解析LED熱阻結構測量與分析技術(shù)進(jìn)展

LED產(chǎn)品的熱性能對于LED產(chǎn)品的光色電性能和可靠性、使用壽命影響很大，因此其熱管理設計和測量十分重要。與傳統的測量整個(gè)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(jià)LED產(chǎn)品的熱性能，并可準確找出熱管理中的薄弱環(huán)節，對產(chǎn)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(shù)進(jìn)展，并采用我國自主研發(fā)的熱阻測量設備對實(shí)際樣本進(jìn)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(cháng)，應用靈活、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應用于照明領(lǐng)域。然而LED所消耗的電能中，多數轉化成了熱能，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(guān)鍵技術(shù)環(huán)節。

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

　　2. 熱阻基本原理

　　LED的散熱通過(guò)三種方式進(jìn)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(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(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，直至達到熱平衡，此時(shí)的熱阻通常所稱(chēng)的“穩態(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(shí)間變化，該熱阻稱(chēng)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

　　3.1 熱阻結構測量的必要性

　　理論上說(shuō)，當我們確定了一個(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(xiàn)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)法準確了解一個(gè)實(shí)際產(chǎn)品內部的熱管理情形。要更準確地描述實(shí)際產(chǎn)品的熱管理，就必須進(jìn)行熱阻結構測量。

　　如圖2和圖3所示，通常的熱阻測量?jì)H能給出器件整體的熱阻值，并不能反映出內部熱量分布關(guān)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(shí)際設計或工藝改進(jìn)具有重要的指導作用。