【技术专区】LED封装器件芯片结温测试浅述(中)

　　上一篇文章我们已经简单地介绍了LED结温的热瞬态测试方法，这种方法利用LED本身的热敏感参数——电压变化来反算出温升，从而得到工作状态下的结温。那么我们除了测试的方法还有没有其他方法可以知道器件工作时候的结温呢?业界老手肯定都知道，结温其实是可以算出来的!

　　不过在算之前我们必须要知道器件的热阻值(一般器件的规格书上都有热阻值)，然后在器件工作状态下用热电偶测量引脚温度或壳温来算出结温。那么热阻是什么玩意呢，结温又是如何利用热阻和壳温计算得到呢?下面就为大家一一讲解。

　　1. 什么是热阻?

　　首先，为了让大家更容易理解，我们可以借用电学的概念，热阻的概念呢，就是通过类比电阻的概念而引伸出来的，两者性质的相似度非常高。电阻是指阻碍电流传导的物理量，那对应地，热阻就是阻碍热流传导的物理量，同样条件下热阻越大，热流就越不容易通过。

　　假如一个热源上连接有几个热阻值不相等的导热路径，那么热流的大小分布就像电流流过不同电阻时的分布一样，如图1所示。

图1 电流(热流)分布图

　　也就是说，如果在两个等温点之间存在几个导热路径，其中有一个路径的热阻值非常大，而另一个路径上的热阻值非常小，那热量几乎都会从热阻值非常小的那个路径通过，这是下文会引用到的理论基础。

　　接下来我们再来看热阻的物理定义，所谓定义就是告诉我们怎样可以算出热阻值。前面已提到，热阻的定义可类比于电阻，电阻是指导体两端的电压差△U与通过导体的电流I的比值，那么，我们就可以很容易地理解到热阻的定义了。热阻定义为：热流通道上横跨材料两端的温度差△T与流过该通道的导热功率P的比值。用公式表达就是

　　热身完毕，接下来请大家走进JESD51-1标准里看半导体器件的热阻。

　　1.1　热阻结构

　　半导体器件的热阻在JESD51-1标准里有详细的定义，

　　我们可以看出(式2)其实是(式1)的补充形式，用(式2)来分析如LED这种半导体器件的结构会显得相当的直观和方便。

图2 LED封装结构截面图

　　以图2常见LED的封装结构为例，假设热源产生的热量从PN结一直往下传导，途经芯片-固晶层—器件支架—导热膏—散热器为止，而且认为散热器与环境温度达到热平衡，那么如何知道PN结到器件支架底部的准确热阻值呢?我们来介绍一种新的分析方法——结构函数法。

　　1.2　结构函数

　　我们把能够描述半导体器件内部材料的热阻热容结构的函数简称为结构函数。在结构函数里每一种材料的热阻热容特性都能直观地表达出来，如图3所示，如阶梯一样，从左往右依次是芯片、固晶层、支架、导热膏、散热器。

图3 器件结构与结构函数

　　提到这里，顺便请各位读者再温习下，上一篇文章我们提到，无论是二极管、三极管、场效应管还是 IGBT，这些半导体器件的结温和热阻都可利用 T3ster 进行测量。而且经数学运算后还可以把热传导路径上的每层结构的热阻解析出来，找出散热瓶颈。这里所说的其实就是结构函数的厉害之处。假如某个器件内部的其中一层的材料(例如固晶层)出现了问题，在结构函数函数里就可以明显地表示出来，如图4所示。

图4 固晶异常在结构函数里的区分(实线为固晶正常样品，虚线为固晶异常样品)

　　固晶异常表现为固晶层的热阻增大，于是位于固晶下方的结构都平移到正常样品曲线的右边。通过结构函数我们不需要把样品破坏就能把器件内部肉眼看不到的异常给揪出来，就像X-ray一样!有了结构函数，不管你是想知道哪一个界面到哪一个界面的热阻，我们都可以一层一层地划分出来，前面提到的想知道PN结到器件支架底部的热阻值更是不在话下。

　　好，我们通过结构函数得到了我们想知道的PN结到器件支架底部的热阻(称为R_θJB)，一般器件的规格书上给出的器件热阻值严格意义上就是这个R_θJB。 现在我们来回答文初提到的问题：怎么利用R_θJB这个热阻值算出结温。

　　2. 利用热阻计算结温

　　R_θJB代表的是PN结到支架底部的热阻值，我们可以运用(式2)，把(式2)移项就可以得到

　　其中T_B是指支架底部的温度，一般我们是量不出这个支架底部的温度的，因为器件工作时这个底部已经被焊在铝基板或普通FR4基板上。虽然我们得不到T_B的值，但我们可以近似的方法，事实上，目前最常用的测试方法就是用热电偶测试器件工作时的支架外壳与基板接触点的温度，如图5及图6所示，我们一般把这个温度称为T_C。也就是说，我们是把T_C≈T_B了。

图5 用热电偶测试灯珠支架外缘温度

图6 与 的位置关系图

　　T_B与T_C这两个点的位置会存在一定的温度差，而且一般情况下是T_C＜T_B。近似处理之后，(式3)就变成了(式4)。

　　要运用(式4)，我们还必须要知道器件的热功率，可以通过(式5)求得。

　　其中P_E指的是电功率，P_O指的是光功率。对于LED器件来说，热功率只能由电功率减去光功率求出，而光功率可以利用积分球测量得到;对于不发光的半导体器件，它的热功率就直接等同于电功率，可以直接代入计算。这样，我们就可以通过规格书上面的器件热阻值以及热电偶测量引脚温度或壳温来计算得出结温的数值了。

　　可能大家会很疑惑，这个如此神奇的结构函数是怎么得出来的呢?关于结构函数的推导我们将会在<下篇>给出详细的推导，各位不要错过了哦!

　　特别鸣谢：佛山市香港科技大学LED-FPD工程技术研究中心