【深度解析】LED照明發(fā)展的巨大瓶頸:熱阻技術(shù)檢測
2015-07-28 11:25:50 來源:LED品質(zhì)實驗室
熱阻即熱量在熱流路徑上遇到的阻力,反映介質(zhì)或介質(zhì)間的傳熱能力的大小,表明了1W熱量所引起的溫升大小,單位為℃/W或K/W??梢杂靡粋€類比來解釋,如果熱量相當(dāng)于電流,溫差相當(dāng)于電壓,則熱阻相當(dāng)于電阻。通常,LED器件在應(yīng)用中,結(jié)構(gòu)熱阻分布為芯片襯底、襯底與LED支架的粘結(jié)層、LED支架、LED器件外掛散熱體及自由空間的熱阻,熱阻通道成串聯(lián)關(guān)系。
LED燈具作為新型節(jié)能燈具在照明過程中只是將30-40%的電能轉(zhuǎn)換成光,其余的全部變成了熱能,熱能的存在促使我們必須要關(guān)注LED封裝器件的熱阻。一般,LED的功率越高,LED熱效應(yīng)越明顯,因熱效應(yīng)而導(dǎo)致的問題也突顯出來,例如,芯片高溫的紅移現(xiàn)象;結(jié)溫過高對芯片的永久性破壞;熒光粉層的發(fā)光效率降低及加速老化;色溫漂移現(xiàn)象;熱應(yīng)力引起的機械失效等。這些都直接影響了LED的發(fā)光效率、波長、正向壓降以及使用壽命。LED散熱已經(jīng)成為燈具發(fā)展的巨大瓶頸。
應(yīng)如何評估LED封裝器件的散熱水平?
應(yīng)用舉例
1.封裝器件熱阻測試
(1)測試方法一:
測試熱阻的過程中,封裝產(chǎn)品一般的散熱路徑為芯片-固晶層-支架或基板-焊錫膏-輔助測試基板-導(dǎo)熱連接材料。
側(cè)面結(jié)構(gòu)及散熱路徑
根據(jù)測試,可以得出如下述的熱阻曲線圖,可讀出測試產(chǎn)品總熱阻(整個散熱路徑)為7.377K/W。該方法測試出的熱阻需根據(jù)測試樣品的結(jié)構(gòu),判定曲線中的熱阻分層,獲得封裝器件的準(zhǔn)確熱阻。該方法更適合SMD封裝器件。
熱阻曲線圖
(2)測試方法二:
與方法一不同,該方法需經(jīng)過兩次熱阻測試,對比得出的熱阻,可精確到器件基板外殼,無附帶測試基板數(shù)值。
兩次測試的分別:第一次測量,器件直接接觸到基板熱沉上;第二次測量,器件和基板熱沉中間夾著導(dǎo)熱雙面膠。由于兩次散熱路徑的改變僅僅發(fā)生在器件封裝殼之外,因此結(jié)構(gòu)函數(shù)上兩次測量的分界處就代表了器件的殼。如下圖所示的曲線變化,可得出器件的精確熱阻。該方法適合COB封裝器件。
多次測試的熱阻曲線對比圖
(3)利用結(jié)構(gòu)函數(shù)識別器件的結(jié)構(gòu)
常規(guī)的,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。
如下面結(jié)構(gòu)函數(shù)顯示,結(jié)構(gòu)函數(shù)上越靠近 y 軸的地方代表著實際熱流傳導(dǎo)路徑上接近芯片有源區(qū)的結(jié)構(gòu),而越遠離 y 軸的地方代表著熱流傳導(dǎo)路徑上離有源區(qū)較遠的結(jié)構(gòu)。積分結(jié)構(gòu)函數(shù)是熱容—熱阻函數(shù),曲線上平坦的區(qū)域代表器件內(nèi)部熱阻大、熱容小的結(jié)構(gòu),陡峭的區(qū)域代表器件內(nèi)部熱阻小、熱容大的結(jié)構(gòu)。微分結(jié)構(gòu)函數(shù)中,波峰與波谷的拐點就是兩種結(jié)構(gòu)的分界處,便于識別器件內(nèi)部的各層結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)函數(shù)的末端,其值趨向于一條垂直的漸近線,此時代表熱流傳導(dǎo)到了空氣層,由于空氣的體積無窮大,因此熱容也就無窮大。從原點到這條漸近線之間的 x 值就是結(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。
熱阻曲線的兩種結(jié)構(gòu)函數(shù)
2.封裝器件內(nèi)部的缺陷
固晶層內(nèi)部缺陷展示
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