解析LED熱阻結(jié)構(gòu)測量與分析技術(shù)進(jìn)展
LED產(chǎn)品的熱性能對(duì)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(jì)和測量十分重要。與傳統(tǒng)的測量整個(gè)器件的熱性能不同,對(duì)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(píng)價(jià)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(duì)產(chǎn)品的二次設(shè)計(jì)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(jìn)展,并采用我國自主研發(fā)的熱阻測量設(shè)備對(duì)實(shí)際樣本進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)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(diǎn),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(duì)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(jì)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(jì)軟件仿真和使用熱阻分析設(shè)備進(jìn)行測量。前者通常用于LED的熱管理設(shè)計(jì);而后者著重于對(duì)實(shí)際樣品的熱阻測量和分析,以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的實(shí)際效果和產(chǎn)品質(zhì)量,并改進(jìn)制造工藝或指導(dǎo)二次設(shè)計(jì)。
2. 熱阻基本原理
LED的散熱通過三種方式進(jìn)行:熱傳導(dǎo),對(duì)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(duì)應(yīng),電勢與溫度相對(duì)應(yīng),則熱阻與電阻相對(duì)應(yīng),熱容與電容相對(duì)應(yīng)。對(duì)于任意的導(dǎo)熱介質(zhì)元,可以簡化為一個(gè)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(shí),就會(huì)在兩端形成溫差。與電路類似,初始時(shí)熱量將在熱容中累積,兩端溫差逐漸增大,直至達(dá)到熱平衡,此時(shí)的熱阻通常所稱的“穩(wěn)態(tài)熱阻”。而在器件達(dá)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(duì)應(yīng)熱阻也隨時(shí)間變化,該熱阻稱為“瞬態(tài)熱阻”。對(duì)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(gè)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(gè)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(shí)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(gè)實(shí)際產(chǎn)品內(nèi)部的熱管理情形。要更準(zhǔn)確地描述實(shí)際產(chǎn)品的熱管理,就必須進(jìn)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(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)或工藝改進(jìn)具有重要的指導(dǎo)作用。
評(píng)論