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，金鑒檢測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。

 

　　金鑒檢測應用舉例

 

　　（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。

　　側面結構及散熱路徑

 

　　金鑒檢測根據測試，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

 

　　（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。

　　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。

　　熱阻曲線的兩種結構函數

 

　　2.封裝器件內部的缺陷

　　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

 

　　金鑒檢測根據測試結果，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

 

　　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

 

　　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

 

　　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

 

　　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。