解析LED熱阻結(jié)構(gòu)測量與分析技術(shù)進展

　　熱阻測量中，獲取熱阻結(jié)構(gòu)特征的第一步為測量瞬態(tài)熱阻曲線，即結(jié)溫變化曲線，如圖4所示。

　　不難看出，溫度變化的信息主要包含在測試初期很短的時間內(nèi)。要很好地分辨出LED芯片這樣的微小結(jié)構(gòu)，需要能夠在微秒級的時間內(nèi)對結(jié)溫采樣測量；同時，由于測量分析對噪聲相當(dāng)敏感，確定的邊界條件和穩(wěn)定的供電電源也至關(guān)重要，也即，測試設(shè)備必須實現(xiàn)MHz級的高精度測量采樣，才能滿足LED熱阻結(jié)構(gòu)分析的需求，這是具有相當(dāng)挑戰(zhàn)性的。

　　另外，LED消耗的電功率一般轉(zhuǎn)化成熱功率和光輻射功率兩部分，而根據(jù)定義，熱阻是熱傳導(dǎo)路徑上溫度差與熱功率的比值，而要準(zhǔn)確獲取熱功率，就必須對LED進行光輻射度測量，而實際上，現(xiàn)有的一些熱阻測量系統(tǒng)并沒有考慮提出光輻射功率，它們測量的只能稱為“參考熱阻”【4】。

　　3.3 熱阻結(jié)構(gòu)函數(shù)分析

　　熱阻結(jié)構(gòu)函數(shù)分析是獲取LED熱阻結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，同時也是難點所在。

　　現(xiàn)實中我們很難得到連續(xù)的熱阻結(jié)構(gòu)函數(shù)，而是通常采用有限元分析法，將熱傳導(dǎo)路徑分解成有限個單元，計算各個單元的熱容和熱阻，以獲取熱阻結(jié)構(gòu)函數(shù)的離散形式?；驹碇形覀円呀?jīng)提到，可以用電路的形式來描述熱傳導(dǎo)介質(zhì)，使分析過程更為直觀。對一維熱傳導(dǎo)介質(zhì)的有限元模型可以R-C電路的形式表示為Cauer模型回路，見圖5。

　　該模型描述了熱流從PN結(jié)至熱沉過程中，依次經(jīng)過的各個單元所具有的熱容和熱阻。分析時采用的Cauer模型的單元越多，對介質(zhì)的描述越細致，與實際情形也越接近。

　　熱阻結(jié)構(gòu)函數(shù)描述的是熱傳導(dǎo)路徑上介質(zhì)的熱容與熱阻間的關(guān)系，可分為微分結(jié)構(gòu)函數(shù)和積分結(jié)構(gòu)函數(shù)兩種。圖6即為積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線的示例。積分結(jié)構(gòu)函數(shù)的橫坐標(biāo)值代表從熱傳導(dǎo)出發(fā)點至當(dāng)前點的累積熱阻值，縱坐標(biāo)代表從熱傳導(dǎo)出發(fā)點至當(dāng)前點的總熱容值。微分結(jié)構(gòu)函數(shù)則是積分結(jié)構(gòu)函數(shù)關(guān)于橫坐標(biāo)求導(dǎo)后的結(jié)果，類似于“熱容密度”函數(shù)。在獲取離散形式熱阻結(jié)構(gòu)函數(shù)的過程中，由于計算過程中涉及了大量卷積，反卷積，以及多次如傅里葉變換等數(shù)學(xué)處理過程，隨著Cauer模型單元數(shù)的增加，對測量精度，速度的要求以及計算量都將急劇上升。

　　4. 應(yīng)用實例

　　4.1 測試設(shè)備

　　本次測試選用了我國自主研發(fā)的遠方TRA-200熱阻分析儀，見圖7。TRA-200是專門用于熱阻分析的設(shè)備，其可實現(xiàn)在1微秒內(nèi)對瞬態(tài)溫度的精確測量，且噪聲較低，并具有輻射度測量功能，可記錄升溫、降溫曲線，精確測量LED封裝產(chǎn)品的熱阻、參考熱阻、結(jié)溫、光輻射功率、電壓、電流等參數(shù)。

TRA-200 熱阻分析儀

　　本次測試選用的被測樣本是一個由芯片、金屬外殼和鋁基板構(gòu)成的LED。本文對同一樣本進行了兩次實驗，一次該樣本鋁基板直接與熱沉接觸，另一次在鋁基板與熱沉間涂上了導(dǎo)熱硅脂。對其各自進行熱阻測量，并將結(jié)果進行對比。