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

　　上一篇文章我們已經(jīng)簡單地介紹了LED結(jié)溫的熱瞬態(tài)測(cè)試方法，這種方法利用LED本身的熱敏感參數(shù)——電壓變化來反算出溫升，從而得到工作狀態(tài)下的結(jié)溫。那么我們除了測(cè)試的方法還有沒有其他方法可以知道器件工作時(shí)候的結(jié)溫呢?業(yè)界老手肯定都知道，結(jié)溫其實(shí)是可以算出來的!

　　不過在算之前我們必須要知道器件的熱阻值(一般器件的規(guī)格書上都有熱阻值)，然后在器件工作狀態(tài)下用熱電偶測(cè)量引腳溫度或殼溫來算出結(jié)溫。那么熱阻是什么玩意呢，結(jié)溫又是如何利用熱阻和殼溫計(jì)算得到呢?下面就為大家一一講解。

　　1. 什么是熱阻?

　　首先，為了讓大家更容易理解，我們可以借用電學(xué)的概念，熱阻的概念呢，就是通過類比電阻的概念而引伸出來的，兩者性質(zhì)的相似度非常高。電阻是指阻礙電流傳導(dǎo)的物理量，那對(duì)應(yīng)地，熱阻就是阻礙熱流傳導(dǎo)的物理量，同樣條件下熱阻越大，熱流就越不容易通過。

　　假如一個(gè)熱源上連接有幾個(gè)熱阻值不相等的導(dǎo)熱路徑，那么熱流的大小分布就像電流流過不同電阻時(shí)的分布一樣，如圖1所示。

圖1 電流(熱流)分布圖

　　也就是說，如果在兩個(gè)等溫點(diǎn)之間存在幾個(gè)導(dǎo)熱路徑，其中有一個(gè)路徑的熱阻值非常大，而另一個(gè)路徑上的熱阻值非常小，那熱量幾乎都會(huì)從熱阻值非常小的那個(gè)路徑通過，這是下文會(huì)引用到的理論基礎(chǔ)。

　　接下來我們?cè)賮砜礋嶙璧奈锢矶x，所謂定義就是告訴我們?cè)鯓涌梢运愠鰺嶙柚怠Ｇ懊嬉烟岬?，熱阻的定義可類比于電阻，電阻是指導(dǎo)體兩端的電壓差△U與通過導(dǎo)體的電流I的比值，那么，我們就可以很容易地理解到熱阻的定義了。熱阻定義為：熱流通道上橫跨材料兩端的溫度差△T與流過該通道的導(dǎo)熱功率P的比值。用公式表達(dá)就是

　　熱身完畢，接下來請(qǐng)大家走進(jìn)JESD51-1標(biāo)準(zhǔn)里看半導(dǎo)體器件的熱阻。

　　1.1　熱阻結(jié)構(gòu)

　　半導(dǎo)體器件的熱阻在JESD51-1標(biāo)準(zhǔn)里有詳細(xì)的定義，

　　我們可以看出(式2)其實(shí)是(式1)的補(bǔ)充形式，用(式2)來分析如LED這種半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)會(huì)顯得相當(dāng)?shù)闹庇^和方便。

圖2 LED封裝結(jié)構(gòu)截面圖

　　以圖2常見LED的封裝結(jié)構(gòu)為例，假設(shè)熱源產(chǎn)生的熱量從PN結(jié)一直往下傳導(dǎo)，途經(jīng)芯片-固晶層—器件支架—導(dǎo)熱膏—散熱器為止，而且認(rèn)為散熱器與環(huán)境溫度達(dá)到熱平衡，那么如何知道PN結(jié)到器件支架底部的準(zhǔn)確熱阻值呢?我們來介紹一種新的分析方法——結(jié)構(gòu)函數(shù)法。

　　1.2　結(jié)構(gòu)函數(shù)

　　我們把能夠描述半導(dǎo)體器件內(nèi)部材料的熱阻熱容結(jié)構(gòu)的函數(shù)簡稱為結(jié)構(gòu)函數(shù)。在結(jié)構(gòu)函數(shù)里每一種材料的熱阻熱容特性都能直觀地表達(dá)出來，如圖3所示，如階梯一樣，從左往右依次是芯片、固晶層、支架、導(dǎo)熱膏、散熱器。

圖3 器件結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)函數(shù)

　　提到這里，順便請(qǐng)各位讀者再溫習(xí)下，上一篇文章我們提到，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(jìn)行測(cè)量。而且經(jīng)數(shù)學(xué)運(yùn)算后還可以把熱傳導(dǎo)路徑上的每層結(jié)構(gòu)的熱阻解析出來，找出散熱瓶頸。這里所說的其實(shí)就是結(jié)構(gòu)函數(shù)的厲害之處。假如某個(gè)器件內(nèi)部的其中一層的材料(例如固晶層)出現(xiàn)了問題，在結(jié)構(gòu)函數(shù)函數(shù)里就可以明顯地表示出來，如圖4所示。

圖4 固晶異常在結(jié)構(gòu)函數(shù)里的區(qū)分(實(shí)線為固晶正常樣品，虛線為固晶異常樣品)

　　固晶異常表現(xiàn)為固晶層的熱阻增大，于是位于固晶下方的結(jié)構(gòu)都平移到正常樣品曲線的右邊。通過結(jié)構(gòu)函數(shù)我們不需要把樣品破壞就能把器件內(nèi)部肉眼看不到的異常給揪出來，就像X-ray一樣!有了結(jié)構(gòu)函數(shù)，不管你是想知道哪一個(gè)界面到哪一個(gè)界面的熱阻，我們都可以一層一層地劃分出來，前面提到的想知道PN結(jié)到器件支架底部的熱阻值更是不在話下。

　　好，我們通過結(jié)構(gòu)函數(shù)得到了我們想知道的PN結(jié)到器件支架底部的熱阻(稱為R_θJB)，一般器件的規(guī)格書上給出的器件熱阻值嚴(yán)格意義上就是這個(gè)R_θJB。 現(xiàn)在我們來回答文初提到的問題：怎么利用R_θJB這個(gè)熱阻值算出結(jié)溫。

　　2. 利用熱阻計(jì)算結(jié)溫

　　R_θJB代表的是PN結(jié)到支架底部的熱阻值，我們可以運(yùn)用(式2)，把(式2)移項(xiàng)就可以得到

　　其中T_B是指支架底部的溫度，一般我們是量不出這個(gè)支架底部的溫度的，因?yàn)槠骷ぷ鲿r(shí)這個(gè)底部已經(jīng)被焊在鋁基板或普通FR4基板上。雖然我們得不到T_B的值，但我們可以近似的方法，事實(shí)上，目前最常用的測(cè)試方法就是用熱電偶測(cè)試器件工作時(shí)的支架外殼與基板接觸點(diǎn)的溫度，如圖5及圖6所示，我們一般把這個(gè)溫度稱為T_C。也就是說，我們是把T_C≈T_B了。

圖5 用熱電偶測(cè)試燈珠支架外緣溫度

圖6 與 的位置關(guān)系圖

　　T_B與T_C這兩個(gè)點(diǎn)的位置會(huì)存在一定的溫度差，而且一般情況下是T_C＜T_B。近似處理之后，(式3)就變成了(式4)。

　　要運(yùn)用(式4)，我們還必須要知道器件的熱功率，可以通過(式5)求得。

　　其中P_E指的是電功率，P_O指的是光功率。對(duì)于LED器件來說，熱功率只能由電功率減去光功率求出，而光功率可以利用積分球測(cè)量得到;對(duì)于不發(fā)光的半導(dǎo)體器件，它的熱功率就直接等同于電功率，可以直接代入計(jì)算。這樣，我們就可以通過規(guī)格書上面的器件熱阻值以及熱電偶測(cè)量引腳溫度或殼溫來計(jì)算得出結(jié)溫的數(shù)值了。

　　可能大家會(huì)很疑惑，這個(gè)如此神奇的結(jié)構(gòu)函數(shù)是怎么得出來的呢?關(guān)于結(jié)構(gòu)函數(shù)的推導(dǎo)我們將會(huì)在<下篇>給出詳細(xì)的推導(dǎo)，各位不要錯(cuò)過了哦!

　　特別鳴謝：佛山市香港科技大學(xué)LED-FPD工程技術(shù)研究中心