадок под чипами, так и снижением яркости (деградацией) самих чипов. Установленные закономерности временных зависимостей рабочих параметров позволяют прогнозировать срок службы светодиодных сборок данного типа.

Список публикаций по теме диссертации

Статьи в журналах из перечня ВАК:

1. Суслов С.С., Виноградова К.А., Бугров В.Е., Одноблюдов М.А., Романов А.Е. Параметрическое моделирование светоизлучающих структур на основе III-нитридов // Materials Physics and Mechanics. - 2012. - 14 (1). - С. 78-86,-0,56 п.л./0,19 п.л.

2. Виноградова К.А., Липницкая С.Н., Мынбаев К.Д., Бугров В.Е., Ковш А.Р., Одноблюдов М.А., Николаев В.И., Романов А.Е. Оптимизация вывода света из мощных светодиодных сборок "чип на плате", излучающих в ультрафиолетовом диапазоне длин волн // Materials Physics and Mechanics.-2013,- 17.-С. 111-120.-0,63 п.л./0,31 п.л.

3. Виноградова К.А., Середова Н.В. Изменение характеристик ультрафиолетовых светодиодных сборок «чип на плате» при длительном времени работы на номинальном токе // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2013. - 5 (87). - С. 71— 76. - 0,38 п.л./0,31 п.л.

4. Mynbaeva М., Sitnikova A., Nikolaev A., Vinogradova К., Mynbaev К., Nikolaev V. Self-organized defect control during GaN homoepitaxial growth on

nanostructured substrates // Physica Status Solidi (c). - 2013. - 10. - P. 366-368.-0,19 п.л./0,03 п.л.

5. Виноградова К.А., Бугров В.Е., Ковш А.А., Одноблюдов М.А., Николаев В.И., Романов А.Е. Деградация белых и синих светодиодов при длительном времени работы // Известия вузов. Приборостроение. - 2013. -56 (11). - С. 87-92. - 0,38 п.л./0,25 п.л.

6. Vinogradova К.А., Nikulina L.A., Mynbaev K.D., Kovsh A.R., Odnoblyudov M.A., Nikolaev V.I., Bougrov V.E. Efficiency comparison of light emitting diodes based on monochromatic chips and chips with phosphor // Materials Physics and Mechanics.-2013.- 18.-P. 135-142.-0,5 п.л./0,31 п.л.

7. Vinogradova K.A., Nikulina L.A., Braslavskii S.S., Solovieva E.A., Mynbaev K.D., Nikolaev V.I., Romanov A.E., Bougrov V.E. Temperature stability of colored LED elements // Materials Physics and Mechanics. - 2013. - 18. - P. 143-147. - 0,44 п.л./0,25 п.л.

Статьи в сборниках трудов всероссийских и международных

конференций:

1. Mynbaeva М., Sitnikova A., Nikolaev A., Vinogradova К., Mynbaev К., Nikolaev V. Self-organized defect control during GaN homoepitaxial growth on nanostructured substrates // 4th International Symposium on Growth of Ill-Nitrides: Book of abstracts. 16-19 July 2012, St. Petersburg, Russia - P. 188. -0,06 п.л./0,01 п.л.

2. Виноградова K.A., Середова Н.В. Изменение характеристик ультрафиолетовых светодиодных сборок «чип на плате» при длительном времени работы на номинальном токе // 9-я Всероссийская конференция «Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы»: Тезисы докладов. 13-15 июня 2013, Москва. СПб.: Издательство Политехнического университета. - 2013. - С. 182-183. - 0,13 п.л./0,09 п.л.

3. Vinogradova К.А., Bougrov V.E., Odnoblyudov М.А., Kovsh A.R., Romanov A.E., Mynbaev K.D., Nikolaev V.I. Powerful ultraviolet chip-on-board modules for medical applications: improvements in technology and characteristics // The 9lh International Conference on Optics-photonics Design and Fabrication: Book of abstracts. 12-14 February 2014, Tokyo, Japan. - P. 353-354. - 0,13 п.л./ 0,09 п.л.

4. Vinogradova K.A., Mynbaev K.D., Bougrov V.E., Odnoblyudov M.A., Kovsh A.R., Romanov A.E. Active chip-on-board modules for special spectra devices: technology and control // The 9lh International Conference on Optics-photonics Design and Fabrication: Book of abstracts. 12-14 February 2014, Tokyo, Japan. -P. 351-352.-0,13 п.л./0,09 п.л.

Подписано в печать 06.11.2014. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 12432Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Типографии Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812) 552-77-17; 550-40-14