1. 概述：

 LED固體光源具有效率高、壽命長(zhǎng)，應(yīng)用靈活、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于照明領(lǐng)域。然而LED所消耗的電能中，多數(shù)轉(zhuǎn)化成了熱能，使芯片溫度明顯升高，而溫度對(duì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。

 常用的LED熱管理分析技術(shù)包括使用熱設(shè)計(jì)軟件仿真和使用熱阻分析設(shè)備進(jìn)行測(cè)量。前者通常用于LED的熱管理設(shè)計(jì);而后者著重于對(duì)實(shí)際樣品的熱阻測(cè)量和分析，以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)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(dǎo)二次設(shè)計(jì)。

 2. 熱阻基本原理

 LED的散熱通過(guò)三種方式進(jìn)行：熱傳導(dǎo)，對(duì)流，熱輻射。在LED內(nèi)部，熱傳導(dǎo)是主要的散熱途徑，其熱傳導(dǎo)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(duì)應(yīng)，電勢(shì)與溫度相對(duì)應(yīng)，則熱阻與電阻相對(duì)應(yīng)，熱容與電容相對(duì)應(yīng)。對(duì)于任意的導(dǎo)熱介質(zhì)元，可以簡(jiǎn)化為一個(gè)R-C并聯(lián)回路：

 當(dāng)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(dá)到熱平衡，此時(shí)的熱阻通常所稱的“穩(wěn)態(tài)熱阻”。而在器件達(dá)到熱平衡之前，受熱容和熱阻共同影響，器件的結(jié)溫不斷變化，對(duì)應(yīng)熱阻也隨時(shí)間變化，該熱阻稱為“瞬態(tài)熱阻”。對(duì)瞬態(tài)熱阻的測(cè)量是熱阻結(jié)構(gòu)測(cè)量的基礎(chǔ)。

 3. 熱阻測(cè)量和熱阻結(jié)構(gòu)函數(shù)

 3.1 熱阻結(jié)構(gòu)測(cè)量的必要性

 理論上說(shuō)，當(dāng)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(zhǔn)確了解一個(gè)實(shí)際產(chǎn)品內(nèi)部的熱管理情形。要更準(zhǔn)確地描述實(shí)際產(chǎn)品的熱管理，就必須進(jìn)行熱阻結(jié)構(gòu)測(cè)量。

 如圖2和圖3所示，通常的熱阻測(cè)量?jī)H能給出器件整體的熱阻值，并不能反映出內(nèi)部熱量分布關(guān)系，而熱阻結(jié)構(gòu)測(cè)量卻可以給出器件內(nèi)部的分層熱阻信息，對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)或工藝改進(jìn)具有重要的指導(dǎo)作用。

 3.2 熱阻結(jié)構(gòu)測(cè)量技術(shù)

 熱阻測(cè)量中，獲取熱阻結(jié)構(gòu)特征的第一步為測(cè)量瞬態(tài)熱阻曲線，即結(jié)溫變化曲線，如圖4所示。

 不難看出，溫度變化的信息主要包含在測(cè)試初期很短的時(shí)間內(nèi)。要很好地分辨出LED芯片這樣的微小結(jié)構(gòu)，需要能夠在微秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)對(duì)結(jié)溫采樣測(cè)量;同時(shí)，由于測(cè)量分析對(duì)噪聲相當(dāng)敏感，確定的邊界條件和穩(wěn)定的供電電源也至關(guān)重要，也即，測(cè)試設(shè)備必須實(shí)現(xiàn)MHz級(jí)的高精度測(cè)量采樣，才能滿足LED熱阻結(jié)構(gòu)分析的需求，這是具有相當(dāng)挑戰(zhàn)性的。

 另外，LED消耗的電功率一般轉(zhuǎn)化成熱功率和光輻射功率兩部分，而根據(jù)定義，熱阻是熱傳導(dǎo)路徑上溫度差與熱功率的比值，而要準(zhǔn)確獲取熱功率，就必須對(duì)LED進(jìn)行光輻射度測(cè)量，而實(shí)際上，現(xiàn)有的一些熱阻測(cè)量系統(tǒng)并沒(méi)有考慮提出光輻射功率，它們測(cè)量的只能稱為“參考熱阻”【4】。

 3.3 熱阻結(jié)構(gòu)函數(shù)分析

 熱阻結(jié)構(gòu)函數(shù)分析是獲取LED熱阻結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，同時(shí)也是難點(diǎn)所在。

 現(xiàn)實(shí)中我們很難得到連續(xù)的熱阻結(jié)構(gòu)函數(shù)，而是通常采用有限元分析法，將熱傳導(dǎo)路徑分解成有限個(gè)單元，計(jì)算各個(gè)單元的熱容和熱阻，以獲取熱阻結(jié)構(gòu)函數(shù)的離散形式。基本原理中我們已經(jīng)提到，可以用電路的形式來(lái)描述熱傳導(dǎo)介質(zhì)，使分析過(guò)程更為直觀。對(duì)一維熱傳導(dǎo)介質(zhì)的有限元模型可以R-C電路的形式表示為Cauer模型回路，見(jiàn)圖5。

 該模型描述了熱流從PN結(jié)至熱沉過(guò)程中，依次經(jīng)過(guò)的各個(gè)單元所具有的熱容和熱阻。分析時(shí)采用的Cauer模型的單元越多，對(duì)介質(zhì)的描述越細(xì)致，與實(shí)際情形也越接近。

 熱阻結(jié)構(gòu)函數(shù)描述的是熱傳導(dǎo)路徑上介質(zhì)的熱容與熱阻間的關(guān)系，可分為微分結(jié)構(gòu)函數(shù)和積分結(jié)構(gòu)函數(shù)兩種。圖6即為積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線的示例。積分結(jié)構(gòu)函數(shù)的橫坐標(biāo)值代表從熱傳導(dǎo)出發(fā)點(diǎn)至當(dāng)前點(diǎn)的累積熱阻值，縱坐標(biāo)代表從熱傳導(dǎo)出發(fā)點(diǎn)至當(dāng)前點(diǎn)的總熱容值。微分結(jié)構(gòu)函數(shù)則是積分結(jié)構(gòu)函數(shù)關(guān)于橫坐標(biāo)求導(dǎo)后的結(jié)果，類似于“熱容密度”函數(shù)。在獲取離散形式熱阻結(jié)構(gòu)函數(shù)的過(guò)程中，由于計(jì)算過(guò)程中涉及了大量卷積，反卷積，以及多次如傅里葉變換等數(shù)學(xué)處理過(guò)程，隨著Cauer模型單元數(shù)的增加，對(duì)測(cè)量精度，速度的要求以及計(jì)算量都將急劇上升。

 4. 應(yīng)用實(shí)例

 4.1 測(cè)試設(shè)備

 本次測(cè)試選用了我國(guó)自主研發(fā)的遠(yuǎn)方TRA-200熱阻分析儀，見(jiàn)圖7。TRA-200是專門(mén)用于熱阻分析的設(shè)備，其可實(shí)現(xiàn)在1微秒內(nèi)對(duì)瞬態(tài)溫度的精確測(cè)量，且噪聲較低，并具有輻射度測(cè)量功能，可記錄升溫、降溫曲線，精確測(cè)量LED封裝產(chǎn)品的熱阻、參考熱阻、結(jié)溫、光輻射功率、電壓、電流等參數(shù)。

 本次測(cè)試選用的被測(cè)樣本是一個(gè)由芯片、金屬外殼和鋁基板構(gòu)成的LED。本文對(duì)同一樣本進(jìn)行了兩次實(shí)驗(yàn)，一次該樣本鋁基板直接與熱沉接觸，另一次在鋁基板與熱沉間涂上了導(dǎo)熱硅脂。對(duì)其各自進(jìn)行熱阻測(cè)量，并將結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

 4.2 測(cè)試

 進(jìn)行兩次實(shí)驗(yàn)，均對(duì)被測(cè)樣本施加1050.4mA電流，等待其結(jié)溫升至熱平衡狀態(tài)。為保證達(dá)到熱平衡，兩次實(shí)驗(yàn)加熱時(shí)間均達(dá)到了約117秒。如圖8直接接觸熱沉的樣本熱平衡時(shí)溫度為81.76度;在熱沉與鋁基板間加導(dǎo)熱硅脂的樣本溫度為78.52度。

 上圖中的采樣時(shí)間為呈對(duì)數(shù)分布，采樣間隔在初期為1微秒，后期隨溫度變化逐漸緩和，采樣間隔也相應(yīng)加長(zhǎng)。可以看出，在鋁基板和溫控?zé)岢灵g加入導(dǎo)熱硅脂后，在同樣的電流下，達(dá)到熱平衡時(shí)結(jié)溫的溫度低于鋁基板與熱沉直接接觸的情況。這說(shuō)明此時(shí)LED的散熱更好，根據(jù)熱阻的定義式，此時(shí)的穩(wěn)態(tài)熱阻也更小。

 圖中從左至右表示從芯片的PN結(jié)出發(fā)至熱沉的熱流傳導(dǎo)路徑所經(jīng)過(guò)的導(dǎo)熱介質(zhì)。圖10中峰值區(qū)域?qū)?yīng)LED的主要組成器件。兩次實(shí)驗(yàn)曲線最右段出現(xiàn)了明顯的分離，可以看出樣本鋁基板與熱沉間涂抹導(dǎo)熱硅脂后，接觸熱阻明顯減小，這是因?yàn)橥可蠈?dǎo)熱硅脂后的導(dǎo)熱能力要強(qiáng)于直接接觸。測(cè)得的熱阻結(jié)構(gòu)函數(shù)很好地體現(xiàn)了這一點(diǎn)。

 對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明，熱阻結(jié)構(gòu)函數(shù)測(cè)量技術(shù)能夠很好得給出LED內(nèi)部的熱管理信息。

 5. 總結(jié)

 本文介紹了熱傳導(dǎo)分析的基本原理和常用方法，以及熱阻結(jié)構(gòu)測(cè)量和熱阻結(jié)構(gòu)函數(shù)。熱阻結(jié)構(gòu)測(cè)量技術(shù)可以體現(xiàn)LED內(nèi)部熱阻分布，即熱阻結(jié)構(gòu)函數(shù)。通過(guò)將熱阻結(jié)構(gòu)函數(shù)應(yīng)用于LED熱管理分析，可以了解實(shí)際樣品內(nèi)部各個(gè)器件的熱阻大小以及它們相互間接觸熱阻的大小，從而對(duì)于下一步設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供指導(dǎo)。本文采用我國(guó)自主研發(fā)的熱阻分析系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，所測(cè)得的熱阻結(jié)構(gòu)函數(shù)準(zhǔn)確清晰地體現(xiàn)了真實(shí)物理信息，可以給設(shè)計(jì)者提供參考。熱阻結(jié)構(gòu)測(cè)量技術(shù)對(duì)于LED熱性能的設(shè)計(jì)和檢測(cè)均十分重要。

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