新的挑戰！高功率/高亮度發光二極管的封裝熱特性參數
本文來源 Electronics Cooling Magazine Vol.14, No.2，翻譯by lelele @ 263.net.
原文見http://www. electronics -cooling.com/html/2008_may_a1.php
作者：Li Zhang，Philips Lumileds Lighting
Theo Treurniet，Philips Lighting
前言
近年來，高功率/高亮度發光二極管（LEDs）在照明中的應用越來越多，其功率密度也越來越大（最新的產品的功率已經高達200-300W/cm2）；因此，將LED 內部的晶片溫度維持在一個較低的水平也變得非常困難。并且，出于成本、噪音和可靠性的考慮，使用主動散熱的方式并不現實；而傳統光源中所常用的輻射散熱的方式也由于LED 內部的晶片溫度較低而難以奏效。
LED 內部的晶片溫度，通常也被叫做“結溫”，對其光學性能和可靠性有著很大的影響。
例如，較高的晶片溫度會使得發光效率降低（以單位功率產生的光通量表示），并造成色點和色溫的漂移。發光效率的退化在很大程度上是由內量子效率的降低所引起的。而長時間處于高溫之下也會造成歐姆接觸[1]和磷化物[1-2]的退化，退化會使得發光效率逐漸降低或者災難性的故障[3]<可以理解為突然性的實效，“災難性的故障”是可靠性中常用的，用來“恐嚇”老板的詞 ^_^>。
獲得LED 的晶片溫度通常需要測量一些相關的電/光參數，通過電/光參數和晶片溫度之間已知的關系推算出來。其中，正向電壓測試法最為常用[4]。紅外照相的方法能夠得到LED內部晶片的表面溫度分布圖，便于了解表滿的溫度梯度。還有其他一些方法可參考相應的文獻：如峰值波長偏移法[5]，液晶涂敷法[6]，光譜分析法[7]等。
使用單一結溫來描述LED 內部晶片的溫度是很常用的方式，但當內部晶片上的溫度梯度較大的時候，這種描述就顯得含糊不清。通常認為結溫是內部晶片的平均溫度，盡管這仍待考證；并且將結溫和設備的可靠性聯系在一起也是有爭議的[8]。而對于大功率的LED 設備，過熱引起的失效往往是局部現象，最好考量失效部位的溫度。
IC 封裝中常用的“熱阻”也常用于描述LED 的封裝，其中ΘJB 和ΘJC 要比ΘJA 使用的更為廣泛。由于高功率的LED 封裝旁邊存在著散熱塊；如果參照當前的JESD51 系列標準[9]來描述LED，很難用相應的條款明確環境溫度或是參考溫度。因此，現在急需對LED 熱阻的測量和報告進行規范，這樣可以減少在LED 熱阻上認識的矛盾，對LED 的生產者和用戶都有好處。
LED 晶片溫度的測量
LED 內部晶片的正向電壓和溫度通過一個叫做K 因子的系數聯系在一起。即使是在同一生產批次中，K 因子的變化使得每個單獨的封裝都需要校準。
測量正向電壓可以反映功率階躍函數，通過瞬態的方法可以生成一個構造函數。當把這個構造函數與實際的封裝結構結合起來就能夠從物理等角度洞察熱傳的路徑[4]<由于不是做 LED的，況且對電的認識很淺，附原文供參考：Measuring the forward voltage response to a power step function, the transient method can generate the so-called structure functions. These structure functions, when combined with the actual device structure, can provide physical insights into the heat transfer path [4].>
紅外成像也可以用于測量LED 的內部晶片的溫度，但僅有內部晶片的表面溫度可以進行精確的測量。對于裸露的LED 片，其內部的溫度梯度比較小，表面溫度近似于結溫。對于采用磷化物封裝的LED 片，其外部磷化物引起的發光損耗會產生額外的熱耗散，使得測量的溫度要高于結溫。熱設計 http://www.93ssc.com
對于紅外成像的方式，精確的發射率是獲得高精度測量結果的關鍵。其中一個復雜的問題就是LED 的內部晶片材料對于紅外相機所接受的波長來說是透明的。絕大多數相關材料對于
“長波”(8-10 μm)相機是不透明的。“中波”(2.5-5 μm)相機有著更好的分辨率，但很多陶瓷和半導體材料會投射或者反射這個波段的紅外線，因此更難應用。“長波”相機能夠提供的最小分辨率在20 μm 左右。
基于光譜測量的方法則通過測量LED 峰值波長的漂移，根據已知的線性關系式來間接轉化為溫度的變化。但是，由溫度波動引起的波長變化在數量級上非常小(AlInGaP 材料的變化是0.05 - 0.10 nm/K，InGaN 材料的變化是0.04 – 0.05 nm/K)，通常實際中很難使用這種方法來測量溫度的變化。并且，LED 上相關峰值區間很大，難以精確的測量波長的漂移并推算出準確的溫度變化。
圖1. 對于高功率LED，內部晶片溫度的最高值和平均值的比率為驅動電流的函數。所有溫度使用紅外相機測量。
“結溫”的真實平均值
在高功率LED 中，溫度梯度是由幾方面共同造成的：歐姆接觸附近的電流堵塞，薄膜結構的內部晶片側面導熱能力較差以及連接結構之間較差的熱傳能力。通過使用紅外相機測量一個表面有散熱片的單晶片高功率LED，得到了圖1。圖1 反映了LED 內部晶片溫度的最高值和平均值的比率為驅動電流的函數，從曲線可看出，驅動電流越大，LED 內部晶片上溫度梯度越大。通過對比紅外相機和正向電壓所測量同一種封裝LED 的溫度可得到下圖2。
圖2. 通過兩種方法測得四個樣品的ΘJC 值, 其中紅外攝像的方法得到的ΘJC 分別取晶片溫度的平均值和最大值進行計算。
對于紅外攝像的方法，“結溫”分別取晶片溫度的平均值和最大值進行計算。與通常的認識不同，在此次試驗中，正向電壓所得到的“結溫”更接近于晶片溫度最大值而非平均值。
通過對多種LED 封裝的更為廣泛的研究，從精度上來說，“結溫”更接近于晶片溫度的平均值。目前的研究表明，上文實驗結果所顯示的矛盾相信是與電流密度的分布有關。
LED 封裝的芯片級熱特性的描述
通過對JESD51 系列標準進行部分修改，可以將其對IC 定義的熱阻擴展到LED。例如，JESD51 所定義的測試電路板由于引腳不兼容，無法適用于LED 封裝。因此，適用于LED 測試的電路板需要規范化和標準化；此外，在LED 測試中，電路板的溫度和“殼溫”需要明確說明；最后，對于非表面貼裝的LED 封裝，需要說明其固定的方式，包括使用的導熱界面材料，固定的螺釘都需要規范化，從而使得測試的差異最小化。
多晶片的LED 封裝也給熱阻的定義帶來新的問題：對于存在多個熱源的系統無法定義熱阻。幸運的是，對于絕大多數多晶片的LED 封裝，內部的晶片都是同一型號的，并且相互連接，發熱量也大致相同。此外，所有的晶片都放在一個承載器件或是導熱塊上。為了與典型的熱阻定義保持一致，在實踐中，通常測量在所有晶片上的壓降來構造一個虛擬的結溫。這個虛擬的“結”將所有的晶片虛擬成一個，而不考慮晶片之間的溫度梯度。
對于密集的板載LED 陣列<猜的，不清楚densely populated LED array 怎么翻譯>，由于存在的強烈的相互熱影響。虛擬的結溫與“真實的”結溫（在晶片上測量得到的最高平均溫度）相差很大。有兩種方法可以解決這個問題：1. 僅僅激活其中一個晶片并測量出結溫（需要單獨激活某個晶片的功能），然后用重疊的方式計算出最高的結溫[10]；2.使用其他的，非正向電壓的測量方法，如紅外照相。
對于不斷增長的光能“損失”，在計算熱阻所需的總功率，如何或者是否需要修正也是LED熱特性描述中的大問題。在多數嚴格的定義中，耗散的熱能等于總的電功率減去輸出的光功率。這聽起來很簡單，但在實際操作中很難計算出耗散的熱量：首先，所需要測量的光參數會增加測量系統的復雜程度；其次，光學校需要提供與其與電流和殼溫的函數，還有所有的熱阻值，這樣才能被使用的客戶所“重現”。
考慮到實際操作的復雜性，作者建議使用總的電功率作為耗散的熱量，而無須去除“損失”的光能，這樣就不會產生熱能和誤解并且便于使用的客戶應用相同的能量<應該指的是相同的電壓和電流>。然而，由于發光效率與結溫的關系很密切，其光功率中也“包含”著熱阻。或者可以說，由于結溫變化所引起的部分熱阻變化并不是真實的，而且不會影響到系統中的傳熱。如果LED 需要在多種驅動電流下工作，并且散熱片的溫度不同，則應該對所有可能的工作情況進行測試。
LED 封裝的系統級熱特性
廠商所提供的LED 封裝熱特性參數僅能在一定程度上直接應用于系統級的分析，這是由于廠商測試所用的環境與客戶實際應用時存在著一定的差異。并且，很多情況下會同時使用多個單晶片或者多晶片的LED 封裝器件。因此，在LED 廠商和用戶之間通過“無邊界約束(BCI)簡化熱模型(CTM)”來交流則更為理想[11]。
對于大功率、單晶片的LED 封裝，當其中的熱傳遞被設計為一個低熱阻的熱傳路徑時，簡化熱模型(CTM)可以被簡化為一個熱阻。而對于多晶片的封裝，情況則較為復雜。簡化熱模型(CTM)不但要描述單個晶片的傳熱，還要考慮到各個晶片之間的熱影響，這樣的話對于單個晶片來說，無邊界約束(BCI)情況已經無法適用[12]。
結論
大功率LED 屬于發熱密度最高的半導體器件。由于其晶片上的溫度梯度較大，如果使用常用的“結溫”來描述就難于發現其中真實的傳熱現象。當LED 內部晶片上溫度梯度較大的時候，紅外攝像的方法是很好的輔助手段。
隨著LED 技術的快速發展，急需相應的熱規范。基于IC 器件的JESD51 系列標準經過相應的修改，也可以用于單晶片的LED 器件。對于有特定模式和封裝結構的多晶片器件，如果能夠了解晶片之間的熱影響，也可以用修正后的熱阻概念來描述。當計算熱阻的時候，如果將光功率減去來修正總功率，雖然從物理學的角度來看很有意義，但是在實際運用中卻很難實現。使用包含光功率的總功率所計算出的熱阻，對于結溫的變化更為敏感。因此需要組合多種驅動電流和散熱片進行測試。
作者：
Li Zhang, Ph.D.
Product Research & Development
Philips Lumileds Lighting Company
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Theo Treurniet, Ph. D.
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參考文獻：
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熱設計資料下載： 高功率_高亮度發光二極管的封裝熱特性參數.pdf
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