1. 概述：
LED固体光源具有效率高、寿命长，应用灵活、无污染等优点，目前已广泛应用于照明领域。然而LED所消耗的电能中，多数转化成了热能，使芯片温度明显升高，而温度对LED性能具有重要的影响，包括色温改变、效率下降、降低寿命和可靠性等。因此，提高LED热管理性能成为大功率LED结构设计中亟需解决的关键技术环节。
常用的LED热管理分析技术包括使用热设计软件仿真和使用热阻分析设备进行测量。前者通常用于LED的热管理设计;而后者着重于对实际样品的热阻测量和分析，以检验设计方案的实际效果和产品质量，并改进制造工艺或指导二次设计。
2. 热阻基本原理
LED的散热通过三种方式进行：热传导，对流，热辐射。在LED内部，热传导是主要的散热途径，其热传导性能取决于介质的热阻抗。热阻抗由热阻和热容共同决定。其中热阻的定义为：
。式中ΔT为温差，Rth为热阻，P为热功率。
如图1所示，将热流与电流相对应，电势与温度相对应，则热阻与电阻相对应，热容与电容相对应。对于任意的导热介质元，可以简化为一个R-C并联回路：
当热流经过该介质单元时，就会在两端形成温差。与电路类似，初始时热量将在热容中累积，两端温差逐渐增大，直至达到热平衡，此时的热阻通常所称的“稳态热阻”。而在器件达到热平衡之前，受热容和热阻共同影响，器件的结温不断变化，对应热阻也随时间变化，该热阻称为“瞬态热阻”。对瞬态热阻的测量是热阻结构测量的基础。
3. 热阻测量和热阻结构函数
3.1 热阻结构测量的必要性
理论上说，当我们确定了一个器件的材质、形状、尺寸等信息，它的热容和热阻即可以确定。然而，在LED中，除了各个器件本身的热特征之外，相互接触的交界面上还存在接触热阻。决定接触热阻的因素很多，例如接触面的平整程度、正压力、光洁度、温度或者连接层工艺等。这些因素往往与接触热阻呈非线性关系，而且实际情况难以确定，还可能随环境变化而变化。因此，仅通过仿真模拟无法准确了解一个实际产品内部的热管理情形。要更准确地描述实际产品的热管理，就必须进行热阻结构测量。
如图2和图3所示，通常的热阻测量仅能给出器件整体的热阻值，并不能反映出内部热量分布关系，而热阻结构测量却可以给出器件内部的分层热阻信息，对实际设计或工艺改进具有重要的指导作用。
3.2 热阻结构测量技术
热阻测量中，获取热阻结构特征的第一步为测量瞬态热阻曲线，即结温变化曲线，如图4所示。
不难看出，温度变化的信息主要包含在测试初期很短的时间内。要很好地分辨出LED芯片这样的微小结构，需要能够在微秒级的时间内对结温采样测量;同时，由于测量分析对噪声相当敏感，确定的边界条件和稳定的供电电源也至关重要，也即，测试设备必须实现MHz级的高精度测量采样，才能满足LED热阻结构分析的需求，这是具有相当挑战性的。
另外，LED消耗的电功率一般转化成热功率和光辐射功率两部分，而根据定义，热阻是热传导路径上温度差与热功率的比值，而要准确获取热功率，就必须对LED进行光辐射度测量，而实际上，现有的一些热阻测量系统并没有考虑提出光辐射功率，它们测量的只能称为“参考热阻”【4】。
3.3 热阻结构函数分析
热阻结构函数分析是获取LED热阻结构的关键，同时也是难点所在。
现实中我们很难得到连续的热阻结构函数，而是通常采用有限元分析法，将热传导路径分解成有限个单元，计算各个单元的热容和热阻，以获取热阻结构函数的离散形式。基本原理中我们已经提到，可以用电路的形式来描述热传导介质，使分析过程更为直观。对一维热传导介质的有限元模型可以R-C电路的形式表示为Cauer模型回路，见图5。
该模型描述了热流从PN结至热沉过程中，依次经过的各个单元所具有的热容和热阻。分析时采用的Cauer模型的单元越多，对介质的描述越细致，与实际情形也越接近。
热阻结构函数描述的是热传导路径上介质的热容与热阻间的关系，可分为微分结构函数和积分结构函数两种。图6即为积分结构函数曲线的示例。积分结构函数的横坐标值代表从热传导出发点至当前点的累积热阻值，纵坐标代表从热传导出发点至当前点的总热容值。微分结构函数则是积分结构函数关于横坐标求导后的结果，类似于“热容密度”函数。在获取离散形式热阻结构函数的过程中，由于计算过程中涉及了大量卷积，反卷积，以及多次如傅里叶变换等数学处理过程，随着Cauer模型单元数的增加，对测量精度，速度的要求以及计算量都将急剧上升。
4. 应用实例
4.1 测试设备
本次测试选用了我国自主研发的远方TRA-200热阻分析仪，见图7。TRA-200是专门用于热阻分析的设备，其可实现在1微秒内对瞬态温度的精确测量，且噪声较低，并具有辐射度测量功能，可记录升温、降温曲线，精确测量LED封装产品的热阻、参考热阻、结温、光辐射功率、电压、电流等参数。
本次测试选用的被测样本是一个由芯片、金属外壳和铝基板构成的LED。本文对同一样本进行了两次实验，一次该样本铝基板直接与热沉接触，另一次在铝基板与热沉间涂上了导热硅脂。对其各自进行热阻测量，并将结果进行对比。
4.2 测试
进行两次实验，均对被测样本施加1050.4mA电流，等待其结温升至热平衡状态。为保证达到热平衡，两次实验加热时间均达到了约117秒。如图8直接接触热沉的样本热平衡时温度为81.76度;在热沉与铝基板间加导热硅脂的样本温度为78.52度。
上图中的采样时间为呈对数分布，采样间隔在初期为1微秒，后期随温度变化逐渐缓和，采样间隔也相应加长。可以看出，在铝基板和温控热沉间加入导热硅脂后，在同样的电流下，达到热平衡时结温的温度低于铝基板与热沉直接接触的情况。这说明此时LED的散热更好，根据热阻的定义式，此时的稳态热阻也更小。
图中从左至右表示从芯片的PN结出发至热沉的热流传导路径所经过的导热介质。图10中峰值区域对应LED的主要组成器件。两次实验曲线最右段出现了明显的分离，可以看出样本铝基板与热沉间涂抹导热硅脂后，接触热阻明显减小，这是因为涂上导热硅脂后的导热能力要强于直接接触。测得的热阻结构函数很好地体现了这一点。
对比实验证明，热阻结构函数测量技术能够很好得给出LED内部的热管理信息。
5. 总结
本文介绍了热传导分析的基本原理和常用方法，以及热阻结构测量和热阻结构函数。热阻结构测量技术可以体现LED内部热阻分布，即热阻结构函数。通过将热阻结构函数应用于LED热管理分析，可以了解实际样品内部各个器件的热阻大小以及它们相互间接触热阻的大小，从而对于下一步设计和改进提供指导。本文采用我国自主研发的热阻分析系统进行对比实验，实验结果显示，所测得的热阻结构函数准确清晰地体现了真实物理信息，可以给设计者提供参考。热阻结构测量技术对于LED热性能的设计和检测均十分重要。
参考文献：
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[5] 王伟, 王万良, 潘建根, 李倩. 大功率LED参考热阻测试系统研究与分析[J], 液晶与显示, 2009(2)：294-298
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http://www.coema.org.cn/study/leds/20120315/144537.html, 2012-3-15
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