CN104569049A - 一种无冷板的大功率led器件固晶层散热性能快速评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无冷板的大功率LED器件固晶层散热性能快速评估方法，包括以下步骤：1)将器件放置于恒温装置，并通入正向电流，依次改变恒温装置的温度，待热平衡后，记录每个温度下器件两端的正向电压，利用电压-温度关系曲线得到K系数；2)搭建用于测量结到空气瞬态电压的测试系统；3)利用测试系统测得瞬态电压参数，并根据测得的K系数得到器件的瞬态结温响应；4)对瞬态结温进行等效数学变换，获得时间常数谱；5)对时间常数谱进行分析，提取表征固晶层的特征参数以实现其散热性能的评估。方法利用静止空气中LED器件瞬态结温响应得到的时间常数谱进行固晶层的散热性能评估，无需将器件人工贴附于任何散热器或者控温冷板，操作简单、省时，且待测器件重复使用时无需清洗。

Description

一种无冷板的大功率LED器件固晶层散热性能快速评估方法

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，涉及一种无冷板的大功率LED器件固晶层散热性能快速评估方法。

背景技术

功率型LED的光电性能以及可靠性与芯片结温息息相关，有效的热管理以及封装设计是保证LED器件长期稳定工作的关键。LED芯片产生的热量主要是通过热传导的方式从芯片经过固晶层和热沉传到外部散热器或者环境中，其中固晶层是连接芯片和热沉的媒介，对LED的整个热传导起着重要作用，其散热性能直接影响LED器件的结温和可靠性。在LED器件固晶工艺中，支架表面或者芯片表面随机的杂质污染、环境灰尘或者水汽侵入固晶材料等往往会导致固晶层出现孔隙、粘接界面间裂纹或者分层等缺陷，导致其散热性能变差，甚至造成LED器件使用过程中的早期失效。因此，在LED器件封装工艺完成之后，有必要对固晶层的进行质量评估。由于热阻是评价热学特性的重要指标，若固晶层中存在空洞或者分层等缺陷，根据热阻计算公式R_th＝l/kS(l为固晶层高度，k为导热系数，S为固晶层面积)，将引起固晶层有效面积S减小，从而导致固晶层热阻增大。因此固晶层热阻的检测，可以实现有缺陷的固晶层的质量评估。

由于固晶层处于LED器件内部，其热阻为LED器件整体热阻的构成部分之一，目前通用的稳态电学参数测量法只能提供整体热阻，而无法提供固晶层的单独热阻。利用瞬态热阻测量法，能无损的检测LED散热通道上各封装层的热阻，但是该方法是基于结壳热阻的测试方法，需要将LED器件通过人工将导热硅脂粘附于控温装置(冷板)上以保证热沉参考温度的恒定，因此测试前准备步骤复杂，且涂覆导热硅脂的一致性难以保证，测量后样品若需再使用必须进行清洗，不利于该测量方法的推广应用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种无冷板的大功率LED器件固晶层散热性能快速评估方法，该方法无需冷板，直接将LED器件置于空气中的固晶层质量快速评估方法，以解决贴附冷板带来的操作复杂，费时以及样品重复使用需再清洗的问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种无冷板的大功率LED器件固晶层散热性能快速评估方法，包括以下步骤：

步骤10：将LED器件放置于恒温装置，并通入小的正向电流，依次改变恒温装置的温度，待热平衡后，记录每个温度下器件两端的正向电压，利用电压-温度关系曲线得到K系数；

步骤20：搭建用于测量结到空气瞬态电压的测试系统；

步骤30：利用所述测试系统测得瞬态电压参数，并根据测得的K系数得到器件的瞬态结温响应；

步骤40：对瞬态结温进行等效数学变换，获得时间常数谱；

步骤50：对时间常数谱进行分析，提取表征固晶层散热性能的特征参数。

进一步，所述步骤20包括：

步骤201：提供恒流模块、高速开关模块、静止空气箱、数据采集模块和计算机；

步骤202：以计算机为中心，分别连接并控制恒流模块、高速开关模块和数据采集模块；恒流模块接收计算机控制信号，其输出到大功率LED器件的加热电流或者测试电流，受到与之相连的高速开关模组控制；高速开关模组的状态由计算机决定；数据采集模块输入端连接大功率LED器件，采集器件两端的电压信号，并将结果输出至计算机；大功率LED器件置于静止空气箱中。

进一步，所述步骤30包括：

步骤301：计算机控制恒流模块和高速开关模块向大功率LED器件输出加热电流，达到热平衡后，控制恒流模块和高速开关模块切换至测试电流，同时控制数据采集模块对大功率LED器件进行一段时间内的电压参数采集；

步骤302：根据测得的K系数和电压参数V_j(t)，根据公式得到器件的瞬态结温响应ΔT_j(t)：

ΔT_j(t)＝K·[V_j(t)-V_j(∞)]

其中，V_j(∞)为切换至测试电流热平衡后的电压值。

进一步，所述步骤40包括：

步骤401：瞬态结温响应ΔT_j(t)可进一步表述为：

$\mathrm{\Δ}{T}_j\left(t\right)=P_{\mathrm{th}}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{R}_i[1-\exp (-t/{\mathrm{\τ}}_i)]$

其中：P_th为热耗散功率。τ_i＝R_i*C_i，为时间常数；R_i和C_i为热传导路径上每层结构的热阻和热容；瞬态结温响应ΔT_j(t)可以看出不同幅值R_i和不同时间常数τ_i的多指数函数叠加，一系列的幅值R_i和时间常数τ_i形成离散的谱，称为时间常数谱，在时间常数谱上，每个时间常数τ_i处对应着幅值R_i的峰值；

步骤402：将瞬态结温响应ΔT_j(t)关于时间常数τ的离散谱连续化，并将时间t和时间常数τ对数化：

$\mathrm{\Δ}{T}_j\left(z\right)=P_{\mathrm{th}}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}R\left(\mathrm{\ξ}\right)\{1-\exp [-\exp (z-\mathrm{\ξ})\left]\right\}\mathrm{d\ξ}$

步骤403：将上述等式两边取微分：

$\frac{d\left(\mathrm{\Δ}{T}_j\left(z\right)\right)}{\mathrm{dz}}=P_{\mathrm{th}}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}R\left(\mathrm{\ξ}\right)\exp [z-\mathrm{\ξ}-\exp (z-\mathrm{\ξ})]\mathrm{d\ξ}=R\left(z\right)\⊗W\left(z\right)$

其中：W(z)＝exp(z-exp(z))

步骤404：基于贝叶斯反卷积方法，可以得到时间常数谱RN为：

$R_k^{(n+1)}=R_k^{\left(n\right)}\·\frac{1}{\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{W}_{\mathrm{jk}}}\·\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\frac{W_{\mathrm{jk}}\·d\left(\mathrm{\Δ}{T}_j\left(z\right)\right)}{\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{W}_{\mathrm{ji}}\·R_i^{\left(n\right)}}$

其中n为迭代次数，R_k为时间常数谱对应的向量，W_jk＝exp(z_j-ζ_k-exp(z_j-ζ_k))。

进一步，时间常数谱中固晶层对应的峰值为第二峰值，从第二峰值中提取峰值幅值R₂，将固晶层的峰值幅值R₂与设定的阈值进行比较，利用它们的差异性实现固晶层的散热性能评估；阈值通过以下方法进行设定：A、正常LED器件测试得到的固晶层的峰值幅值；B、同型号的批次LED器件测得的固晶层幅值通过3σ准则确定。

本发明的有益效果在于：在本发明中，利用静止空气中LED器件瞬态结温响应得到的时间常数谱进行固晶层的质量评估，无需将LED器件人工贴附于任何散热器或者控温冷板，因此操作简单，省时且待测器件重复使用时无需清洗，便于大批量LED器件固晶层质量的快速无损评估。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明所述方法的流程示意图；

图2为瞬态电压测试系统示意图；

图3为LED器件的三维导热网络模型图；

图4为不同LED器件的瞬态结温响应曲线T_j(t)；

图5为不同LED器件的时间常数谱图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

热阻是评价固晶层散热性能的重要指标，若固晶层中存在空洞或者分层等缺陷，根据热阻计算公式R_th＝l/kS(l为固晶层高度，k为导热系数，S为固晶层面积)，将引起固晶层有效面积S减小，从而导致固晶层热阻增大。因此通过固晶层热阻的检测，可以实现有缺陷的固晶层的散热性能评估。基于结到空气热阻的热瞬态测试技术，对半导体器件施加阶跃电功率，通过测量器件瞬态电压的变化再利用电压结温线性系数K系数推断器件芯片的瞬态结温响应。瞬态结温响应包含了热流在热传导路径上各组成成分的详细热阻和时间常数(热阻和热容的乘积)等热学参数信息。半导体器件热流传导路径为三维传导，即第一路径为芯片—固晶层—热沉—空气；第三路径为芯片—固晶层—封装塑料和引脚—空气；第二路径为芯片—透镜—空气；第三路径传导的热量非常有限，可以忽略。第一路径和第二路径热流均流经芯片和固晶层，而热流每流经热传导路径上的一个热层结构，在时间常数谱上形成以热阻R_i为幅值、以时间常数τ_i为峰值位置的峰，各个热层结构的峰值特征组合形成表征整个大功率LED器件热流传导特性的时间常数谱。因此通过时间常数谱中峰值幅值和峰值位置，可以无损的检测LED器件热流三维热传导路径上芯片、固晶层的热阻。由于固晶层中缺陷将导致固晶层热阻的增大，从时间常数谱中提取表征热阻的峰值幅值，即可实现固晶层散热性能的评估。

图1为本发明所述方法的流程示意图，如图所示，本方法包括以下步骤：步骤1：将LED器件放置于恒温装置，并通入小的正向电流，依次改变恒温装置的温度，待热平衡后，记录每个温度下器件两端的正向电压，利用电压-温度关系曲线得到K系数；步骤2：搭建用于测量结到空气瞬态电压的测试系统；步骤3：利用所述测试系统测得瞬态电压参数，并根据测得的K系数得到器件的瞬态结温响应；步骤4：对瞬态结温进行等效数学变换，获得时间常数谱；步骤5：对时间常数谱进行分析，提取表征固晶层散热性能的特征参数，并评估其散热性能。

图3为LED器件的三维导热网络模型图，其中R_len,R_j,R_att,R_hs,R_mold分别为透镜，芯片，固晶层，热沉和封装塑料的热阻；C_len,C_j,C_att,C_hs,C_mold分别为透镜，芯片，固晶层，热沉和封装塑料的热容；R_len.conv,R_hs.conv,R_mold.conv分别为透镜，热沉和封装塑料外表面与空气的等效热对流热阻；P_th为耗散热功率。

在本实施例中，方法的具体步骤如下：

1)将LED器件放置于恒温箱中，并通入5mA的正向电流，依次改变恒温装置的温度，待热平衡后，记录每个温度下器件两端的正向电压，利用电压-温度关系曲线得到K系数。

2)搭建用于测量结到空气瞬态电压的测试系统，如图2所示，将LED器件从恒温装置取出并放入封闭的静止空气箱，该空气箱尺寸为一立方英尺，且环境参数满足JEDECJESD 51-2的要求。

3)给LED器件加载350mA的加热电流，待器件达到热平衡后，迅速切换至5mA的测试电流，利用高速数据采集卡实时记录10秒内LED器件两端的正向导通电压，再通过K系数计算得到LED器件的瞬态结温响应曲线T_j(t)。

4)利用瞬态结温响应曲线T_j(t)计算LED器件的时间常数谱；由于LED器件直接置于空气中的传热为三维导热，根据其三维热传导路径确定固晶层对应的峰值为第二峰值。

5)将固晶层峰值幅值与设定的阈值进行比较，利用它们之间的差异实现对有缺陷的固晶层的质量评估。阈值是通过以下方法进行设定：A、正常LED器件测试得到的固晶层的峰值幅值；B、同型号的批次LED器件测得的固晶层幅值通过3σ准则确定。在本实施例中，阈值是通过正常LED器件得到固晶层峰值幅值来确定的。由于有缺陷的固晶层将导致其热阻变大，因此若其时间常数谱中固晶层峰值幅值高于正常器件的幅值，则认为该固晶层有质量问题，即存在空洞或者分层等缺陷。

图4为不同LED器件的瞬态结温响应曲线T_j(t)，图5为不同LED器件的时间常数谱图，图5中的缺陷样本1和缺陷样本2固晶层的幅值明显高于正常样本，表明通过时间常数谱中固晶层峰值幅值的差异，可以实现LED器件固晶层的质量评估。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种无冷板的大功率LED器件固晶层散热性能快速评估方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤10：将LED器件放置于恒温装置，并通入小的正向电流，依次改变恒温装置的温度，待热平衡后，记录每个温度下器件两端的正向电压，利用电压-温度关系曲线得到K系数；

步骤20：搭建用于测量结到空气瞬态电压的测试系统；

步骤30：利用所述测试系统测得瞬态电压参数，并根据测得的K系数得到器件的瞬态结温响应；

步骤40：对瞬态结温进行等效数学变换，获得时间常数谱；

步骤50：对时间常数谱进行分析，提取表征固晶层散热性能的特征参数。

2.根据权利要求1所述的一种无冷板的大功率LED器件固晶层散热性能快速评估方法，其特征在于：所述步骤20包括：

步骤201：提供恒流模块、高速开关模块、静止空气箱、数据采集模块和计算机；

步骤202：以计算机为中心，分别连接并控制恒流模块、高速开关模块和数据采集模块；恒流模块接收计算机控制信号，其输出到大功率LED器件的加热电流或者测试电流，受到与之相连的高速开关模组控制；高速开关模组的状态由计算机决定；数据采集模块输入端连接大功率LED器件，采集器件两端的电压信号，并将结果输出至计算机；大功率LED器件置于静止空气箱中。

3.根据权利要求2所述的一种无冷板的大功率LED器件固晶层散热性能快速评估方法，其特征在于：所述步骤30包括：

步骤301：计算机控制恒流模块和高速开关模块向大功率LED器件输出加热电流，达到热平衡后，控制恒流模块和高速开关模块切换至测试电流，同时控制数据采集模块对大功率LED器件进行一段时间内的电压参数采集；

步骤302：根据测得的K系数和电压参数V_j(t)，根据公式得到器件的瞬态结温响应ΔT_j(t)：

ΔT_j(t)＝K·[V_j(t)-V_j(∞)]

其中，V_j(∞)为切换至测试电流热平衡后的电压值。

4.根据权利要求3所述的一种无冷板的大功率LED器件固晶层散热性能快速评估方法，其特征在于：所述步骤40包括：

步骤401：瞬态结温响应ΔT_j(t)可进一步表述为：

$\mathrm{\Δ}{T}_j\left(t\right)=P_{\mathrm{th}}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{R}_i[1-\exp (-t/{\mathrm{\τ}}_i)]$

其中：P_th为热耗散功率。τ_i＝R_i*C_i，为时间常数；R_i和C_i为热传导路径上每层结构的热阻和热容；

步骤402：将瞬态结温响应ΔT_j(t)关于时间常数τ的离散谱连续化，并将时间t和时间常数τ对数化：

$\mathrm{\Δ}{T}_j\left(z\right)=P_{\mathrm{th}}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}R\left(\mathrm{\ξ}\right)\{1-\exp [-\exp (z-\mathrm{\ξ})\left]\right\}\mathrm{d\ξ}$

步骤403：将上述等式两边取微分：

$\frac{d\left(\mathrm{\Δ}{T}_j\left(z\right)\right)}{\mathrm{dz}}=P_{\mathrm{th}}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}R\left(\mathrm{\ξ}\right)\exp [z-\mathrm{\ξ}-\exp (z-\mathrm{\ξ})]\mathrm{d\ξ}=R\left(z\right)\⊗W\left(z\right)$

其中：W(z)＝exp(z-exp(z))

步骤404：基于贝叶斯反卷积方法，可以得到时间常数谱RN为：

$R_k^{(n+1)}=R_k^{\left(n\right)}\·\frac{1}{\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{W}_{\mathrm{jk}}}\·\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\frac{W_{\mathrm{jk}}\·d\left(\mathrm{\Δ}{T}_j\left(z\right)\right)}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{W}_{\mathrm{ji}}\·R_i^{\left(n\right)}}$

其中n为迭代次数，R_k为时间常数谱对应的向量，W_jk＝exp(z_j-ξ_k-exp(z_j-ξ_k))。

5.根据权利要求1所述的一种无冷板的大功率LED器件固晶层散热性能快速评估方法，其特征在于：时间常数谱中固晶层对应的峰值为第二峰值，从第二峰值中提取峰值幅值R₂，将固晶层的峰值幅值R₂与设定的阈值进行比较，利用它们的差异性实现固晶层的散热性能评估；阈值通过以下方法进行设定：A、正常LED器件测试得到的固晶层的峰值幅值；B、同型号的批次LED器件测得的固晶层幅值通过3σ准则确定。