解析LED熱阻結構測量與分析技術進展

LED產品的熱性能對于LED產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，對熱阻結構的分析和測量能夠得到器件內部的熱阻分布情況，從而更為全面地評價LED產品的熱性能，并可準確找出熱管理中的薄弱環(huán)節(jié)，對產品的二次設計發(fā)揮重要指導作用。本文詳述了熱阻結構測量的原理和最新技術進展，并采用我國自主研發(fā)的熱阻測量設備對實際樣本進行對比試驗分析，得到了良好的分析結果。

　1. 概述：

　　LED固體光源具有效率高、壽命長，應用靈活、無污染等優(yōu)點，目前已廣泛應用于照明領域。然而LED所消耗的電能中，多數(shù)轉化成了熱能，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結構設計中亟需解決的關鍵技術環(huán)節(jié)。

　　常用的LED熱管理分析技術包括使用熱設計軟件仿真和使用熱阻分析設備進行測量。前者通常用于LED的熱管理設計；而后者著重于對實際樣品的熱阻測量和分析，以檢驗設計方案的實際效果和產品質量，并改進制造工藝或指導二次設計。

　　2. 熱阻基本原理

　　LED的散熱通過三種方式進行：熱傳導，對流，熱輻射。在LED內部，熱傳導是主要的散熱途徑，其熱傳導性能取決于介質的熱阻抗。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，電勢與溫度相對應，則熱阻與電阻相對應，熱容與電容相對應。對于任意的導熱介質元，可以簡化為一個R-C并聯(lián)回路：

R-C并聯(lián)回路模型

　　當熱流經(jīng)過該介質單元時，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，器件的結溫不斷變化，對應熱阻也隨時間變化，該熱阻稱為“瞬態(tài)熱阻”。對瞬態(tài)熱阻的測量是熱阻結構測量的基礎。

　　3. 熱阻測量和熱阻結構函數(shù)

　　3.1 熱阻結構測量的必要性

　　理論上說，當我們確定了一個器件的材質、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確了解一個實際產品內部的熱管理情形。要更準確地描述實際產品的熱管理，就必須進行熱阻結構測量。

　　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，并不能反映出內部熱量分布關系，而熱阻結構測量卻可以給出器件內部的分層熱阻信息，對實際設計或工藝改進具有重要的指導作用。