LED封装器件热阻测试与散热能力评估

热阻概念与重要性

热阻是衡量热量在热流路径上所遇阻力的物理量，它反映了介质或介质间传热能力的强弱，具体表现为 1W 热量引起的温升大小，单位为℃/W 或 K/W。可以将热量比作电流，温差比作电压，那么热阻就相当于电阻。

在 LED 器件的实际应用中，其结构热阻分布涵盖了芯片衬底、衬底与 LED 支架的粘结层、LED 支架、LED 器件外挂散热体以及自由空间的热阻，这些热阻通道呈串联关系。

LED 灯具作为新型节能灯具，在照明过程中仅有 30 - 40%的电能转化为光，其余均转化为热能，这就使得 LED 封装器件的热阻问题变得至关重要。

通常情况下，LED 的功率越高，热效应越显著，由此引发的一系列问题如芯片高温红移、结温过高对芯片的永久性破坏、荧光粉层发光效率降低及加速老化、色温漂移以及热应力引起的机械失效等，都会直接影响 LED 的发光效率、波长、正向压降和使用寿命，散热问题已然成为 LED 灯具发展的一大瓶颈。

热阻测试方法及应用

1.封装器件热阻测试

测试方法一：在测试热阻时，封装产品的散热路径一般为芯片 - 固晶层 - 支架或基板 - 焊锡膏 - 辅助测试基板 - 导热连接材料。通过测试可得出热阻曲线图，进而读出测试产品总热阻，例如某产品总热阻为 7.377K/W。该方法需依据测试样品结构判定曲线中的热阻分层，以获得封装器件的准确热阻，更适合 SMD 封装器件。通过金鉴的测试服务，可以帮助客户优化产品设计，提升产品质量，确保其在激烈的市场竞争中保持领先地位。

测试方法二：与方法一不同，此方法需进行两次热阻测试。第一次测量时，器件直接接触基板热沉；第二次测量时，器件与基板热沉间夹有导热双面胶。由于两次散热路径仅在器件封装壳之外改变，结构函数上两次测量的分界处即代表器件的壳，从而可得出器件的精确热阻，该方法适用于 COB 封装器件。

利用结构函数识别器件结构

一般而言，芯片、支架或基板、测试辅助基板或冷板这三层的热阻和热容相对较小，而固晶层和导热连接材料的热阻和热容相对较大。

结构函数上越靠近 y 轴的地方代表接近芯片有源区的结构，越远离 y 轴则代表离有源区较远的结构。

积分结构函数是热容 - 热阻函数，平坦区域代表器件内部热阻大、热容小的结构，陡峭区域代表热阻小、热容大的结构。微分结构函数中，波峰与波谷的拐点是两种结构的分界处，便于识别器件内部各层结构。

在结构函数末端，其值趋向于垂直渐近线，此时热流传导到空气层，热容无穷大，从原点到渐近线之间的 x 值即为结区到空气环境的热阻，也就是稳态情况下的热阻。

封装器件内部“缺陷”辨认

对比两个器件的剖面结构，可发现固晶层存在明显差异。正常产品固晶层规整，而有缺陷的产品固晶层则不规则。固晶层缺陷会导致热阻增大，影响散热性能，其影响程度与缺陷大小相关。

结构无损检测

对同批次产品，选取固晶层完好、边缘缺陷以及中间缺陷的样品进行测试。固晶完好的固晶层应为矩形，存在缺陷时则不规则。

测试结果显示，随着固晶层损伤程度增加，该结构层的热阻逐渐变大，这是因为空洞阻塞了有效散热通道。通过测试不仅能定性找出存在缺陷的结构，还能定量得到缺陷引起的热阻变化量。

老化试验表征

以一个高温高湿老化案例为例，观察同一样品不同时期的热阻曲线。老化前后，从芯片后波峰的移动可清晰看出由于老化造成的分层，导致芯片粘结层热阻增大。对样品不同阶段的热阻测试，可得到每层结构的热阻变化，进而分析老化机理，从而改善产品散热性能。

接触热阻测量

随着半导体制造技术的成熟，热界面材料的热性能成为制约高性能封装产品的瓶颈。接触热阻的大小与材料和接触质量密切相关。常见的接触材料或方式有导热胶、导热垫片、螺钉连接和干接触等。测试发现，接触热阻的大小不仅取决于接触材料，还与接触质量有关。接触材料的导热系数越大，接触热阻越小；接触质量越好，接触热阻也越小。

热电参数测试

热电参数测试包括电压温度变化曲线、光通量温度变化曲线、光功率温度变化曲线、色坐标温度变化曲线、色温温度变化曲线和效率温度变化曲线。

例如，某样品 LED 的电压随温度上升呈线性递减；光通量也随温度上升呈线性递减；色坐标则会往高色温方向漂移。这些测试结果有助于全面了解 LED 封装器件在不同温度条件下的性能表现，为产品的优化和改进提供重要依据。

总结

通过上述多种测试方法和手段，能够全面、深入地评估 LED 封装器件的热阻和散热能力，进而为 LED 产品的研发、生产和应用提供有力的技术支持，推动 LED 照明行业的发展。