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LED解決方案
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LED封裝器件的熱阻測試評估 發布時間:2016-03-01 08:39:27

熱阻即熱量在熱流路徑上遇到的阻力,反映介質或介質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,如果熱量相當于電流,溫差相當于電壓,則熱阻相當于電阻。通常,LED器件在應用中,結構熱阻分布為芯片襯底、襯底與LED支架的粘結層、LED支架、LED器件外掛散熱體及自由空間的熱阻,熱阻通道成串聯關系。


LED燈具作為新型節能燈具在照明過程中只是將30-40%的電能轉換成光,其余的全部變成了熱能,熱能的存在促使我們金鑒必須要關注LED封裝器件的熱阻。一般,LED的功率越高,LED熱效應越明顯,因熱效應而導致的問題也突顯出來,例如,芯片高溫的紅移現象;結溫過高對芯片的永久性破壞;熒光粉層的發光效率降低及加速老化;色溫漂移現象;熱應力引起的機械失效等。這些都直接影響了LED的發光效率、波長、正向壓降以及使用壽命。LED散熱已經成為燈具發展的巨大瓶頸。


為了幫助客戶了解產品,克服行業瓶頸,評估LED封裝器件的散熱水平,金鑒LED品質實驗室專門推出“LED封裝器件的熱阻測試及散熱能力評估”的業務。


服務客戶:LED封裝廠、LED燈具廠、LED芯片廠、器件代理商


服務內容:

1.封裝器件熱阻測試

2.封裝器件內部“缺陷”辨認

3.結構無損檢測

4.老化試驗表征手段

5.接觸熱阻測試

6.熱電參數測試

包括:(1)電壓溫度變化曲線;(2)光通量溫度變化曲線;(3)光功率溫度變化曲線;(4)色坐標溫度變化曲線;(5)色溫溫度變化曲線;(6)效率溫度變化曲線。

 

金鑒實驗室應用舉例

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-導熱連接材料。

LED側面結構及散熱路徑

側面結構及散熱路徑


金鑒實驗室根據測試,可以得出如下述的熱阻曲線圖,可讀出測試產品總熱阻(整個散熱路徑)為7.377K/W。該方法測試出的熱阻需根據測試樣品的結構,判定曲線中的熱阻分層,獲得封裝器件的準確熱阻。該方法更適合SMD封裝器件。

熱阻曲線圖

熱阻曲線圖


(2)測試方法二:

與方法一不同,該方法需經過兩次熱阻測試,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熱雙面膠。由于兩次散熱路徑的改變僅僅發生在器件封裝殼之外,因此結構函數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。


精準測試例子

多次測試的熱阻曲線對比圖


(3)利用結構函數識別器件的結構

常規的,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,而固晶層和導熱連接材料的熱阻和熱容相對較大。


如下面結構函數顯示,結構函數上越靠近 y 軸的地方代表著實際熱流傳導路徑上接近芯片有源區的結構,而越遠離 y 軸的地方代表著熱流傳導路徑上離有源區較遠的結構。積分結構函數是熱容—熱阻函數,曲線上平坦的區域代表器件內部熱阻大、熱容小的結構,陡峭的區域代表器件內部熱阻小、熱容大的結構。微分結構函數中,波峰與波谷的拐點就是兩種結構的分界處,便于識別器件內部的各層結構。在結構函數的末端,其值趨向于一條垂直的漸近線,此時代表熱流傳導到了空氣層,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 值就是結區到空氣環境的熱阻,也就是穩態情況下的熱阻。

結構函數解釋

熱阻曲線的兩種結構函數


2.封裝器件內部的“缺陷”

固晶層缺陷展示

固晶層內部缺陷展示


對比上面兩個器件的剖面結構,固晶層可見明顯差異。如下圖,左邊為正常產品,右邊為固晶層有缺陷的產品。

固晶層缺陷熱阻漂移

固晶層缺陷引發的熱阻變大


根據上圖顯示,固晶層缺陷會造成的熱阻增大,影響散熱性能,具體的影響程度與缺陷的大小有關。

 

3.結構無損檢測

同批次產品,取固晶層完好、邊緣缺陷以及中間缺陷的樣品測試。固晶完好的固晶層應為矩形,而邊緣和中間存在缺陷,則固晶層不規則,下圖兩種缺陷的圖片。


固晶缺陷

固晶缺陷示意圖


測試出三條熱阻曲線。由于三次測試的芯片是一樣的,因此在結構函數中表征芯片部分的曲線是完全重合在一起的。隨著固晶層損傷程度的增加,該結構層的熱阻逐漸變大。這是由于空洞阻塞了有效的散熱通道造成的。


固晶缺陷熱阻值對比

固晶缺陷熱阻值對比


金鑒根據測試結果,不僅可以定性地找出存在缺陷的結構,而且還能定量得到缺陷引起的熱阻的變化量。

 

4.老化試驗表征手段

下圖為一個高溫高濕老化案例中同一樣品不同時期的熱阻曲線。

老化波峰漂移

老化后的熱阻漂移現象


老化前后,從芯片后波峰的移動可以清晰地看出由于老化造成的分層,導致了芯片粘結層的熱阻增大。對樣品不同階段的熱阻測試,可得到每層結構的熱阻變化,根據變化分析老化機理,從而改善產品散熱性能。

 

5.接觸熱阻的測量

隨著半導體制造技術的不斷成熟,熱界面材料的熱性能已經成為制約高性能封裝產品的瓶頸。接觸熱阻的大小與材料、接觸質量是息息相關的。常規的接觸材料或方式有:(1)導熱膠;(2)導熱墊片;(3)螺釘連接;(4)干接觸。下圖為對于接觸熱阻的一次專門測試。

不同接觸方式的熱阻

不同接觸方式的熱阻


由上圖金鑒發現,接觸熱阻的大小不僅與接觸材料有關,還與接觸的質量有關。接觸材料的導熱系數越大,接觸熱阻越小。接觸質量越好,接觸熱阻越小。


6.熱電參數特性舉例


電壓溫度曲線

電壓溫度曲線


由上圖可見,隨著溫度的上升,該樣品LED的電壓呈線性遞減。


光通量溫度曲線

光通量溫度曲線


由上圖可見,隨著溫度的上升,該樣品LED的光通量呈線性遞減。


色坐標漂移曲線

色坐標漂移曲線


由上圖可知,隨著溫度的上升,該樣品LED的色坐標會往高色溫方向漂移。





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