一种LED多芯片模块中芯片间热耦合及结温分布的测量方法

摘要

一种LED多芯片模块中芯片间热耦合及结温分布的测量方法，涉及发光二极管热阻及结温测试。针对阵列排布的多芯片模块中结温分布，提出一种芯片间热耦合矩阵用于快速测量模块中的结温分布。利用模块中阵列排布的对称性减少需要测试芯片的数量，获得热耦合矩阵，再通过热耦合矩阵推导出所有芯片的温升，进而获得模块的结温分布，达到简化测试的目的。不仅描述了多芯片之间的耦合情况，而且可计算出每个芯片温升，即模块中的温度分布。根据热耦合矩阵和模块中芯片的排列，可根据简化模型测量少数芯片的温升情况来获得热耦合矩阵，根据热耦合矩阵可精确预测出其他芯片的温升。对于多芯片的模块，测量各个芯片之间的耦合现象和温升时，可减少工作量。

说明书

技术领域

本发明涉及发光二极管(LED)热阻及结温测试，尤其是涉及一种LED多芯片模块中芯片间热耦合及结温分布的测量方法。

背景技术

随着固态照明的日益普及，为得到高光功率输出，大功率多芯片LED模块(multi-chip modules,MCM)的应用逐渐取代单芯片器件。多芯片LED模块克服了单芯片器件在光输出功率上的局限性，能够实现特殊场合的超高光功率需求[1-2]。但是相对于单芯片器件来说，MCM的导热层要传导比单芯片高出几倍甚至几十倍的热功率，导致其结温高的问题。高的结温势必严重降低整个模块的光电特性，光功率的降低又会进一步升高其散热性能，从而恶性循环加速LED的失效，减短寿命[3-4]。因此，多芯片LED模块的热管理技术是近年来的研究热点之一[5-6]。对于多芯片LED模块，高光功率与高结温之间的平衡是光源热管理的重要技术问题。

LED多芯片模块中结温分布的测量较为复杂，因为MCM中，每个芯片都是一个热源。每个芯片的温升一部分是自己产生的还有一部分是由相邻其他芯片之间的热耦合产生的[7-9]。因此在同一热沉上，不同芯片各自的温升不一样，故在分析MCM上芯片的结温分布时，研究芯片之间的热耦合效应尤为重要。

假设MCM上有N个芯片，要测得每个芯片的结温一般有两种办法：一是，利用多通道测试，能直接同时检测到每个芯片的结温；二是，利用单通道测试，这个测试方法要重复做N次，每一次单独测试一个芯片，这样也可以全部测出各个芯片的结温。方法一存在的缺陷是：目前常用的热阻测试仪如T3ster只能同时测试8个通道，当芯片数量大于8时，剩余的N-8个芯片是不能同时测得的；方法二的主要缺点是需要重复做N次，计算量大，需要花费大量的时间。因此，LED模块中芯片间的热耦合及结温分布的测量仍是待解决的技术难题。

参考文献

[1]B.H.Kim and C.H.Moon,“Comparison of the thermal performance of themultichip LED packages,”IEEE Compon.,Packag.,Manuf.Technol.,vol.2,no.11,pp.1832–1837,Nov.2012.

[2]S.Y.R.Hui,H.T.Chen,and X.H.Tao,“An extended photoelectron thermaltheory for LED systems—A tutorial from device characteristic to systemdesign for general lighting,”IEEE Trans.Power Electronics,vol.27,no.1,pp.4571–4583,Nov.2012.

[3]H.T.Chen,D.Y.Lin,S.C.Tan,and S.S.Y.Hui,“Chromatic,photometric andthermal modeling of LED systems with nonidentical LED devices,”IEEETrans.Power Electronics,vol.29,no.12,pp.6636-6647,Dec.2014.

[4]H.T.Chen,Y.J.Lu,Y.L.Gao,H.B.Zhang,and Z.Chen,“The performance ofcompact thermal models for LED package,”Thermochim.Acta,vol.488,no.1-2,pp.33-38,May 2009.

[5]J.Sun and W.S.Moo,“Thermal analysis of LED arrays for automotiveheadlamp with a novel cooling system,”IEEE Trans.Device Mater.Rel.,vol.8,no.3,pp.561–564,Sep.2008.

[6]A.Christensen and S.Graham,“Thermal effects in packaging highpower light emitting diode arrays,”Appl.Therm.Eng.,vol.29,no.2,pp.364–371,Feb.2009.

[7]A.Laubsch,M.Sabathil,J.Baur,M.Peter,and B.Hahn,“High-power andhigh-efficiency InGaN-based light emitters,”IEEE Trans.Electron Devices,vol.57,no.1,pp.79-87,Jan.2010.

[8]Y.Lin,Y.J.Lu,Y.L.Gao,Y.L.Chen,and Z.Chen,“Measuring the thermalresistance of LED packages in practical circumstances,”Thermochim.Acta,vol.520,no.1-2,pp.105-109,Jun.2011

[9]L.Kim,J.H.Choi,S.H.Jang,and M.W.Shin,“Thermal analysis of LEDarray system with heat pipe,”Thermochim.Acta,vol.455,no.1/2,pp.21–25,Apr.2007.

发明内容

本发明的目的在于针对上述MCM结温测试方法中存在的问题，提供一种LED多芯片模块中芯片间热耦合及结温分布的测量方法。

本发明的具体步骤如下：

构建热耦合矩阵模型，具体方法如下：

对于单芯片的LED器件，芯片、铝基板与热沉通过导热的粘结层连接，当芯片到热沉间散热通道上的热阻为R，散热通道上消耗掉的热功率为P时，则LED芯片相对于热沉的温升ΔT,即结温为：

ΔT＝R·P (1)

而热通道上的热阻为：

R＝ΔT/P (2)

对于多芯片的LED模块，芯片数量增加到N时，每个芯片的温升不仅由自身产生的热量引起，还受到附近的芯片对其热耦合传递的热量引起；由热阻R＝ΔT/P的定义可知，模块中的第i个芯片，当自身的热阻为R_i，消耗掉的热功率为P_i时，其自身的温升为ΔT_i＝R_i·P_i。但由于模块中热耦合的存在，设第i芯片和第j芯片之间横向热阻为R_ij，第j芯片将一部分热量χ_ijR_j通过热通道传递到第i芯片而引起第i芯片的温升为ΔT_ij：

ΔT_ij＝R_ij·χ_ijP_j>

其中，第j芯片是指除第i芯片以外的其他N-1个芯片，那么第i芯片的总的温升由两部分组成，一是，芯片自身的温升ΔT_i＝R_i·P_i，二是，由第j芯片对其的热耦合引起的温升ΔT_ij＝R_ij·χ_ijP_j，那么第i芯片的总的温升ΔT_i可表示为：

${\mathrm{\Delta T}}_i=P_i{R}_i+{\Sigma }_{j=1,j\ne i}^N{\chi }_{ij}{P}_j{R}_{ij},(i,j=1,2,3,...,N)---\left(4\right)$

引入参数μ_ij＝R_ij·χ_ij,μ_ii＝1，上式可以简化如下：

${\mathrm{\Delta T}}_i={\Sigma }_{j=1}^N{\mu }_{ij}{P}_j,(i,j=1,2,3,...,N)---\left(5\right)$

引入多芯片热耦合矩阵模型，进一步用矩阵形式表示如下：

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta T}}_1\\ {\mathrm{\Delta T}}_2\\ {\mathrm{\Delta T}}_3\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{\Delta T}}_N\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccccc}{R}_1& {\mu }_{12}& {\mu }_{13}& ...& {\mu }_{1N}\\ {\mu }_{21}& R_2& {\mu }_{23}& ...& {\mu }_{2N}\\ {\mu }_{31}& {\mu }_{32}& R_3& ...& {\mu }_{3N}\\ .& .& .& & .\\ .& .& .& ...& .\\ .& .& .& & .\\ {\mu }_{N1}& {\mu }_{N2}& {\mu }_{N3}& ...& R_N\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{P}_1\\ P_2\\ P_3\\ .\\ .\\ .\\ P_N\end{array}\right)---\left(6\right)$

其中，ΔT₁,ΔT₂,ΔT₃,…,ΔT_N表示第1芯片，第2芯片，第3芯片到第N芯片的温升，P₁,P₂,P₃,…,P_N表示第1芯片，第2芯片，第3芯片到第N芯片的热功率；公式(6)通过热耦合矩阵把模块中每个芯片的温升和热功率联系起来，因此只要知道热耦合矩阵的矩阵系数μ_ij和每个芯片的热功率P_i，即可算出模块中每个芯片的温升，并得到模块中的温度分布。

通过实验可以验证热耦合矩阵的矩阵元μ_ij＝μ_ji，因此，矩阵的获得方法可根据LED多芯片模块中芯片排列方式进一步简化。

本发明针对阵列排布的多芯片模块中结温分布，提出一种芯片间热耦合矩阵(Thermal coupling matrix)用于快速测量模块中的结温分布。本发明利用模块中阵列排布的对称性减少需要测试芯片的数量，获得热耦合矩阵，再通过热耦合矩阵推导出所有芯片的温升，进而获得模块的结温分布，达到简化测试的目的。与现有的测试方法相比，本发明具有如下优点：

1，本发明所提出的热耦合矩阵不仅描述了多芯片之间的耦合情况，而且可以计算出每个芯片温升，即模块中的温度分布。

2，根据热耦合矩阵和模块中芯片的排列，可以根据简化模型测量少数芯片的温升情况来获得热耦合矩阵，根据热耦合矩阵可以精确预测出其他芯片的温升。

3，对于多芯片的模块，测量各个芯片之间的耦合现象和温升时，该方法可以大大减少工作量。

附图说明

图1为单芯片的热阻模型示意图。

图2为单芯片的等效原理示意图。

图3为多芯片的热阻模型示意图。

图4为多芯片的等效原理示意图。

图5为m≠n时m为奇数，n为偶数的m×n多芯片模块的排布及简化步骤图。

图6为m≠n时m与n均为奇数的m×n多芯片模块的排布及简化步骤图。

图7为m≠n时m与n均为偶数的m×n多芯片模块的排布及简化步骤图。

图8为m＝n时m与n均为奇数的m×n多芯片模块的排布及简化步骤图。

图9为m＝n时m与n均为偶数的m×n多芯片模块的排布及简化步骤图。

图10实验所用1×3的多芯片模块样品排列示意图。图中数字表示芯片的序号。

图11实验所用2×2的多芯片模块样品排列示意图。图中数字表示芯片的序号。

图12实验所用2×3的多芯片模块样品排列示意图。图中数字表示芯片的序号。

图中各标记为：1-芯片，2-铝基板、3-粘结层、4-热沉、5-纵对称轴、6-横对称轴、7-对角线对称轴。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

下面简述热耦合矩阵模型的获得方法。对于单芯片的LED器件，如图1所示，芯片1，铝基板2与热沉4通过导热的粘结层3连接。当芯片到热沉间散热通道上的热阻为R，散热通道上消耗掉的热功率为P时，其等效的原理示意图如图2所示，则LED芯片相对于热沉的温升ΔT,即结温为：

ΔT＝R·P (1)

而热通道上的热阻为：

R＝ΔT/P (2)

对于多芯片的LED模块，芯片数量增加到N时，如图3所示，每个芯片的温升不仅由自身产生的热量引起，还受到附近的芯片对其热耦合传递的热量引起。其等效的原理示意图如图4所示，由热阻R＝ΔT/P的定义可知，模块中的第i个芯片，当自身的热阻为R_i，消耗掉的热功率为P_i时，其自身的温升为ΔT_i＝R_i·P_i。但由于模块中热耦合的存在，设第i芯片和第j芯片之间横向热阻为R_ij，第j芯片将一部分热量χ_ijR_j通过热通道传递到第i芯片而引起第i芯片的温升为ΔT_ij：

ΔT_ij＝R_ij·χ_ijP_j>

这里的第j芯片是指除第i芯片以外的其他N-1个芯片。那么第i芯片的总的温升由两部分组成，一是，芯片自身的温升ΔT_i＝R_i·P_i，二是，由第j芯片对其的热耦合引起的温升ΔT_ij＝R_ij·χ_ijP_j，那么第i芯片的总的温升ΔT_i可表示为：

${\mathrm{\Delta T}}_i=P_i{R}_i+{\Sigma }_{j=1,j\ne i}^N{\chi }_{ij}{P}_j{R}_{ij},(i,j=1,2,3,...,N)---\left(4\right)$

引入参数μ_ij＝R_ij·χ_ij,μ_ii＝1，上式可以简化如下：

${\mathrm{\Delta T}}_i={\Sigma }_{j=1}^N{\mu }_{ij}{P}_j,(i,j=1,2,3,...,N)---\left(5\right)$

引入多芯片热耦合矩阵模型，进一步用矩阵形式表示如下：

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta T}}_1\\ {\mathrm{\Delta T}}_2\\ {\mathrm{\Delta T}}_3\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{\Delta T}}_N\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccccc}{R}_1& {\mu }_{12}& {\mu }_{13}& ...& {\mu }_{1N}\\ {\mu }_{21}& R_2& {\mu }_{23}& ...& {\mu }_{2N}\\ {\mu }_{31}& {\mu }_{32}& R_3& ...& {\mu }_{3N}\\ .& .& .& & .\\ .& .& .& ...& .\\ .& .& .& & .\\ {\mu }_{N1}& {\mu }_{N2}& {\mu }_{N3}& ...& R_N\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{P}_1\\ P_2\\ P_3\\ .\\ .\\ .\\ P_N\end{array}\right)---\left(6\right)$

其中，ΔT₁,ΔT₂,ΔT₃,…,ΔT_N表示第1芯片，第2芯片，第3芯片到第N芯片的温升，P₁,P₂,P₃,…,P_N表示第1芯片，第2芯片，第3芯片到第N芯片的热功率。公式(6)通过热耦合矩阵把模块中每个芯片的温升和热功率联系起来。因此只要知道热耦合矩阵的矩阵系数μ_ij和每个芯片的热功率P_i，就可以算出模块中每个芯片的温升，从而知道模块中的温度分布。

由于矩阵元的个数是芯片个数的平方，工作量很大，因此通过实验可以验证热耦合矩阵的矩阵元μ_ij＝μ_ji，矩阵的获得方法可根据LED多芯片模块中芯片排列方式进一步简化。对于阵列排布的LED多芯片模块，设有m×n个芯片，其简化方法如下：

1，m≠n时，芯片的排布及简化步骤如图5～7所示，图5中m和n中有一个是奇数一个是偶数，图6中m和n均为奇数；图7中m和n均为偶数。这三种排布中有且仅有两条对称轴，一条横对称轴，一条纵对称轴。若m是奇数，n是偶数，经过两次对称后，需要测试的芯片个数为若m和n均为偶数，经过两次对称后需要测试的芯片个数为若m和n均为奇数，经过两次对称后需要测试的芯片个数为鉴于此，可以计算出m≠n时需要测量的芯片个数n_i为：

2，m＝n时，芯片的排布及简化步骤如图8和9所示，图8中m和n均为奇数；图9中m和n均为偶数。这两种排布中有且仅有三条对称轴，一条对称轴在横轴上，一条对称轴在纵轴上，一条对称轴在对角线上。若m和n均为偶数，则经过横纵轴对称后需要测试的芯片个数为再经过对角线对称后需要测试的芯片个数为若m和n均为奇数，则经过横纵轴对称后需要测试的芯片个数为再经过对角线对称后需要测试的芯片个数为鉴于此，可以计算出m＝n时需要测量的芯片个数n_i为：

以下结合芯片排列m×n分别为1×3(m,n是奇数)，2×2(m,n是偶数)，2×3(m是偶数,n是奇数)的多芯片模块作为实施案例对本发明的详细内容进行说明：

实施例1

芯片排列为1×3的多芯片模块如图10所示，图中用数字表示芯片的序号，每个芯片的额定功率为1W，工作电流为350mA。实验步骤如下：

(1)首先设置热沉温度为25℃，测试电流为3mA，加热电流为350mA。用热阻测试仪器T3ster测试各个芯片分别在第1芯片点亮；第2芯片点亮；第1和第2芯片同时点亮；第1和第3芯片同时点亮；3个芯片同时点亮的5种情况下每个芯片的温升，表1的T3ster测试数据部分列出了各个芯片在不同实验条件下各自的温升。

(2)利用热耦合矩阵及简化方法推导出步骤1实验条件下各芯片的温升。对于1×3的多芯片模块，根据对称性我们只要测量其中的两个芯片，如第1芯片和第2芯片单独点亮时，各芯片的温升就可以得到热耦合矩阵。

(3)将步骤2所得到的实验数据带入公式(6)，结合各芯片消耗掉的热功率，得到1×3多芯片模块的热耦合矩阵(9)。

(4)根据热耦合矩阵(9)与各芯片消耗掉的热功率，可以计算出步骤1中不同实验条件下各个芯片的温升，见表1中的热耦合矩阵方法获得的数据部分。

(5)对比表1中二种方法的数据，发现两者的偏差最大为4.99％，说明热耦合矩阵模型及其简化方法是合理的。

表1 1×3多芯片模块的实验数据和理论数据

$\left(\begin{array}{c}\Delta T_1\\ {\mathrm{\Delta T}}_2\\ {\mathrm{\Delta T}}_3\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}17.76& 1.86& 0.84\\ 1.86& 17.79& 1.97\\ 0.84& 1.97& 17.76\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{P}_1\\ P_2\\ P_3\end{array}\right)---\left(9\right)$

实施例2

芯片排列为2×2的多芯片模块如图11所示，图中用数字表示芯片的序号，每个芯片的额定功率为1W，工作电流为350mA。实验步骤如下：

(1)首先设置热沉温度为25℃，测试电流为3mA，加热电流为350mA。用热阻测试仪器T3ster测试各个芯片分别在第1芯片单独点亮；第1和第2芯片同时点亮，第1和第3芯片同时点亮；第1、第2和第3芯片同时点亮；4个芯片同时点亮的5种实验条件下每个芯片的温升，表2的T3ster测试数据部分列出了各个芯片在不同实验条件下各自的温升。

(2)利用热耦合矩阵及简化方法推导出步骤1实验条件下各芯片的温升。对于2×2多芯片模块，根据对称性，只要测量其中的1个芯片，如第1芯片单独点亮时，各芯片的温升就可以得到热耦合矩阵。

(3)将步骤(2)所得到的实验数据带入公式(6)，结合各芯片消耗的热功率，得到2×2多芯片模块的热耦合矩阵(10)。

(4)根据热耦合矩阵(10)与各芯片消耗掉的热功率，我们可以计算出步骤1中不同实验条件下各个芯片的温升，见表2中的热耦合矩阵方法获得的数据部分。

(5)对比表2中二种方法的数据，发现两者的偏差最大为8.39％，说明热耦合矩阵模型及其简化方法是合理的。

表2 2×2芯片的实验数据和理论数据

$\left(\begin{array}{c}\Delta T_1\\ {\mathrm{\Delta T}}_2\\ {\mathrm{\Delta T}}_3\\ {\mathrm{\Delta T}}_4\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cccc}17.26& 1.91& 1.41& 2.20\\ 1.91& 17.26& 2.20& 1.41\\ 1.41& 2.20& 17.26& 1.91\\ 2.20& 1.41& 1.91& 17.26\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{P}_1\\ P_2\\ P_3\\ P_4\end{array}\right)---\left(10\right)$

实施例3

芯片排列为2×3的多芯片模块如图12所示，图中用数字表示芯片的序号，每个芯片的额定功率为1W，工作电流为350mA。实验步骤如下：

(1)首先设置热沉温度为25℃，测试电流为3mA，加热电流为350mA。用热阻测试仪器T3ster测试各个芯片分别在第1芯片单独点亮；第2芯片单独点亮；第1和第2芯片同时点亮；第1、第2和第3芯片同时点亮；第1、第2、第3和第4芯片同时点亮；第1、第2、第3、第4和第5芯片同时点亮；6个芯片同时点亮的6种实验条件下每个芯片的温升，表3的实验数据部分列出了各个芯片在不同实验条件下各自的温升。

(2)利用热耦合矩阵及简化方法推导出步骤1实验条件下各芯片的温升。对于2×3多芯片模块，根据对称性，只要测量其中的2个芯片，如第1芯片和第2芯片，单独点亮时各芯片的温升就可以得到热耦合矩阵。

(3)将步骤(2)所得到的实验数据带入公式(6)，结合各芯片消耗的热功率，得到2×3多芯片模块的热耦合矩阵(11)。

(4)根据热耦合矩阵(11)与各芯片消耗掉的热功率，可以计算出步骤(1)中不同实验条件下各个芯片的温升，见表3中的热耦合矩阵方法获得的数据部分。

(5)对比表3中二种方法的数据，发现两者的偏差最大为8.63％，说明热耦合矩阵模型及其简化方法是合理的。

表3 2×3芯片的实验数据和理论数据

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta T}}_1\\ {\mathrm{\Delta T}}_2\\ {\mathrm{\Delta T}}_3\\ {\mathrm{\Delta T}}_4\\ {\mathrm{\Delta T}}_5\\ {\mathrm{\Delta T}}_6\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cccccc}18.14& 2.02& 0.90& 0.51& 1.52& 2.17\\ 2.03& 17.45& 1.91& 1.35& 1.97& 1.29\\ 0.90& 1.91& 18.14& 2.17& 1.52& 0.51\\ 0.51& 1.35& 2.17& 18.14& 2.03& 0.90\\ 1.52& 1.97& 1.52& 2.03& 17.41& 2.03\\ 2.17& 1.29& 0.51& 0.90& 2.03& 18.14\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{P}_1\\ P_2\\ P_3\\ P_4\\ P_5\\ P_6\end{array}\right)---\left(11\right)$

本发明针对阵列排布的多芯片模块中结温分布，提出一种芯片间热耦合矩阵(Thermal coupling matrix)用于快速测量模块中的结温分布。本发明利用模块中阵列排布的对称性减少需要测试芯片的数量，获得热耦合矩阵，再通过热耦合矩阵推导出所有芯片的温升，进而获得模块的结温分布，达到简化测试的目的。