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。 @L`jk+Y0vF  
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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金鉴必须要关注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。 lFkR=!?=  
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为了帮助客户了解产品，克服行业瓶颈，评估LED封装器件的散热水平，金鉴检测LED品质实验室专门推出“LED封装器件的热阻测试及散热能力评估”的业务。 HsWk*L `y  
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服务客户：LED封装厂、LED灯具厂、LED芯片厂、器件代理商 i@q&5;%%  
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服务内容： *hrvYil2b  
1．封装器件热阻测试 }qUX=s GG  
2．封装器件内部“缺陷”辨认 Kq!3wb;  
3．结构无损检测 /}$+uBgJm  
4．老化试验表征手段 z{543~Og59  
5．接触热阻测试 xG 1nGO  
6．热电参数测试 zqku e%^?-  
包括：（1）电压温度变化曲线；（2）光通量温度变化曲线；（3）光功率温度变化曲线；（4）色坐标温度变化曲线；（5）色温温度变化曲线；（6）效率温度变化曲线。 Zfw,7am/  
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金鉴检测应用举例 y} '@R$  
1．封装器件热阻测试
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（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。 "tZe>>I  
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侧面结构及散热路径 K}y f>'O  
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金鉴检测根据测试，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。 cNrg#Asen&  
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热阻曲线图 xk5]^yDp  
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（2）测试方法二： ^q&x7Kv%  
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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。 !Cs_F&l"j  
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。 sA~]$A;DM!  
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多次测试的热阻曲线对比图 km(Po}  
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（3）利用结构函数识别器件的结构 B~mj 8l4  
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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。 +|v90ed  

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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。 1 zZlC#V  
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热阻曲线的两种结构函数 hgmCRC  
2．封装器件内部的“缺陷” Xvv6~  
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固晶层内部缺陷展示 |pK!S  
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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。 '91/md5  
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固晶层缺陷引发的热阻变大 0sqFF[i  
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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。 \zY!qpX<  
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3．结构无损检测 7_L;E
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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。 s%S  
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固晶缺陷示意图 do%&m]#;  
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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。 ok[i<zl;'  
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固晶缺陷热阻值对比 d$RIS+V  
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金鉴检测根据测试结果，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。 p?!/+  
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4．老化试验表征手段 UZMd~|  
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。
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老化后的热阻漂移现象 ]'}L 1r  
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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。 .]u/O`c]  
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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。 L#J1b!D&<6  
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不同接触方式的热阻 uYN`:b8  
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由上图金鉴发现，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。 Z~CjA%l  
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6．热电参数特性举例 _U(  
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电压温度曲线 %Zi} MPx  
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由上图可见，随着温度的上升，该样品LED的电压呈线性递减。 #] QZ  
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光通量温度曲线 Tbq;h?D  
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由上图可见，随着温度的上升，该样品LED的光通量呈线性递减。 KPF1cJ2N  
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色坐标漂移曲线 ]esC[r]PJ  
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由上图可知，随着温度的上升，该样品LED的色坐标会往高色温方向漂移。