【深度解析】LED照明發(fā)展的巨大瓶頸：熱阻技術(shù)檢測

　　熱阻即熱量在熱流路徑上遇到的阻力，反映介質(zhì)或介質(zhì)間的傳熱能力的大小，表明了1W熱量所引起的溫升大小，單位為℃/W或K/W?？梢杂靡粋€類比來解釋，如果熱量相當(dāng)于電流，溫差相當(dāng)于電壓，則熱阻相當(dāng)于電阻。通常，LED器件在應(yīng)用中，結(jié)構(gòu)熱阻分布為芯片襯底、襯底與LED支架的粘結(jié)層、LED支架、LED器件外掛散熱體及自由空間的熱阻，熱阻通道成串聯(lián)關(guān)系。

　　LED燈具作為新型節(jié)能燈具在照明過程中只是將30-40%的電能轉(zhuǎn)換成光，其余的全部變成了熱能，熱能的存在促使我們必須要關(guān)注LED封裝器件的熱阻。一般，LED的功率越高，LED熱效應(yīng)越明顯，因熱效應(yīng)而導(dǎo)致的問題也突顯出來，例如，芯片高溫的紅移現(xiàn)象；結(jié)溫過高對芯片的永久性破壞；熒光粉層的發(fā)光效率降低及加速老化；色溫漂移現(xiàn)象；熱應(yīng)力引起的機(jī)械失效等。這些都直接影響了LED的發(fā)光效率、波長、正向壓降以及使用壽命。LED散熱已經(jīng)成為燈具發(fā)展的巨大瓶頸。

　　應(yīng)如何評估LED封裝器件的散熱水平？

　　應(yīng)用舉例

　　1.封裝器件熱阻測試

　?。?）測試方法一：

　　測試熱阻的過程中，封裝產(chǎn)品一般的散熱路徑為芯片-固晶層-支架或基板-焊錫膏-輔助測試基板-導(dǎo)熱連接材料。

　　側(cè)面結(jié)構(gòu)及散熱路徑

　　根據(jù)測試，可以得出如下述的熱阻曲線圖，可讀出測試產(chǎn)品總熱阻（整個散熱路徑）為7.377K/W。該方法測試出的熱阻需根據(jù)測試樣品的結(jié)構(gòu)，判定曲線中的熱阻分層，獲得封裝器件的準(zhǔn)確熱阻。該方法更適合SMD封裝器件。

　　熱阻曲線圖

　?。?）測試方法二：

　　與方法一不同，該方法需經(jīng)過兩次熱阻測試，對比得出的熱阻，可精確到器件基板外殼，無附帶測試基板數(shù)值。

　　兩次測試的分別：第一次測量，器件直接接觸到基板熱沉上；第二次測量，器件和基板熱沉中間夾著導(dǎo)熱雙面膠。由于兩次散熱路徑的改變僅僅發(fā)生在器件封裝殼之外，因此結(jié)構(gòu)函數(shù)上兩次測量的分界處就代表了器件的殼。如下圖所示的曲線變化，可得出器件的精確熱阻。該方法適合COB封裝器件。

　　多次測試的熱阻曲線對比圖

　?。?）利用結(jié)構(gòu)函數(shù)識別器件的結(jié)構(gòu)

　　常規(guī)的，芯片、支架或基板、測試輔助基板或冷板這三層的熱阻和熱容相對較小，而固晶層和導(dǎo)熱連接材料的熱阻和熱容相對較大。

　　如下面結(jié)構(gòu)函數(shù)顯示，結(jié)構(gòu)函數(shù)上越靠近 y 軸的地方代表著實(shí)際熱流傳導(dǎo)路徑上接近芯片有源區(qū)的結(jié)構(gòu)，而越遠(yuǎn)離 y 軸的地方代表著熱流傳導(dǎo)路徑上離有源區(qū)較遠(yuǎn)的結(jié)構(gòu)。積分結(jié)構(gòu)函數(shù)是熱容—熱阻函數(shù)，曲線上平坦的區(qū)域代表器件內(nèi)部熱阻大、熱容小的結(jié)構(gòu)，陡峭的區(qū)域代表器 件內(nèi)部熱阻小、熱容大的結(jié)構(gòu)。微分結(jié)構(gòu)函數(shù)中，波峰與波谷的拐點(diǎn)就是兩種結(jié)構(gòu)的分界處，便于識別器件內(nèi)部的各層結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)函數(shù)的末端，其值趨向于一條垂 直的漸近線，此時代表熱流傳導(dǎo)到了空氣層，由于空氣的體積無窮大，因此熱容也就無窮大。從原點(diǎn)到這條漸近線之間的 x 值就是結(jié)區(qū)到空氣環(huán)境的熱阻，也就是穩(wěn)態(tài)情況下的熱阻。

　　熱阻曲線的兩種結(jié)構(gòu)函數(shù)

　　2.封裝器件內(nèi)部的缺陷

　　固晶層內(nèi)部缺陷展示

　　對比上面兩個器件的剖面結(jié)構(gòu)，固晶層可見明顯差異。如下圖，左邊為正常產(chǎn)品，右邊為固晶層有缺陷的產(chǎn)品。

　　固晶層缺陷引發(fā)的熱阻變大

　　根據(jù)上圖顯示，固晶層缺陷會造成的熱阻增大，影響散熱性能，具體的影響程度與缺陷的大小有關(guān)。