解析LED熱阻結(jié)構(gòu)測(cè)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(cè)量十分重要。與傳統(tǒng)的測(cè)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(cè)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(cè)量的原理和最新技術(shù)進(jìn)展，并采用我國(guó)自主研發(fā)的熱阻測(cè)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(zhǎng)，應(yīng)用靈活、無(wú)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(cè)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(cè)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(guò)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(shì)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(jiǎn)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(guò)該介質(zhì)單元時(shí)，就會(huì)在兩端形成溫差。與電路類(lèi)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(chēng)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(chēng)為“瞬態(tài)熱阻”。對(duì)瞬態(tài)熱阻的測(cè)量是熱阻結(jié)構(gòu)測(cè)量的基礎(chǔ)。

　　3. 熱阻測(cè)量和熱阻結(jié)構(gòu)函數(shù)

　　3.1 熱阻結(jié)構(gòu)測(cè)量的必要性

　　理論上說(shuō)，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(guò)仿真模擬無(wú)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(cè)量。

　　如圖2和圖3所示，通常的熱阻測(cè)量?jī)H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(cè)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。