CN104569065B - 一种大功率led器件固晶层散热性能的快速评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大功率LED器件固晶层散热性能的快速评估方法，属于半导体器件测试技术领域。包括以下步骤：步骤一：搭建用于测量大功率LED器件瞬态电压的测试系统；步骤二：利用所述测试系统测量大功率LED器件加热电流切换至测量电流的冷却电压曲线；步骤三：对电压曲线进行归一化处理；步骤四：对归一化的电压曲线进行等效数学变换，获得时间常数谱；步骤五：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；本方法利用归一化的电压曲线得到的时间常数谱的特征参量进行固晶层的散热性能评估，无需进行K系数的标定和耗散热功率的测试，因此操作简单，省时，便于批量大功率LED器件固晶层散热性能的快速评估。

Description

一种大功率LED器件固晶层散热性能的快速评估方法

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，涉及一种大功率LED器件固晶层散热性能的快速评估方法。

背景技术

在半导体的封装工艺中，固晶是最重要的环节之一，即将芯片通过银胶或者锡铅、锡银等合金焊料固定于支架热沉上。芯片产生的热量主要是通过热传导的方式经过固晶层和热沉传到外部散热器或者环境中。固晶层作为连接芯片和热沉的媒介，对半导体器件的整个热传导起着重要作用，其散热性能直接影响器件的结温和可靠性。然而在固晶工艺中，操作不当、支架表面或者芯片表面污染、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，使其半导体器件整体散热性能变差，甚至造成使用过程中的早期失效。因此，需要进行固晶层的散热性能评估和缺陷检测。由于固晶层内部的缺陷将导致有效的散热面积减小，根据热阻的计算公式，R_th＝l/kS(l为固晶层高度，k为导热系数，S为固晶层面积)，有效散热面积S减小，将导致固晶层热阻增大。因此测试固晶层的热阻，可以实现有缺陷的固晶层的散热性能评估。

由于固晶层处于半导体器件的内部，目前通用的稳态电学参数测量法只能提供半导体器件的整体热阻，而无法提供固晶层的热阻。利用结壳热阻的瞬态热阻测试技术，对半导体器件施加阶跃电功率，通过测量器件正向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温升，进一步除以半导体器件的耗散热功率得到瞬态热阻。瞬态热阻曲线包含了热流在传导路径上流经的每层结构的详细热学参数信息。通过一系列等效数学变化可以抽取出热流传导路径上每层结构的热阻和热容，从而实现固晶层热阻的检测。

基于结壳热阻的瞬态热阻测试技术在半导体器件的固晶层散热性能评估方面有很大的优势，但是该方法需要进行K系数标定和测量热耗散功率，操作步骤复杂、费时，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大功率LED器件固晶层散热性能的快速评估方法，特别是一种基于归一化瞬态电压曲线的固晶层散热性能快速评估方法，以解决K系数标定和测量热耗散功率带来的操作复杂，费时的问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种大功率LED器件固晶层散热性能的快速评估方法，包括以下步骤：

步骤10：搭建用于测量大功率LED器件瞬态电压的测试系统；

步骤20：利用所述测试系统测量大功率LED器件加热电流切换至测量电流的冷却电压曲线；

步骤30：对电压曲线进行归一化处理；

步骤40：对归一化的电压曲线进行等效数学变换，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10包括：

步骤101：提供恒流模块、高速开关模块、恒温台、数据采集模块和计算机；

步骤102：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器件贴附于良好接触的恒温台。

进一步，所述步骤20包括：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器件进行电压参数采集，直至热平衡。

进一步，所述步骤30包括：将采集的电压V_j(t)利用以下公式进行归一化处理，得到归一化电压V_Normal(t)，

其中V_j(0)为切换至测试电流瞬间的电压值，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：根据导通电压V_j(t)，结温T_j(t)，和瞬态热阻Z_j(t)三者之间的关系：

T_j(t)＝T_c+K·[V_j(t)-V_j(∞)]

其中，T_c为冷板的参考温度；K为电压温度线性系数；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；

得到归一化电压V_Normal(t)的具体表达式：

其中∑R_i为热传导路径上每层结构的热阻总和，RN_i为热传导路径上每层结构的归一化热阻；归一化电压V_Normal(t)可以看出不同幅值RN_i和不同时间常数τ_i的多指数函数叠加，一系列的幅值RN_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RN_i的峰值。

步骤402：将归一化电压V_Normal(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：

步骤403：将上述等式两边取微分：

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：

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

进一步，所述步骤50包括：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RN₂，将固晶层的峰值幅值RN₂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。

本发明的有益效果在于：本发明利用归一化的电压曲线计算得到的时间常数谱进行固晶层的散热性能评估，无需进行K系数的标定和耗散热功率的测试，因此本方法操作简单，省时，便于批量半导体器件固晶层散热性能的快速评估。

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为测试系统示意图；

图3为LED器件的一维导热网络模型；

图4为不同LED器件的电压变化曲线V_j(t)；

图5为不同LED器件的归一化电压曲线V_Normal(t)；

图6为不同LED器件的时间常数谱。

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。基于结壳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温升，进一步除以半导体器件的耗散热功率得到瞬态热阻。瞬态热阻曲线包含了热流在一维热传导路径上芯片、固晶层、热沉、导热硅脂和冷板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。即：

其中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。

再通过时间对数化、数值求导、反卷积等一系列等效数学变换可以更加直观的表征器件一维热传导路径上各层结构热学特性的时间常数谱，芯片产生的热流每流经一个层，就会在时间常数谱上形成一个峰值，峰值的高低为热阻的大小R_i、峰值的位置为时间常数τ_i，即热阻和热容的乘积。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器件一维热流传导路径上芯片、固晶层、热沉、导热硅脂和冷板每层结构的热阻。

将测得的器件瞬态电压进行归一化处理得到的归一化电压V_Normal(t)同样包含了大功率LED器件一维热流传导路径上芯片、固晶层、热沉、导热硅脂和冷板每层结构的热学信息。

对应的时间常数谱的峰值幅值为相对热阻RN_i、峰值位置同样为时间常数τ_i，若固晶层中存在缺陷将导致固晶层热阻增大，热阻变化量为△R，由于：

因此有缺陷器件时间常数谱中固晶层峰值幅值R_x/∑R_i大于正常器件的峰值幅值，表明利用归一化电压V_Normal(t)得到的时间常数谱同样可以大功率LED器件固晶层的散热性能评估。

图1为本发明所述方法的流程示意图，如图所示，本发明提供的大功率LED器件固晶层散热性能的快速评估方法包括以下步骤：步骤1：搭建用于测量大功率LED器件瞬态电压的测试系统；步骤2：利用所述测试系统测量大功率LED器件加热电流切换至测量电流的冷却电压曲线；步骤3：对电压曲线进行归一化处理；步骤4：对归一化的电压曲线进行等效数学变换，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。

在本实施例中，具体步骤如下：

1)搭建用于测量大功率LED器件瞬态电压的测试系统，如图2所示。

2)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LED器件两端的正向导通电压V_j(t)，直至器件达到热平衡。图3为LED器件的一维导热网络模型，图4为不同LED器件的电压变化曲线V_j(t)。

3)将正向导通电压V_j(t)利用公式(1)进行归一化处理，得到归一化电压V_Normal(t)，即：

其中V_j(0)为切换至测试电流瞬间的电压值，V_j(∞)为切换至测试电流热平衡后的电压值，图5为不同LED器件的归一化电压曲线V_Normal(t)；

导通电压V_j(t)，结温T_j(t)，和瞬态热阻Z_j(t)三者满足如下关系：

T_j(t)＝T_c+K·[V_j(t)-V_j(∞)] (2)

其中，T_c为冷板的参考温度；K为电压温度线性系数；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。根据式(2)和式(3)，可以得到归一化电压V_Normal(t)的表达式为：

∑R_i为热传导路径上每层结构的热阻总和。

4)根据归一化的电压曲线计算对应的时间常数谱。根据式(3)，其时间常数谱热传导路径上每层结构的热阻R_i和时间常数C_i组成；而根据式(4)，其时间常数谱可以看成为每层结构的等效热阻R_i/∑R_i和等效时间常数C_i·∑R_i组成。由于LED器件的热传导路径主要为一维传导，热流依次流经芯片、固晶层、热沉、导热硅脂和冷板，根据其热传导路径确定为固晶层对应的峰值为第二峰值。图6为不同LED器件的时间常数谱。

5)若固晶层中存在缺陷将导致热阻增大，热阻变化量为△R，由于：

因此在时间常数谱中，固晶层对应的等效热阻R_x/∑R_i的幅值亦将增大。将固晶层的峰值幅值与设定的阈值进行比较，利用它们的差异性实现有缺陷的固晶层的散热性能评估。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，则认为该固晶层有散热性能问题，即存在空洞或者分层等缺陷。图6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器件固晶层的散热性能评估。

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 (4)

1.一种大功率LED器件固晶层散热性能的快速评估方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤10：搭建用于测量大功率LED器件瞬态电压的测试系统；

步骤20：利用所述测试系统测量大功率LED器件加热电流切换至测量电流的冷却电压曲线；

步骤30：对电压曲线进行归一化处理；

步骤40：对归一化的电压曲线进行等效数学变换，获得时间常数谱；

所述步骤40包括：

步骤401：根据导通电压V_j(t)，结温T_j(t)，和瞬态热阻Z_j(t)三者之间的关系：

T_j(t)＝T_c+K·[V_j(t)-V_j(∞)]

$Z_j\left(t\right)=\frac{T_j\left(t\right)-T_c}{P_{th}}=\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{R}_i\[1-\exp (-t/{\mathrm{\τ}}_i)\]$

其中，T_c为冷板的参考温度；K为电压温度线性系数；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；

得到归一化电压V_Normal(t)的具体表达式：

$V_{Normal}\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}\frac{R_i}{\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{R}_i}\[1-\exp (-t/{\mathrm{\τ}}_i)\]=\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{\mathrm{RN}}_i\[1-\exp (-t/{\mathrm{\τ}}_i)\]$

其中∑R_i为热传导路径上每层结构的热阻总和，RN_i为热传导路径上每层结构的归一化热阻；

步骤402：将归一化电压V_Normal(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：

$V_{Normal}\left(z\right)=\underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\∫}}RN\left(\mathrm{\ξ}\right)\{1-\exp \[-\exp (z-\mathrm{\ξ})\]\}d\mathrm{\ξ}$

步骤403：将上述等式两边取微分：

$\frac{{\mathrm{dV}}_{Normal}\left(z\right)}{dz}=\underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\∫}}RN\left(\mathrm{\ξ}\right)\exp \[z-\mathrm{\ξ}-\exp (z-\mathrm{\ξ})\]d\mathrm{\ξ}=RN\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，得到时间常数谱RN为：

${\mathrm{RN}}_k^{(n+1)}={\mathrm{RN}}_k^{\left(n\right)}\·\frac{1}{\underset{j}{\Σ}{W}_{jk}}\·\underset{j}{\Σ}\frac{W_{jk}\·d\left(V_{Normal}\right(z\left)\right)}{\underset{i}{\Σ}{W}_{ji}\·{\mathrm{RN}}_i^{\left(n\right)}}$

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

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；所述步骤50包括：

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RN₂，将固晶层的峰值幅值RN₂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。

2.根据权利要求1所述的一种大功率LED器件固晶层散热性能的快速评估方法，其特征在于：所述步骤10包括：

步骤101：提供恒流模块、高速开关模块、恒温台、数据采集模块和计算机；

步骤102：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器件贴附于良好接触的恒温台。

3.根据权利要求1所述的一种大功率LED器件固晶层散热性能的快速评估方法，其特征在于：所述步骤20包括：

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器件进行电压参数采集，直至热平衡。

4.根据权利要求1所述的一种大功率LED器件固晶层散热性能的快速评估方法，其特征在于：所述步骤30包括：将采集的电压V_j(t)利用以下公式进行归一化处理，得到归一化电压V_Normal(t)，

$V_{Normal}\left(t\right)=\frac{V_j\left(t\right)-V_j\left(\mathrm{\∞}\right)}{V_j\left(0\right)-V_j\left(\mathrm{\∞}\right)}$

其中V_j(0)为切换至测试电流瞬间的电压值，V_j(∞)为切换至测试电流热平衡后的电压值。