【技術(shù)專區(qū)】LED 封裝器件芯片結(jié)溫測試淺述（上）

　　目前，LED 正以其優(yōu)異的電光轉(zhuǎn)換效率及光效得到業(yè)界的充分認可。但大家都知道 LED 除了其本職功能——發(fā)光以外，還有一個不得忽視的重要問題，就是 LED 的發(fā)熱。經(jīng)過這十 幾年的發(fā)展，雖然現(xiàn)在 LED 的電光轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達到 40%～60%，但還有很多能量是通過熱 的形式散發(fā)出來。盡管人們都一廂情愿地希望某光源能夠直接把電能全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽茌椛涑鰜?，想把多余的熱量斬草除根，但是臣妾做不到啊?/p>

　　本文的主題便是讓大家了解如何進行 LED 的熱測試。

　　首先從封裝上來看，目前 LED 的發(fā)展模式與電子封裝的發(fā)展一脈相承，其區(qū)別無非是把 功能性的電子芯片換成了能發(fā)光的 LED 芯片，以及把不透光的封裝塑料換成了硅膠或環(huán)氧樹 脂等透光材料。因此可以發(fā)現(xiàn)，承襲這封裝套路的 LED 熱傳導(dǎo)路徑也與大部分的貼片式電子 元件相一致，可以簡化地看成是從芯片到基板的一維散熱路徑。

圖 1 LED 一維熱傳導(dǎo)路徑

　　LED 的發(fā)熱主要是來源于其芯片，目前認為其發(fā)熱原因一是來自非輻射載子復(fù)合，二是來自載子復(fù)合產(chǎn)生光子并未能有效地發(fā)射出來。如果芯片只是固晶在支架上，上面沒有透鏡或熒光膠覆蓋，這時候是可以通過紅外熱像儀來觀察芯片表面溫度的。一般這種情況可用紅 外拍攝得到的這個芯片表面溫度。特別要注意，發(fā)光面的表面溫度不能用熱電偶來測量。雖 然熱電偶是非常方便的測溫器，但對于一個既是發(fā)光又是發(fā)熱的 LED 芯片，熱電偶會因為吸收了光輻射而產(chǎn)生相當大的誤差，越靠近發(fā)光面，熱電偶測得的溫度誤差會越大。

圖 2 LED 芯片紅外拍攝圖

　　但我們的問題是，如果是已經(jīng)封裝好的芯片，我們要怎樣測出芯片的結(jié)溫呢?上面說的紅外熱像儀只能測物體表面(紅外透過率強的材料除外)的溫度，并不能拍攝到被透鏡或熒 光膠覆蓋下的芯片結(jié)溫。其實呢，LED 因為其二極管的特殊性，其自身就可以做為一個表征 溫度的傳感器。標準 JESD51-1 里面就有說到，二極管的端電壓會隨 PN 結(jié)的溫度變化而變化， 而且端電壓與結(jié)溫是非常接近線性的變化!既然是這樣，那我們不就可以用電壓來監(jiān)測芯片 內(nèi)部 PN 結(jié)的溫度了嗎!事實上 JESD51-1 就是介紹這種可行而且是精確的方法。

圖 3 K 系數(shù)測試實例

　　下面我們就來簡單地介紹一下 JESD51-1 標準里所提及的測試方法。

　　首先，我們把上文提到的電壓—溫度變化曲線的斜率△V/△T 稱為這個半導(dǎo)體芯片的 K 系數(shù)。 每種芯片都有屬于自己的 K 系數(shù)，這是芯片自身的 PN 結(jié)決定的，屬于其本身的特征之一。圖 3 為 K 系數(shù)測試實例。

　　K 系數(shù)的測量是用很小的測試電流I_sense(比如 1 mA)讀取不同環(huán)境溫度下的電壓值， 而且只要給足夠的時間我們就可以認為芯片的實際溫度等于其所在的環(huán)境溫度。那測試電流I_sense為什么要用小電流呢?因為電流大了，電流會引起芯片的發(fā)熱，芯片發(fā)熱后其實際溫度就和環(huán)境溫度有比較大的差別，而環(huán)境溫度是我們可以控制的參變量，因此我們的測試電流I_sense要用小電流。

　　得到這個 K 系數(shù)以后是不是就可以知道結(jié)溫了呢?既然都有了電壓與溫度的對應(yīng)關(guān)系，那我們不就可以讀出 LED 正常工作的電壓，來反推芯片的結(jié)溫了嗎?然而事情并沒有這么簡 單(除非你們家的 LED 是在像 1mA 這樣的小電流下工作的～)。就單芯片的 LED 來說，其正常工作的電流I_drive現(xiàn)在已經(jīng)達到好幾百毫安，甚至超過 1A，我們想知道的是 LED 在這種工 作電流下的結(jié)溫。那該怎么辦呢?既然有了 K 系數(shù)，那我們可不可以用一個跳變的方法來測試呢?

　　比如，把 LED 在工作電流I_drive下點亮一段時間，認為 LED 熱平衡了以后，把工作電流突然跳變到測試電流I_sense，只要電流跳變的時間足夠快，只要采集電壓的速度能跟得上， 而且測試精度還杠杠的，那我們就可以測出跳變成測試電流后的瞬間的電壓V₁。為了能把 K 系數(shù)用上，我們再讓 LED 在測試電流下工作直到與環(huán)境溫度熱平衡，這時候再測得一個電壓值V₂。由于這兩個電壓值都是用I_sense測得的，那這兩個電壓就可以用 K 系數(shù)來對應(yīng)溫度， 用這兩個電壓值的變化值△V除以 K 值就能得到一個溫度的變化值△T。

圖 4 電流瞬變的電壓及溫度的變化特性

　　聰明的讀者可以發(fā)現(xiàn)，這個溫度變化值?T其實就是環(huán)境溫度與結(jié)溫的差值，因此只需要把?T加上環(huán)境溫度就可以得到芯片的結(jié)溫。因為采集的時間足夠短，短得可以認為熱還沒有時間馬上散掉，測得的第一個電壓值對應(yīng)的溫度可以認為是 LED 在工作電流下對應(yīng)的溫 度值。JESD51-1 標準里面介紹的就是這個方法，里面有嚴格的證明，筆者在這里只是簡單的描述這個測試方法。

　　問題來了，既然有這種先進的測試方法，那有設(shè)備能滿足這個高速開關(guān)和高精度的要求嗎? 當然有，JEDEC 委員會中這個標準的制定者就專門做了一套完全符合這個標準的測試設(shè)備，那就是業(yè)界聞名的 T3Ster（ 熱瞬態(tài)測試儀 Thermal Transient Tester)，無論是二極管、三極管、場效應(yīng)管還是 IGBT，這些半導(dǎo)體器件的結(jié)溫和熱阻都可利用 T3ster 進行測量。而且經(jīng)數(shù)學(xué)運算后還可以把熱傳路徑上的每層結(jié)構(gòu)的熱阻解析出來，找出散熱瓶頸。

　　附注：由 JEDEC 發(fā)布的 JESD51 系列標準里有詳細規(guī)定及定義如何測試半導(dǎo)體器件的結(jié)溫， 以及在一維熱傳導(dǎo)路徑下的熱特性(包括熱瞬態(tài)響應(yīng)、熱阻及熱容等)。JEDEC 即固態(tài)技術(shù) 協(xié)會，是微電子產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)標準機構(gòu)。JEDEC 的主要功能包括術(shù)語、定義、產(chǎn)品特征描述 與操作、測試方法、產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性等等的確定與標準化。JEDEC 委員會在廣泛的技術(shù) 領(lǐng)域領(lǐng)導(dǎo)著產(chǎn)業(yè)標準制定，包括同其他組織聯(lián)合制定標準。熱測試的標準在全球范圍內(nèi)都沒有比 JESD51 系列更規(guī)范更標準了，所以這系列的熱測試標準一直是全球半導(dǎo)體封裝的領(lǐng)導(dǎo)者。

　　本文由佛山市香港科技大學(xué) LED-FPD 工程技術(shù)研究開發(fā)中心整理提供。

　　您還在為 LED 封裝器件的熱阻測試是否精確發(fā)愁嗎?您還在為您設(shè)計的燈具的 LED 芯片 的結(jié)溫是多少而不知所措嗎?您還在為更換的新物料的導(dǎo)熱性能是否優(yōu)良而猶豫不決嗎? 那么佛山市香港科技大學(xué) LED-FPD 工程技術(shù)研究開發(fā)中心能為您解決這些問題。

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