深度解析LED灯具发展的巨大瓶颈——热阻

    热阻即热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能力的大小，表明了1W热量所引起的温升大小，单位为℃/W或K/W。可以用一个类比来解释，如果热量相当于电流，温差相当于电压，则热阻相当于电阻。通常，LED器件在应用中，结构热阻分布为芯片衬底、衬底与LED支架的粘结层、LED支架、LED器件外挂散热体及自由空间的热阻，热阻通道成串联关系。

    LED灯具作为新型节能灯具在照明过程中只是将30-40%的电能转换成光，其余的全部变成了热能，热能的存在促使我们百分百照明必须要关注LED封装器件的热阻。一般，LED的功率越高，LED热效应越明显，因热效应而导致的问题也突显出来，例如，芯片高温的红移现象；结温过高对芯片的永久性破坏；荧光粉层的发光效率降低及加速老化；色温漂移现象；热应力引起的机械失效等。这些都直接影响了LED的发光效率、波长、正向压降以及使用寿命。LED散热已经成为灯具发展的巨大瓶颈。

热阻测试内容：

1．封装器件热阻测试

2．封装器件内部“缺陷”辨认

3．结构无损检测

4．老化试验表征手段

5．接触热阻测试

6．热电参数测试

包括：（1）电压温度变化曲线；（2）光通量温度变化曲线；（3）光功率温度变化曲线；（4）色坐标温度变化曲线；（5）色温温度变化曲线；（6）效率温度变化曲线。

检测应用举例

1．封装器件热阻测试

（1）测试方法一：

测试热阻的过程中，封装产品一般的散热路径为芯片-固晶层-支架或基板-焊锡膏-辅助测试基板-导热连接材料。

    侧面结构及散热路径

百分百照明检测根据测试，可以得出如下述的热阻曲线图，可读出测试产品总热阻（整个散热路径）为7.377K/W。该方法测试出的热阻需根据测试样品的结构，判定曲线中的热阻分层，获得封装器件的准确热阻。该方法更适合SMD封装器件。

（2）测试方法二：

与方法一不同，该方法需经过两次热阻测试，对比得出的热阻，可精确到器件基板外壳，无附带测试基板数值。

两次测试的分别：第一次测量，器件直接接触到基板热沉上；第二次测量，器件和基板热沉中间夹着导热双面胶。由于两次散热路径的改变仅仅发生在器件封装壳之外，因此结构函数上两次测量的分界处就代表了器件的壳。如下图所示的曲线变化，可得出器件的精确热阻。该方法适合COB封装器件。

                                     多次测试的热阻曲线对比图

（3）利用结构函数识别器件的结构

   常规的，芯片、支架或基板、测试辅助基板或冷板这三层的热阻和热容相对较小，而固晶层和导热连接材料的热阻和热容相对较大。

   如下面结构函数显示，结构函数上越靠近 y 轴的地方代表着实际热流传导路径上接近芯片有源区的结构，而越远离 y 轴的地方代表着热流传导路径上离有源区较远的结构。积分结构函数是热容—热阻函数，曲线上平坦的区域代表器件内部热阻大、热容小的结构，陡峭的区域代表器件内部热阻小、热容大的结构。微分结构函数中，波峰与波谷的拐点就是两种结构的分界处，便于识别器件内部的各层结构。在结构函数的末端，其值趋向于一条垂直的渐近线，此时代表热流传导到了空气层，由于空气的体积无穷大，因此热容也就无穷大。从原点到这条渐近线之间的 x 值就是结区到空气环境的热阻，也就是稳态情况下的热阻。

                                    热阻曲线的两种结构函数

2．封装器件内部的“缺陷”

                                 固晶层内部缺陷展示

对比上面两个器件的剖面结构，固晶层可见明显差异。如下图，左边为正常产品，右边为固晶层有缺陷的产品。

                                固晶层缺陷引发的热阻变大

根据上图显示，固晶层缺陷会造成的热阻增大，影响散热性能，具体的影响程度与缺陷的大小有关。

3．结构无损检测

  同批次产品，取固晶层完好、边缘缺陷以及中间缺陷的样品测试。固晶完好的固晶层应为矩形，而边缘和中间存在缺陷，则固晶层不规则，下图两种缺陷的图片。

  测试出三条热阻曲线。由于三次测试的芯片是一样的，因此在结构函数中表征芯片部分的曲线是完全重合在一起的。随着固晶层损伤程度的增加，该结构层的热阻逐渐变大。这是由于空洞阻塞了有效的散热通道造成的。

  百分百检测根据测试结果，不仅可以定性地找出存在缺陷的结构，而且还能定量得到缺陷引起的热阻的变化量。

4．老化试验表征手段

  下图为一个高温高湿老化案例中同一样品不同时期的热阻曲线。

                                      老化后的热阻漂移现象

  老化前后，从芯片后波峰的移动可以清晰地看出由于老化造成的分层，导致了芯片粘结层的热阻增大。对样品不同阶段的热阻测试，可得到每层结构的热阻变化，根据变化分析老化机理，从而改善产品散热性能。

5．接触热阻的测量

  随着半导体制造技术的不断成熟，热界面材料的热性能已经成为制约高性能封装产品的瓶颈。接触热阻的大小与材料、接触质量是息息相关的。常规的接触材料或方式有：(1)导热胶；(2)导热垫片；(3)螺钉连接；(4)干接触。下图为对于接触热阻的一次专门测试。

                                      不同接触方式的热阻

  由上图百分百照明发现，接触热阻的大小不仅与接触材料有关，还与接触的质量有关。接触材料的导热系数越大，接触热阻越小。接触质量越好，接触热阻越小。

6．热电参数特性经验总结：

随着温度的上升，该样品LED的电压呈线性递减。

随着温度的上升，该样品LED的光通量呈线性递减。

随着温度的上升，该样品LED的色坐标会往高色温方向漂移。