【技術(shù)專區(qū)】LED 封裝器件芯片結(jié)溫測(cè)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(rèn)可。但大家都知道 LED 除了其本職功能——發(fā)光以外，還有一個(gè)不得忽視的重要問(wèn)題，就是 LED 的發(fā)熱。經(jīng)過(guò)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(dá)到 40%～60%，但還有很多能量是通過(guò)熱 的形式散發(fā)出來(lái)。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?lái)，想把多余的熱量斬草除根，但是臣妾做不到啊。

　　本文的主題便是讓大家了解如何進(jìn)行 LED 的熱測(cè)試。

　　首先從封裝上來(lái)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(wú)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(jiǎn)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(lái)源于其芯片，目前認(rèn)為其發(fā)熱原因一是來(lái)自非輻射載子復(fù)合，二是來(lái)自載子復(fù)合產(chǎn)生光子并未能有效地發(fā)射出來(lái)。如果芯片只是固晶在支架上，上面沒(méi)有透鏡或熒光膠覆蓋，這時(shí)候是可以通過(guò)紅外熱像儀來(lái)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(gè)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(lái)測(cè)量。雖 然熱電偶是非常方便的測(cè)溫器，但對(duì)于一個(gè)既是發(fā)光又是發(fā)熱的 LED 芯片，熱電偶會(huì)因?yàn)槲樟斯廨椛涠a(chǎn)生相當(dāng)大的誤差，越靠近發(fā)光面，熱電偶測(cè)得的溫度誤差會(huì)越大。

圖 2 LED 芯片紅外拍攝圖

　　但我們的問(wèn)題是，如果是已經(jīng)封裝好的芯片，我們要怎樣測(cè)出芯片的結(jié)溫呢?上面說(shuō)的紅外熱像儀只能測(cè)物體表面(紅外透過(guò)率強(qiáng)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(shí)呢，LED 因?yàn)槠涠O管的特殊性，其自身就可以做為一個(gè)表征 溫度的傳感器。標(biāo)準(zhǔn) JESD51-1 里面就有說(shuō)到，二極管的端電壓會(huì)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(lái)監(jiān)測(cè)芯片 內(nèi)部 PN 結(jié)的溫度了嗎!事實(shí)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(cè)試實(shí)例

　　下面我們就來(lái)簡(jiǎn)單地介紹一下 JESD51-1 標(biāo)準(zhǔn)里所提及的測(cè)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(gè)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(cè)試實(shí)例。

　　K 系數(shù)的測(cè)量是用很小的測(cè)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(shí)間我們就可以認(rèn)為芯片的實(shí)際溫度等于其所在的環(huán)境溫度。那測(cè)試電流I_sense為什么要用小電流呢?因?yàn)殡娏鞔罅耍娏鲿?huì)引起芯片的發(fā)熱，芯片發(fā)熱后其實(shí)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(cè)試電流I_sense要用小電流。

　　得到這個(gè) 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(duì)應(yīng)關(guān)系，那我們不就可以讀出 LED 正常工作的電壓，來(lái)反推芯片的結(jié)溫了嗎?然而事情并沒(méi)有這么簡(jiǎn) 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(lái)說(shuō)，其正常工作的電流I_drive現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到好幾百毫安，甚至超過(guò) 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(gè)跳變的方法來(lái)測(cè)試呢?

　　比如，把 LED 在工作電流I_drive下點(diǎn)亮一段時(shí)間，認(rèn)為 LED 熱平衡了以后，把工作電流突然跳變到測(cè)試電流I_sense，只要電流跳變的時(shí)間足夠快，只要采集電壓的速度能跟得上， 而且測(cè)試精度還杠杠的，那我們就可以測(cè)出跳變成測(cè)試電流后的瞬間的電壓V₁。為了能把 K 系數(shù)用上，我們?cè)僮?LED 在測(cè)試電流下工作直到與環(huán)境溫度熱平衡，這時(shí)候再測(cè)得一個(gè)電壓值V₂。由于這兩個(gè)電壓值都是用I_sense測(cè)得的，那這兩個(gè)電壓就可以用 K 系數(shù)來(lái)對(duì)應(yīng)溫度， 用這兩個(gè)電壓值的變化值△V除以 K 值就能得到一個(gè)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(gè)溫度變化值?T其實(shí)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?yàn)椴杉臅r(shí)間足夠短，短得可以認(rèn)為熱還沒(méi)有時(shí)間馬上散掉，測(cè)得的第一個(gè)電壓值對(duì)應(yīng)的溫度可以認(rèn)為是 LED 在工作電流下對(duì)應(yīng)的溫 度值。JESD51-1 標(biāo)準(zhǔn)里面介紹的就是這個(gè)方法，里面有嚴(yán)格的證明，筆者在這里只是簡(jiǎn)單的描述這個(gè)測(cè)試方法。

　　問(wèn)題來(lái)了，既然有這種先進(jìn)的測(cè)試方法，那有設(shè)備能滿足這個(gè)高速開關(guān)和高精度的要求嗎? 當(dāng)然有，JEDEC 委員會(huì)中這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的制定者就專門做了一套完全符合這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試設(shè)備，那就是業(yè)界聞名的 T3Ster（ 熱瞬態(tài)測(cè)試儀 Thermal Transient Tester)，無(wú)論是二極管、三極管、場(chǎng)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(jìn)行測(cè)量。而且經(jīng)數(shù)學(xué)運(yùn)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(lái)，找出散熱瓶頸。

　　附注：由 JEDEC 發(fā)布的 JESD51 系列標(biāo)準(zhǔn)里有詳細(xì)規(guī)定及定義如何測(cè)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(huì)，是微電子產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)。JEDEC 的主要功能包括術(shù)語(yǔ)、定義、產(chǎn)品特征描述 與操作、測(cè)試方法、產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性等等的確定與標(biāo)準(zhǔn)化。JEDEC 委員會(huì)在廣泛的技術(shù) 領(lǐng)域領(lǐng)導(dǎo)著產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定，包括同其他組織聯(lián)合制定標(biāo)準(zhǔn)。熱測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)在全球范圍內(nèi)都沒(méi)有比 JESD51 系列更規(guī)范更標(biāo)準(zhǔn)了，所以這系列的熱測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)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(cè)試是否精確發(fā)愁嗎?您還在為您設(shè)計(jì)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(wèn)題。

　　本中心擁有 T3Ster 熱瞬態(tài)測(cè)試儀并且配備有 300V/10A 的高壓模塊，能滿足所有 LED 的熱測(cè)試需求。除此之外，本中心還配有美國(guó)品牌高精度的紅外熱像儀、導(dǎo)熱材料的熱導(dǎo)率測(cè)試儀以及熱仿真軟件。齊全的設(shè)備加上強(qiáng)大的熱管理設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能幫您提供完整方案，解決熱設(shè)計(jì)上的各種困難。