熱阻概念與重要性

熱阻是衡量熱量在熱流路徑上所遇阻力的物理量，它反映了介質(zhì)或介質(zhì)間傳熱能力的強弱，具體表現(xiàn)為 1W 熱量引起的溫升大小，單位為℃/W 或 K/W。可以將熱量比作電流，溫差比作電壓，那么熱阻就相當(dāng)于電阻。

在 LED 器件的實際應(yīng)用中，其結(jié)構(gòu)熱阻分布涵蓋了芯片襯底、襯底與 LED 支架的粘結(jié)層、LED 支架、LED 器件外掛散熱體以及自由空間的熱阻，這些熱阻通道呈串聯(lián)關(guān)系。

LED 燈具作為新型節(jié)能燈具，在照明過程中僅有 30 - 40%的電能轉(zhuǎn)化為光，其余均轉(zhuǎn)化為熱能，這就使得 LED 封裝器件的熱阻問題變得至關(guān)重要。

通常情況下，LED 的功率越高，熱效應(yīng)越顯著，由此引發(fā)的一系列問題如芯片高溫紅移、結(jié)溫過高對芯片的永久性破壞、熒光粉層發(fā)光效率降低及加速老化、色溫漂移以及熱應(yīng)力引起的機械失效等，都會直接影響 LED 的發(fā)光效率、波長、正向壓降和使用壽命，散熱問題已然成為 LED 燈具發(fā)展的一大瓶頸。

熱阻測試方法及應(yīng)用

1.封裝器件熱阻測試

測試方法一：在測試熱阻時，封裝產(chǎn)品的散熱路徑一般為芯片 - 固晶層 - 支架或基板 - 焊錫膏 - 輔助測試基板 - 導(dǎo)熱連接材料。通過測試可得出熱阻曲線圖，進而讀出測試產(chǎn)品總熱阻，例如某產(chǎn)品總熱阻為 7.377K/W。該方法需依據(jù)測試樣品結(jié)構(gòu)判定曲線中的熱阻分層，以獲得封裝器件的準(zhǔn)確熱阻，更適合 SMD 封裝器件。通過金鑒的測試服務(wù)，可以幫助客戶優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，提升產(chǎn)品質(zhì)量，確保其在激烈的市場競爭中保持領(lǐng)先地位。

測試方法二：與方法一不同，此方法需進行兩次熱阻測試。第一次測量時，器件直接接觸基板熱沉；第二次測量時，器件與基板熱沉間夾有導(dǎo)熱雙面膠。由于兩次散熱路徑僅在器件封裝殼之外改變，結(jié)構(gòu)函數(shù)上兩次測量的分界處即代表器件的殼，從而可得出器件的精確熱阻，該方法適用于 COB 封裝器件。

利用結(jié)構(gòu)函數(shù)識別器件結(jié)構(gòu)

一般而言，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。

結(jié)構(gòu)函數(shù)上越靠近 y 軸的地方代表接近芯片有源區(qū)的結(jié)構(gòu)，越遠(yuǎn)離 y 軸則代表離有源區(qū)較遠(yuǎn)的結(jié)構(gòu)。

積分結(jié)構(gòu)函數(shù)是熱容 - 熱阻函數(shù)，平坦區(qū)域代表器件內(nèi)部熱阻大、熱容小的結(jié)構(gòu)，陡峭區(qū)域代表熱阻小、熱容大的結(jié)構(gòu)。微分結(jié)構(gòu)函數(shù)中，波峰與波谷的拐點是兩種結(jié)構(gòu)的分界處，便于識別器件內(nèi)部各層結(jié)構(gòu)。

在結(jié)構(gòu)函數(shù)末端，其值趨向于垂直漸近線，此時熱流傳導(dǎo)到空氣層，熱容無窮大，從原點到漸近線之間的 x 值即為結(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。

封裝器件內(nèi)部“缺陷”辨認(rèn)

對比兩個器件的剖面結(jié)構(gòu)，可發(fā)現(xiàn)固晶層存在明顯差異。正常產(chǎn)品固晶層規(guī)整，而有缺陷的產(chǎn)品固晶層則不規(guī)則。固晶層缺陷會導(dǎo)致熱阻增大，影響散熱性能，其影響程度與缺陷大小相關(guān)。

結(jié)構(gòu)無損檢測

對同批次產(chǎn)品，選取固晶層完好、邊緣缺陷以及中間缺陷的樣品進行測試。固晶完好的固晶層應(yīng)為矩形，存在缺陷時則不規(guī)則。

測試結(jié)果顯示，隨著固晶層損傷程度增加，該結(jié)構(gòu)層的熱阻逐漸變大，這是因為空洞阻塞了有效散熱通道。通過測試不僅能定性找出存在缺陷的結(jié)構(gòu)，還能定量得到缺陷引起的熱阻變化量。

老化試驗表征

以一個高溫高濕老化案例為例，觀察同一樣品不同時期的熱阻曲線。老化前后，從芯片后波峰的移動可清晰看出由于老化造成的分層，導(dǎo)致芯片粘結(jié)層熱阻增大。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，進而分析老化機理，從而改善產(chǎn)品散熱性能。

接觸熱阻測量

隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的成熟，熱界面材料的熱性能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和接觸質(zhì)量密切相關(guān)。常見的接觸材料或方式有導(dǎo)熱膠、導(dǎo)熱墊片、螺釘連接和干接觸等。測試發(fā)現(xiàn)，接觸熱阻的大小不僅取決于接觸材料，還與接觸質(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，接觸熱阻也越小。

熱電參數(shù)測試

熱電參數(shù)測試包括電壓溫度變化曲線、光通量溫度變化曲線、光功率溫度變化曲線、色坐標(biāo)溫度變化曲線、色溫溫度變化曲線和效率溫度變化曲線。

例如，某樣品 LED 的電壓隨溫度上升呈線性遞減；光通量也隨溫度上升呈線性遞減；色坐標(biāo)則會往高色溫方向漂移。這些測試結(jié)果有助于全面了解 LED 封裝器件在不同溫度條件下的性能表現(xiàn)，為產(chǎn)品的優(yōu)化和改進提供重要依據(jù)。

總結(jié)

通過上述多種測試方法和手段，能夠全面、深入地評估 LED 封裝器件的熱阻和散熱能力，進而為 LED 產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用提供有力的技術(shù)支持，推動 LED 照明行業(yè)的發(fā)展。