熱阻的定義和結(jié)構(gòu)介紹及LED封裝器件芯片結(jié)溫測試

　　一、什么是熱阻？

　　首先，為了讓大家更容易理解，我們可以借用電學(xué)的概念，熱阻的概念呢，就是通過類比電阻的概念而引伸出來的，兩者性質(zhì)的相似度非常高。電阻是指阻礙電流傳導(dǎo)的物理量，那對應(yīng)地，熱阻就是阻礙熱流傳導(dǎo)的物理量，同樣條件下熱阻越大，熱流就越不容易通過。

　　假如一個熱源上連接有幾個熱阻值不相等的導(dǎo)熱路徑，那么熱流的大小分布就像電流流過不同電阻時的分布一樣，如圖1所示。

　　電流（熱流）分布圖

　　也就是說，如果在兩個等溫點之間存在幾個導(dǎo)熱路徑，其中有一個路徑的熱阻值非常大，而另一個路徑上的熱阻值非常小，那熱量幾乎都會從熱阻值非常小的那個路徑通過，這是下文會引用到的理論基礎(chǔ)。

　　接下來我們再來看熱阻的物理定義，所謂定義就是告訴我們怎樣可以算出熱阻值。前面已提到，熱阻的定義可類比于電阻，電阻是指導(dǎo)體兩端的電壓差△U與通過導(dǎo)體的電流I的比值，那么，我們就可以很容易地理解到熱阻的定義了。熱阻定義為：熱流通道上橫跨材料兩端的溫度差△T與流過該通道的導(dǎo)熱功率P的比值。用公式表達(dá)就是

　　熱身完畢，接下來請大家走進(jìn)JESD51－1標(biāo)準(zhǔn)里看半導(dǎo)體器件的熱阻。

　　1．1熱阻結(jié)構(gòu)

　　半導(dǎo)體器件的熱阻在JESD51－1標(biāo)準(zhǔn)里有詳細(xì)的定義，

　　我們可以看出（式2）其實是（式1）的補(bǔ)充形式，用（式2）來分析如LED這種半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)會顯得相當(dāng)?shù)闹庇^和方便。

　　LED封裝結(jié)構(gòu)截面圖

　　以圖2常見LED的封裝結(jié)構(gòu)為例，假設(shè)熱源產(chǎn)生的熱量從PN結(jié)一直往下傳導(dǎo)，途經(jīng)芯片－固晶層—器件支架—導(dǎo)熱膏—散熱器為止，而且認(rèn)為散熱器與環(huán)境溫度達(dá)到熱平衡，那么如何知道PN結(jié)到器件支架底部的準(zhǔn)確熱阻值呢？我們來介紹一種新的分析方法——結(jié)構(gòu)函數(shù)法。

　　1．2結(jié)構(gòu)函數(shù)

　　我們把能夠描述半導(dǎo)體器件內(nèi)部材料的熱阻熱容結(jié)構(gòu)的函數(shù)簡稱為結(jié)構(gòu)函數(shù)。在結(jié)構(gòu)函數(shù)里每一種材料的熱阻熱容特性都能直觀地表達(dá)出來，如圖3所示，如階梯一樣，從左往右依次是芯片、固晶層、支架、導(dǎo)熱膏、散熱器。

　　器件結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)函數(shù)

　　提到這里，順便請各位讀者再溫習(xí)下，上一篇文章我們提到，無論是二極管、三極管、場效應(yīng)管還是IGBT，這些半導(dǎo)體器件的結(jié)溫和熱阻都可利用T3ster進(jìn)行測量。而且經(jīng)數(shù)學(xué)運(yùn)算后還可以把熱傳導(dǎo)路徑上的每層結(jié)構(gòu)的熱阻解析出來，找出散熱瓶頸。這里所說的其實就是結(jié)構(gòu)函數(shù)的厲害之處。假如某個器件內(nèi)部的其中一層的材料（例如固晶層）出現(xiàn)了問題，在結(jié)構(gòu)函數(shù)函數(shù)里就可以明顯地表示出來，如圖4所示。

　　固晶異常在結(jié)構(gòu)函數(shù)里的區(qū)分（實線為固晶正常樣品，虛線為固晶異常樣品）

　　固晶異常表現(xiàn)為固晶層的熱阻增大，于是位于固晶下方的結(jié)構(gòu)都平移到正常樣品曲線的右邊。通過結(jié)構(gòu)函數(shù)我們不需要把樣品破壞就能把器件內(nèi)部肉眼看不到的異常給揪出來，就像X－ray一樣！有了結(jié)構(gòu)函數(shù)，不管你是想知道哪一個界面到哪一個界面的熱阻，我們都可以一層一層地劃分出來，前面提到的想知道PN結(jié)到器件支架底部的熱阻值更是不在話下。

　　好，我們通過結(jié)構(gòu)函數(shù)得到了我們想知道的PN結(jié)到器件支架底部的熱阻（稱為），一般器件的規(guī)格書上給出的器件熱阻值嚴(yán)格意義上就是這個?，F(xiàn)在我們來回答文初提到的問題：怎么利用這個熱阻值算出結(jié)溫。

　　二、利用熱阻計算結(jié)溫