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          【深度解析】LED照明發(fā)展的巨大瓶頸:熱阻技術(shù)檢測

          作者: 時間:2017-10-25 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

            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。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201710/368354.htm

            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(zhǔn)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

           ?。?)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(biāo)漂移曲線

            由上圖可知,隨著溫度的上升,該樣品LED的色坐標(biāo)會往高色溫方向漂移。



          關(guān)鍵詞: LED照明

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