1. 概述：

 LED固體光源具有效率高、壽命長，應用靈活、無污染等優點，目前已廣泛應用于照明領域。然而LED所消耗的電能中，多數轉化成了熱能，使芯片溫度明顯升高，而溫度對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結構設計中亟需解決的關鍵技術環節。

 常用的LED熱管理分析技術包括使用熱設計軟件仿真和使用熱阻分析設備進行測量。前者通常用于LED的熱管理設計;而后者著重于對實際樣品的熱阻測量和分析，以檢驗設計方案的實際效果和產品質量，并改進制造工藝或指導二次設計。

 2. 熱阻基本原理

 LED的散熱通過三種方式進行：熱傳導，對流，熱輻射。在LED內部，熱傳導是主要的散熱途徑，其熱傳導性能取決于介質的熱阻抗。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，將熱流與電流相對應，電勢與溫度相對應，則熱阻與電阻相對應，熱容與電容相對應。對于任意的導熱介質元，可以簡化為一個R-C并聯回路：

 當熱流經過該介質單元時，就會在兩端形成溫差。與電路類似，初始時熱量將在熱容中累積，兩端溫差逐漸增大，直至達到熱平衡，此時的熱阻通常所稱的“穩態熱阻”。而在器件達到熱平衡之前，受熱容和熱阻共同影響，器件的結溫不斷變化，對應熱阻也隨時間變化，該熱阻稱為“瞬態熱阻”。對瞬態熱阻的測量是熱阻結構測量的基礎。

 3. 熱阻測量和熱阻結構函數

 3.1 熱阻結構測量的必要性

 理論上說，當我們確定了一個器件的材質、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系，而且實際情況難以確定，還可能隨環境變化而變化。因此，僅通過仿真模擬無法準確了解一個實際產品內部的熱管理情形。要更準確地描述實際產品的熱管理，就必須進行熱阻結構測量。

 如圖2和圖3所示，通常的熱阻測量僅能給出器件整體的熱阻值，并不能反映出內部熱量分布關系，而熱阻結構測量卻可以給出器件內部的分層熱阻信息，對實際設計或工藝改進具有重要的指導作用。

 3.2 熱阻結構測量技術

 熱阻測量中，獲取熱阻結構特征的第一步為測量瞬態熱阻曲線，即結溫變化曲線，如圖4所示。

 不難看出，溫度變化的信息主要包含在測試初期很短的時間內。要很好地分辨出LED芯片這樣的微小結構，需要能夠在微秒級的時間內對結溫采樣測量;同時，由于測量分析對噪聲相當敏感，確定的邊界條件和穩定的供電電源也至關重要，也即，測試設備必須實現MHz級的高精度測量采樣，才能滿足LED熱阻結構分析的需求，這是具有相當挑戰性的。

 另外，LED消耗的電功率一般轉化成熱功率和光輻射功率兩部分，而根據定義，熱阻是熱傳導路徑上溫度差與熱功率的比值，而要準確獲取熱功率，就必須對LED進行光輻射度測量，而實際上，現有的一些熱阻測量系統并沒有考慮提出光輻射功率，它們測量的只能稱為“參考熱阻”【4】。

 3.3 熱阻結構函數分析

 熱阻結構函數分析是獲取LED熱阻結構的關鍵，同時也是難點所在。

 現實中我們很難得到連續的熱阻結構函數，而是通常采用有限元分析法，將熱傳導路徑分解成有限個單元，計算各個單元的熱容和熱阻，以獲取熱阻結構函數的離散形式。基本原理中我們已經提到，可以用電路的形式來描述熱傳導介質，使分析過程更為直觀。對一維熱傳導介質的有限元模型可以R-C電路的形式表示為Cauer模型回路，見圖5。

 該模型描述了熱流從PN結至熱沉過程中，依次經過的各個單元所具有的熱容和熱阻。分析時采用的Cauer模型的單元越多，對介質的描述越細致，與實際情形也越接近。

 熱阻結構函數描述的是熱傳導路徑上介質的熱容與熱阻間的關系，可分為微分結構函數和積分結構函數兩種。圖6即為積分結構函數曲線的示例。積分結構函數的橫坐標值代表從熱傳導出發點至當前點的累積熱阻值，縱坐標代表從熱傳導出發點至當前點的總熱容值。微分結構函數則是積分結構函數關于橫坐標求導后的結果，類似于“熱容密度”函數。在獲取離散形式熱阻結構函數的過程中，由于計算過程中涉及了大量卷積，反卷積，以及多次如傅里葉變換等數學處理過程，隨著Cauer模型單元數的增加，對測量精度，速度的要求以及計算量都將急劇上升。

 4. 應用實例

 4.1 測試設備

 本次測試選用了我國自主研發的遠方TRA-200熱阻分析儀，見圖7。TRA-200是專門用于熱阻分析的設備，其可實現在1微秒內對瞬態溫度的精確測量，且噪聲較低，并具有輻射度測量功能，可記錄升溫、降溫曲線，精確測量LED封裝產品的熱阻、參考熱阻、結溫、光輻射功率、電壓、電流等參數。

 本次測試選用的被測樣本是一個由芯片、金屬外殼和鋁基板構成的LED。本文對同一樣本進行了兩次實驗，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熱硅脂。對其各自進行熱阻測量，并將結果進行對比。

 4.2 測試

 進行兩次實驗，均對被測樣本施加1050.4mA電流，等待其結溫升至熱平衡狀態。為保證達到熱平衡，兩次實驗加熱時間均達到了約117秒。如圖8直接接觸熱沉的樣本熱平衡時溫度為81.76度;在熱沉與鋁基板間加導熱硅脂的樣本溫度為78.52度。

 上圖中的采樣時間為呈對數分布，采樣間隔在初期為1微秒，后期隨溫度變化逐漸緩和，采樣間隔也相應加長。可以看出，在鋁基板和溫控熱沉間加入導熱硅脂后，在同樣的電流下，達到熱平衡時結溫的溫度低于鋁基板與熱沉直接接觸的情況。這說明此時LED的散熱更好，根據熱阻的定義式，此時的穩態熱阻也更小。

 圖中從左至右表示從芯片的PN結出發至熱沉的熱流傳導路徑所經過的導熱介質。圖10中峰值區域對應LED的主要組成器件。兩次實驗曲線最右段出現了明顯的分離，可以看出樣本鋁基板與熱沉間涂抹導熱硅脂后，接觸熱阻明顯減小，這是因為涂上導熱硅脂后的導熱能力要強于直接接觸。測得的熱阻結構函數很好地體現了這一點。

 對比實驗證明，熱阻結構函數測量技術能夠很好得給出LED內部的熱管理信息。

 5. 總結

 本文介紹了熱傳導分析的基本原理和常用方法，以及熱阻結構測量和熱阻結構函數。熱阻結構測量技術可以體現LED內部熱阻分布，即熱阻結構函數。通過將熱阻結構函數應用于LED熱管理分析，可以了解實際樣品內部各個器件的熱阻大小以及它們相互間接觸熱阻的大小，從而對于下一步設計和改進提供指導。本文采用我國自主研發的熱阻分析系統進行對比實驗，實驗結果顯示，所測得的熱阻結構函數準確清晰地體現了真實物理信息，可以給設計者提供參考。熱阻結構測量技術對于LED熱性能的設計和檢測均十分重要。

 參考文獻：

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 [2] JESD51-14, Transient Dual Interface Test Method for the Measurement of the Thermal Resistance Junction to Case of Semiconductor Devices with Heat Flow Trough a Single Path[S].

 [3] V. Szekely, “A new evaluation method of thermal transient measurement results,” Microelectronics J., vol. 28, no. 3, pp. 277–292, Mar. 1997.

 [4] QB/T 4057-2010, 普通照明用發光二極管 性能要求[s].

 [5] 王偉, 王萬良, 潘建根, 李倩. 大功率LED參考熱阻測試系統研究與分析[J], 液晶與顯示, 2009(2)：294-298

 [6] 張維, 李倩, 潘建根. LED熱特性和壽命的檢測技術[Z].

 http://www.coema.org.cn/study/leds/20120315/144537.html, 2012-3-15

 [7] 張海兵. 功率型LED的熱測試和熱仿真[D]. 廈門：廈門大學物理系2009:1-55.