解析LED熱阻結(jié)構(gòu)測量與分析技術(shù)進展

LED產(chǎn)品的熱性能對于LED產(chǎn)品的光色電性能和可靠性、使用壽命影響很大，因此其熱管理設(shè)計和測量十分重要。與傳統(tǒng)的測量整個器件的熱性能不同，對熱阻結(jié)構(gòu)的分析和測量能夠得到器件內(nèi)部的熱阻分布情況，從而更為全面地評價LED產(chǎn)品的熱性能，并可準(zhǔn)確找出熱管理中的薄弱環(huán)節(jié)，對產(chǎn)品的二次設(shè)計發(fā)揮重要指導(dǎo)作用。本文詳述了熱阻結(jié)構(gòu)測量的原理和最新技術(shù)進展，并采用我國自主研發(fā)的熱阻測量設(shè)備對實際樣本進行對比試驗分析，得到了良好的分析結(jié)果。

　1. 概述：

　　LED固體光源具有效率高、壽命長，應(yīng)用靈活、無污染等優(yōu)點，目前已廣泛應(yīng)用于照明領(lǐng)域。然而LED所消耗的電能中，多數(shù)轉(zhuǎn)化成了熱能，使芯片溫度明顯升高，而溫度對LED性能具有重要的影響，包括色溫改變、效率下降、降低壽命和可靠性等。因此，提高LED熱管理性能成為大功率LED結(jié)構(gòu)設(shè)計中亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。

　　常用的LED熱管理分析技術(shù)包括使用熱設(shè)計軟件仿真和使用熱阻分析設(shè)備進行測量。前者通常用于LED的熱管理設(shè)計；而后者著重于對實際樣品的熱阻測量和分析，以檢驗設(shè)計方案的實際效果和產(chǎn)品質(zhì)量，并改進制造工藝或指導(dǎo)二次設(shè)計。

　　2. 熱阻基本原理

　　LED的散熱通過三種方式進行：熱傳導(dǎo)，對流，熱輻射。在LED內(nèi)部，熱傳導(dǎo)是主要的散熱途徑，其熱傳導(dǎo)性能取決于介質(zhì)的熱阻抗。熱阻抗由熱阻和熱容共同決定。其中熱阻的定義為：。式中ΔT為溫差，Rth為熱阻，P為熱功率。

　　如圖1所示，將熱流與電流相對應(yīng)，電勢與溫度相對應(yīng)，則熱阻與電阻相對應(yīng)，熱容與電容相對應(yīng)。對于任意的導(dǎo)熱介質(zhì)元，可以簡化為一個R-C并聯(lián)回路：

R-C并聯(lián)回路模型

　　當(dāng)熱流經(jīng)過該介質(zhì)單元時，就會在兩端形成溫差。與電路類似，初始時熱量將在熱容中累積，兩端溫差逐漸增大，直至達到熱平衡，此時的熱阻通常所稱的“穩(wěn)態(tài)熱阻”。而在器件達到熱平衡之前，受熱容和熱阻共同影響，器件的結(jié)溫不斷變化，對應(yīng)熱阻也隨時間變化，該熱阻稱為“瞬態(tài)熱阻”。對瞬態(tài)熱阻的測量是熱阻結(jié)構(gòu)測量的基礎(chǔ)。

　　3. 熱阻測量和熱阻結(jié)構(gòu)函數(shù)

　　3.1 熱阻結(jié)構(gòu)測量的必要性

　　理論上說，當(dāng)我們確定了一個器件的材質(zhì)、形狀、尺寸等信息，它的熱容和熱阻即可以確定。然而，在LED中，除了各個器件本身的熱特征之外，相互接觸的交界面上還存在接觸熱阻。決定接觸熱阻的因素很多，例如接觸面的平整程度、正壓力、光潔度、溫度或者連接層工藝等。這些因素往往與接觸熱阻呈非線性關(guān)系，而且實際情況難以確定，還可能隨環(huán)境變化而變化。因此，僅通過仿真模擬無法準(zhǔn)確了解一個實際產(chǎn)品內(nèi)部的熱管理情形。要更準(zhǔn)確地描述實際產(chǎn)品的熱管理，就必須進行熱阻結(jié)構(gòu)測量。

　　如圖2和圖3所示，通常的熱阻測量僅能給出器件整體的熱阻值，并不能反映出內(nèi)部熱量分布關(guān)系，而熱阻結(jié)構(gòu)測量卻可以給出器件內(nèi)部的分層熱阻信息，對實際設(shè)計或工藝改進具有重要的指導(dǎo)作用。