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，如果熱量相當于電流，溫差相當于電壓，則熱阻相當于電阻。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

(1)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，獲得封裝器件的準確熱阻。該方法更適合SMD封裝器件。

熱阻曲線圖

(2)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

(3)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)，而越遠離 y 軸的地方代表著熱流傳導(dǎo)路徑上離有源區(qū)較遠的結(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)。

3.結(jié)構(gòu)無損檢測

同批次產(chǎn)品，取固晶層完好、邊緣缺陷以及中間缺陷的樣品測試。固晶完好的固晶層應(yīng)為矩形，而邊緣和中間存在缺陷，則固晶層不規(guī)則，下圖兩種缺陷的圖片。

固晶缺陷示意圖

測試出三條熱阻曲線。由于三次測試的芯片是一樣的，因此在結(jié)構(gòu)函數(shù)中表征芯片部分的曲線是完全重合在一起的。隨著固晶層損傷程度的增加，該結(jié)構(gòu)層的熱阻逐漸變大。這是由于空洞阻塞了有效的散熱通道造成的。

固晶缺陷熱阻值對比

根據(jù)測試結(jié)果，不僅可以定性地找出存在缺陷的結(jié)構(gòu)，而且還能定量得到缺陷引起的熱阻的變化量。

4.老化試驗表征手段

下圖為一個高溫高濕老化案例中同一樣品不同時期的熱阻曲線。

老化后的熱阻漂移現(xiàn)象

老化前后，從芯片后波峰的移動可以清晰地看出由于老化造成的分層，導(dǎo)致了芯片粘結(jié)層的熱阻增大。對樣品不同階段的熱阻測試，可得到每層結(jié)構(gòu)的熱阻變化，根據(jù)變化分析老化機理，從而改善產(chǎn)品散熱性能。

5.接觸熱阻的測量

隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的不斷成熟，熱界面材料的熱性能已經(jīng)成為制約高性能封裝產(chǎn)品的瓶頸。接觸熱阻的大小與材料、接觸質(zhì)量是息息相關(guān)的。常規(guī)的接觸材料或方式有：(1)導(dǎo)熱膠;(2)導(dǎo)熱墊片;(3)螺釘連接;(4)干接觸。下圖為對于接觸熱阻的一次專門測試。

不同接觸方式的熱阻

由上圖發(fā)現(xiàn)，接觸熱阻的大小不僅與接觸材料有關(guān)，還與接觸的質(zhì)量有關(guān)。接觸材料的導(dǎo)熱系數(shù)越大，接觸熱阻越小。接觸質(zhì)量越好，接觸熱阻越小。

6.熱電參數(shù)特性舉例

電壓溫度曲線

由上圖可見，隨著溫度的上升，該樣品LED的電壓呈線性遞減。

光通量溫度曲線

由上圖可見，隨著溫度的上升，該樣品LED的光通量呈線性遞減。

色坐標漂移曲線

由上圖可知，隨著溫度的上升，該樣品LED的色坐標會往高色溫方向漂移。