上一篇文章我們已經(jīng)簡單地介紹了LED結(jié)溫的熱瞬態(tài)測試方法，這種方法利用LED本身的熱敏感參數(shù)——電壓變化來反算出溫升，從而得到工作狀態(tài)下的結(jié)溫。那么我們除了測試的方法還有沒有其他方法可以知道器件工作時候的結(jié)溫呢?業(yè)界老手肯定都知道，結(jié)溫其實是可以算出來的!

　　不過在算之前我們必須要知道器件的熱阻值(一般器件的規(guī)格書上都有熱阻值)，然后在器件工作狀態(tài)下用熱電偶測量引腳溫度或殼溫來算出結(jié)溫。那么熱阻是什么玩意呢，結(jié)溫又是如何利用熱阻和殼溫計算得到呢?下面就為大家一一講解。

　　1. 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。

圖1 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。用公式表達就是

　　熱身完畢，接下來請大家走進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)里有詳細的定義，

　　我們可以看出(式2)其實是(式1)的補充形式，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。

圖2 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，而且認為散熱器與環(huán)境溫度達到熱平衡，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。

圖3 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 進行測量。而且經(jīng)數(shù)學(xué)運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。

圖4 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R_θJB)，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R_θJB。 現(xiàn)在我們來回答文初提到的問題：怎么利用R_θJB這個熱阻值算出結(jié)溫。

　　2. 利用熱阻計算結(jié)溫

　　R_θJB代表的是PN結(jié)到支架底部的熱阻值，我們可以運用(式2)，把(式2)移項就可以得到

　　其中T_B是指支架底部的溫度，一般我們是量不出這個支架底部的溫度的，因為器件工作時這個底部已經(jīng)被焊在鋁基板或普通FR4基板上。雖然我們得不到T_B的值，但我們可以近似的方法，事實上，目前最常用的測試方法就是用熱電偶測試器件工作時的支架外殼與基板接觸點的溫度，如圖5及圖6所示，我們一般把這個溫度稱為T_C。也就是說，我們是把T_C≈T_B了。

圖5 用熱電偶測試燈珠支架外緣溫度

圖6 與 的位置關(guān)系圖

　　T_B與T_C這兩個點的位置會存在一定的溫度差，而且一般情況下是T_C＜T_B。近似處理之后，(式3)就變成了(式4)。

　　要運用(式4)，我們還必須要知道器件的熱功率，可以通過(式5)求得。

　　其中P_E指的是電功率，P_O指的是光功率。對于LED器件來說，熱功率只能由電功率減去光功率求出，而光功率可以利用積分球測量得到;對于不發(fā)光的半導(dǎo)體器件，它的熱功率就直接等同于電功率，可以直接代入計算。這樣，我們就可以通過規(guī)格書上面的器件熱阻值以及熱電偶測量引腳溫度或殼溫來計算得出結(jié)溫的數(shù)值了。

　　可能大家會很疑惑，這個如此神奇的結(jié)構(gòu)函數(shù)是怎么得出來的呢?關(guān)于結(jié)構(gòu)函數(shù)的推導(dǎo)我們將會在<下篇>給出詳細的推導(dǎo)，各位不要錯過了哦!