熱傳遞路徑對 LED燈泡接面溫度的影響

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國立交通大學

工學院精密與自動化工程學程

碩士論文

熱傳遞路徑對 LED 燈泡接面溫度的影響

The effects of heat transfer path on the

junction temperature of LED blub

研究生：賴俊明

指導教授：傅武雄博士

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熱傳遞路徑對 LED 燈泡接面溫度的影響

The effects of heat transfer path on the junction temperature of LED blub

研究生：賴俊明 Student：Chun-Ming Lai 指導教授：傅武雄 Advisor：Wu-Shung Fu

國立交通大學

工學院精密與自動化工程學程

碩士論文

A Thesis

Submitted to Degree Program of Automation and Precision Engineering

College of Engineering National Chiao Tung University in Partial Fulfillment of the Requirements

for the Degree of Master of Science

In

Automation and Precision Engineering July 2012

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熱傳遞路徑對 LED 燈泡接面溫度的影響研究生：賴俊明指導教授：傅武雄博士國立交通大學工學院精密與自動化工程學程 摘要 LED 接面溫度(Tj)與 LED 壽命顯著逆相關:有效控制接面溫度(Tj)，能直接影響 LED 的亮度衰減、色溫改變及使用壽命的特性。本研究探討 LED 燈泡之熱傳系統，在被控制的環境對流係數與熱源功率之相同條件下，調控不同之電路基板(PCB)、導熱介質與散熱外殼等條件，來建構不同的熱傳途徑，並量測 LED 的接面溫度 Tj 用以評估最佳化的熱傳途徑，達到 LED 燈源的有效的熱傳遞，以提升 LED 燈具的壽命。

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The effects of heat transfer path on the junction temperature of LED blub Student：Chun-Ming Lai Advisor：Wu-Shung Fu

Degree program of Automation and Precision Engineering College of Engineering

National Chiao Tung University ABSTRACT

This study is investigated the effects of heat transfer path on the junction temperature(Tj) of LED blub by Tj measurement method.The characteristics of LED such as the decay of the lumen output,the color changed and the life time are all depend on the Tj value. The parameters of this study include the controlled convention,power comsuption,PCB material,thermal interface material,heat sink. The different thermal flow pathway is induced the different Tj value by varying the PCB material, thermal interface material, heat sink. The life time of the LED Bulb can be increased by the optimization of the thermal flow pathway.

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誌謝能夠順利完成研究所學程，要感謝的人很多，而其中最要感謝的就是傅教授武雄先生，教授對我的論文指導，不止是在論文的方向，也讓我知道我的論文研究，應該如何應用於工作中，更對原本的工作有著更深一層了解。讓我對於工作更有自信，這無疑是進研究所最大的收穫。感謝公司當時的主管與同事，讓我有必需要再進修的動力。感謝產品研發部處長謝錦坤先生讓我有足夠時間與機會可以到交大進修。感謝吳孟齋經理、周士欽先生，在我論文遇到瓶頸時，不吝於以他們專業的見解，給我建議，讓我的論文可以順利進行下去，而且當我在學校課業需要，必頇請假時，也會給於必要的支援，謝謝。最後，很慶幸，時間並沒有淡化我對於研究所的熱忱，以及到研究所進修的渴望，也感謝所有幫助過我的人。天時，地利，人合，只要不放棄，願望一定會達成的。

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中文摘要 ……… Ⅰ 英文摘要 ……… II 誌謝 ……… III 目錄 ……… IIV 表目錄 ……… IV 圖目錄 ……… IVII 符號說明 ……… XI 一、緒論……… 1 1-1 前言……… 1 1-2 文獻回顧.……… 2 1-3 研究動機與目的……… 3 1-4 本文架構……… 3 二、理論基礎……… 7 2.1 LED 發光原理……… 7 2.2 LED 熱傳遞理論……… 8 2.3 LED 燈泡的主要結構……… 13 三、實驗/量測方法介紹……… 25 3.1 實驗計畫法介紹……… 25 3.2 順向偏壓法……… 28 四、熱傳導路徑實驗……… 36 4.1 LED 燈泡結構模型條件……… 36 4.2 實驗步驟與量測數值……… 38 4.3 實驗/量測結果……… 44 五、實驗因子影響效應……… 75 5.1 基板板材影響效應……… 75 5.2 導熱材料影響效應……… 76 5.3 外殼影響效應……… 77 六、結論……… 78 參考文獻 ……… 79

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表目錄

第一章、緒論表 1-1 LED 燈泡與傳統燈泡效率比較表……… 5 表 1-2 LED 照明優點歸納表……… 6 第二章、基礎理論表 2-1 材料熱傳導係數 k 值(單位. W/m·K)……… 18 表 2-2 LED 產業照明專業術語……… 19 表 2-3 LED 燈泡主要規格項……… 20 第三章、實驗方法介紹表 3-1 「一次一因子」實驗計畫表……… 31 表 3-2 「全因子直交表」實驗計畫表……… 31 表 3-3 _L4(2 3 )直交表表……… 31 表 3-4 LED 於各溫度下之 VF@IM……… 32 第四章、熱傳導路徑的實驗表 4-1 _{導熱貼片-型號為 30G-TL 導熱係數……… 46} 表 4-2 _{導熱膠 -型號為 SR-8200 導熱係數……… 46} 表 4-3 因子符號與水準說明……… 47 表 4-4 一次一因子實驗計畫表……… 47 表 4-5. 各實驗模組於各溫度下 Ta & Vf 對照表……… 48 表 4-6. Exp1.鋁電路基板(Al)/導熱貼片/金屬鋁外殼VF &Δt 關係表……… 49 表 4-7. _{Exp2.鋁電路基板(Al)/導熱貼片/工程塑膠外殼}_V F &Δt 關係表……… 50 表 4-8. _{Exp3.鋁電路基板(Al)/導熱膠/-金屬鋁外殼}_V F &Δt 關係……… 51

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表 4-9. _{Exp4.鋁電路基板(Al)/導熱膠-工程塑膠外殼}_V F &Δt 關係表……… 52 表 4-10. _{Exp5. FR4 雙層鋪銅電路基板/導熱膠/-工程塑膠外殼} VF &Δt 關係表……… ₅₃ 表 4-11. _{Exp6. FR4 雙層鋪銅電路基板/導熱貼片/-金屬鋁外殼} VF &Δt 關係表……… ₅₄ 表 4-12. _{Exp7. FR4 雙層鋪銅電路基板/導熱貼片/-工程塑膠外殼} VF &Δt 關係表……… 55 表 4-13. _{Exp8. FR4 雙層鋪銅電路基板/導熱膠/-金屬鋁外殼} VF &Δt 關係表……… ₅₆ 表 4-14. _{Exp9. FR4 單層電路基板/導熱貼片-金屬鋁外殼}_V F &Δt 關係表……… 57 表 4-15. Exp10.FR4 單層電路基板/導熱膠/工程塑膠外殼 VF &Δt 關係表……… 58 表 4-16. _{Exp11.FR4 單層電路基板/導熱貼片/工程塑膠外殼} VF &Δt 關係表……… 59 表 4-17. _{Exp12.FR4 單層電路基板/導熱膠-金屬鋁外殼}_V F &Δt 關係表……… 60

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圖目錄

第二章、基礎理論

圖 2-1 _{LED 在不同工作溫度使用壽命趨勢圖……… 21}

圖 2-2 _{LED 封裝結構介紹……… 21}

圖 2-2 _{Power -LED- Assembly……… 22}

圖 2-4 _{金屬芯基板結構圖……… 22} 圖 2-5 _{導熱材料……… 22} 圖 2-6 _{AC-DC 恒流驅動器……… 23} 圖 2-7 _{散熱風扇……… 23} 圖 2-8 _{熱管……… 23} 圖 2-9 _{LED 燈泡以瓦數/ 散熱/ 製程分類……… 24} 圖 2-10 _{LED 燈泡得獎產品-iF2011……… 24} 第三章、實驗方法介紹圖 3-1 Thermal Management of LED……… 33

圖 3-2 恆溫溫控烤箱 (熱風循環) ……… 33 圖 3-3 Keithley (2400 series) ……… 34 圖 3-4 溫度擷取器 Center 309……… 34 圖 3-5 _{LED 溫度與 V} F @ 100 μA 之關係……… 34 圖 3-6 _{LED 操作電流與時間關係圖……… 35} 圖 3-7 推算實際 Tj……… 35 第四章、熱傳導路徑的實驗圖 4-1 _{LED 型式(5630)……… 61}

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圖 4-2 _{3 種不同製程參數的電路基板……… 61} 圖 4-3 _{導熱貼片示意圖……… 62} 圖 4-4 導熱膠示意圖……… 62 圖 4-5 散熱外殼示意圖……… 62 圖 4-6 實驗模組……… 63 圖 4-7 Exp1.鋁電路基板(Al)/導熱貼片/金屬鋁外殼 Ta & Vf 關係方程圖……… 63 圖 4-8 _{Exp2.鋁電路基板(Al)/導熱貼片/工程塑膠外殼 Ta & Vf} 關係方程圖……… 63 圖 4-9 _{Exp3.鋁電路基板(Al)/導熱膠/-金屬鋁外殼 Ta & Vf 關} 係方程圖……… 64 圖 4-10 _{Exp4.鋁電路基板(Al)/導熱膠-工程塑膠外殼 Ta & Vf 關} 係方程圖……… 64 圖 4-11 _{Exp5. FR4 雙層鋪銅電路基板/導熱膠/-工程塑膠外殼 Ta &} Vf 關係方程圖……… 64 圖 4-12 _{Exp6. FR4 雙層鋪銅電路基板/導熱貼片/-金屬鋁外殼 Ta &} Vf 關係方程圖……… 65 圖 4-13 _{Exp7. FR4 雙層鋪銅電路基板/導熱貼片/-工程塑膠外} 殼 Ta & Vf 關係方程圖……… 65 圖 4-14 _{圖 4-14: Exp8. FR4 雙層鋪銅電路基板/導熱膠/-金屬鋁外} 殼 Ta & Vf 關係方程圖……… 65

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圖 4-15 _{Exp9. FR4 單層電路基板/導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta & Vf 關} 係方程圖……… 66 圖 4-16 _{Exp10.FR4 單層電路基板/導熱膠/工程塑膠外殼} Ta & Vf 關係方程圖……… 66 圖 4-17 _{Exp11.FR4 單層電路基板/導熱貼片/工程塑膠外殼} Ta & Vf 關係方程圖……… 67 圖 4-18 _{Exp Exp12.FR4 單層電路基板/導熱膠-金屬鋁外殼} Ta & Vf 關係方程圖……… 67 圖 4-19 Exp1.鋁電路基板(Al)/導熱貼片/金屬鋁外殼 Tj 與△Ttime 趨勢預測曲線圖……… 68 圖 4-20 Exp2.鋁電路基板(Al)/導熱貼片/工程塑膠外殼 Tj 與△Ttime 趨勢預測曲線圖……… 68 圖 4-21 _{Exp3.鋁電路基板(Al)/導熱膠/-金屬鋁外殼} Tj 與△Ttime 趨勢預測曲線圖……… ₆₉ 圖 4-22 _{Exp4.鋁電路基板(Al)/導熱膠-工程塑膠外殼} Tj 與△Ttime 趨勢預測曲線……… 69 圖 4-23 Exp5. FR4 雙層鋪銅電路基板/導熱膠/-工程塑膠外殼 Tj 與△Ttime 趨勢預測曲線圖……… 70 圖 4-24 _{Exp6. FR4 雙層鋪銅電路基板/導熱貼片/-金屬鋁外殼} Tj 與△Ttime 趨勢預測曲線圖……… ₇₀ 圖 4-25 Exp7. FR4 雙層鋪銅電路基板/導熱貼片/-工程塑膠外殼 Tj 與△Ttime 趨勢預測曲線圖……… 71 圖 4-26 _{Exp8. FR4 雙層鋪銅電路基板/導熱膠/-金屬鋁外殼} Tj 與△Ttime 趨勢預測曲線圖……… 71

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圖 4-27 _{Exp9. FR4 單層電路基板/導熱貼片-金屬鋁外殼} Tj 與△Ttime 趨勢預測曲線圖……… ₇₂ 圖 4-28 _{Exp10.FR4 單層電路基板/導熱膠/工程塑膠外殼} Tj 與△Ttime 趨勢預測曲線圖……… ₇₂ 圖 4-29 _{Exp11.FR4 單層電路基板/導熱貼片/工程塑膠外殼} Tj 與△Ttime 趨勢預測曲線圖……… ₇₃ 圖 4-30 _{Exp12.FR4 單層電路基板/導熱膠-金屬鋁外殼} Tj 與△Ttime 趨勢預測曲線圖……… ₇₃ 圖 4-31 Tj 量測/推算值總表……… ₇₄

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符號說明

Tj ：LED junction temperature (°C)

η ：光電轉換係數 optical power/input power(%)

K ：熱導率 (heat conductivity、thermal conductivity) Ta ：為環境溫度 Ambient temperature (°C)

Vj ：接面電壓（junction voltage）

VF: ：正向電壓（Forward voltage ）

IM ：Measuring current (量測電流) (μA)

IH ：Heating current (驅動電流) (ｍA)

Kj ：接面電壓的溫度係數

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第一章緒論 1.1 前言全球的照明的平均用電量佔了總用電量很高的比重。從 1992 年＂京都議定書＂的誕生，2011 年白熾燈禁用與禁產的規範，歐盟承諾 2020 年達到碳排放量比 1990 年少 30%的目標。因此全球積極在研究節省能源的新型照明的技術以取代傳統照明。白熾燈泡和螢光燈管雖然是目前最普遍使用的傳統照明燈，但白熾燈會將大部份的電能轉換成輻射熱，發光效能並不高，且燈絲發光易燒，熱沉積、光衰減等缺點。其所產生的輻射熱，更增加冷氣空調系統的負擔，以致浪費太多能源。螢光燈管的發光效能雖然優於鎢絲燈，但燈管內壁所塗抹的汞(水銀)，會造成環境嚴重污染。

發光二極體（Light-Emitting Diode，簡稱 LED）是一種半導體元件具有體積小，重量輕，環氧樹脂封裝，可承受高強機械衝擊和振動，不易破碎等特性，正常平均壽命應可達 10 萬小時此種光源也被泛稱為固態照明（SSL）。LED 初期僅適用於指向性光源；隨著白光 LED 的出現，才逐步朝向照明應用的發展。而隨著科技與製程的改進，LED 燈使用壽命已逐漸取代白熾燈和螢光燈市場[1]，參考表 1-1 LED 燈泡與傳統燈泡效率比較表。發光二極體(LED)被全球公認為一代環保高科技產品。具有體積小、光轉換效率高(約為燈泡 2/3~1/2 的能源消耗)、壽命長、反應速率快(點亮響應速度約 300~400ns)、顏色多樣化、不易破損等優點[2] 、[3]，參考表 1-2 為 LED 照明優點歸納表。

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1.2 文獻回顧

根據發光二極體接面溫度量測[4]指出，真正影響 LED 操作時的溫度，不是環境溫度，也不是元件表面的溫度，而是發光層的溫度，也就是

接面溫度（junction temperature）。LED 在操作時，在 pn 接面上產生的

熱，是影響發光二極體發光效能以及老化速率的關鍵因素之一。

LED 晶片(chip)雖然具有耐高溫的特性，但由多個 LED 組合成構成一個光源時，等於形成高瓦數的發光二極體，假設無法在短時間內有效藉封裝體內結構將晶片處之熱能散逸出時，容易形成熱量高密度集中問題，此現象將導致接面溫度上升，從實驗上知道接面溫度在發光二極體的光輸出衰減方面有一定的影響。經驗顯示若介面溫度升高，會影響發光二極體亮度的 decay、光學規格改變及使用壽命縮減[5]。雖然高功率發光二極體之亮度特性[6]文中提出，發現發光二極體的熱阻值並非影響光通量衰減的主要原因，但大部份輸入 LED 的能量皆以熱能的形式逸散，確實造成晶片接面溫度上升。發光二極體的接面溫度 (Junction temperature)直接且深遠地影響其輸出特性與元件壽命。藉由 LED 模組之熱分析[7] 文中得知，材料的選擇對 LED 接面溫度影響最大；並參考大功率 LED 散熱系統研究[8] 文中結果，使用相同的熱沉，粘接材料的導熱率越大，厚度越薄，晶片溫度越低。高功率 LED 的散熱方式與溫度量測分析[9] 文中藉由不同的銀膠材料與印刷電路板(PCB)材質做比較分析，得到不同的表現效果。

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1.3 研究動機與目的 LED 照明技術的主要目標，是「省能源（效率化）」，雖然 LED 照明具有比傳統照明更高的光效率表現，但因 LED 由半導體材料封裝製作的，雖然本身擁有良好的散熱能力[11]，但受高溫影響下，能量轉換效率會急速下降，變得浪費電力之餘也產生更多熱，令溫度進一步上升；如果散熱不佳以致過熱時，會大幅縮短使用壽命。為克服 LED 燈具產品散熱問題，需依賴內部結構作熱傳遞與外部環境作散熱的設計概念。本研究主要探討改變不同熱傳途徑對 LED 燈泡 Tj 的影響；以求獲得熱傳遞效率的比較值與影響的主要因子；改善 LED 照明產品整體熱傳瓶頸，以提昇產品信賴性改善。 1.4 本文架構本研究探討 LED 照明產品-燈泡熱傳系統，以電路基板(PCB)、導熱介質與散熱外殼等條件設定不同的熱傳途徑架構變因下，在不考慮環境之對流係數的影響下,以 TSP 實驗量測各熱傳途徑 LED 其穩定狀態的接面溫度 Tj。期望以規劃 LED 熱傳路徑，進而改善 LED 燈泡產品壽命。全文共分五章，每個章節主要內容簡述如下: 第一章包含前言、文獻回顧與研究動機與目的。此章主要說明 LED

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獻略作介紹說明。第二章則對本研究相關的基礎原理作作介紹說明，LED 發光原理、LED 熱傳遞理論、LED 燈泡的主要結構。第三章主要說明實驗/量測方法介紹，從多種實驗計畫方法中選擇「一次一因子實驗法」設定實驗的控制因子與變化的水準。使用「順向偏壓法」手法取得溫度的量測值。第四章規劃熱傳導路徑實驗，分別對熱傳導路徑的實驗因子：電路基板、導熱介質與散熱外殼作實驗的組別，說明實驗步驟與紀錄量測數值，再加以整理實驗結果。第五章討論不同實驗因子對晶片接合溫度之影響效應。第六章結論提出對 LED 燈泡產品壽命需求最佳化的組合；並建議未來的實驗發展方向與技術突破的展望。

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表 1-1 LED 燈泡與傳統燈泡效率比較表樣品名稱 PHILIPS-40W (白熾燈泡) PHILIPS-6 0W (白熾燈泡) PHILIPS-20W (省電燈泡) LED 7W 燈泡樣品照片 Power(Watt) 35.2 52.5 18.0 7 Luminous Flux (lumens) 345 659 986 455 光效(lm/w) 9.8 12.6 54.8 65

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表 1-2 LED 照明優點歸納表[23] 項次比較項目傳統光源 LED 光源 1 發光效率 (流明/瓦) 白熾燈、鹵鎢燈 12-24、螢光燈 50-70、瓦鈉燈 90-140 流明/瓦。目前 LED 光效可達到 100 流明/瓦以上。 3 光源使用壽命 ( 小時) 螢光燈為 10,000 ~ 15,000，白熾燈為 1,000 ~ 2,000。壽命可達 100,000。 4 驅動方式頇高壓交流電的環境要求低壓直流電即可驅動 5 環保頇添加二氧化硫及氮化物等有害氣體以及含汞，鈉元素等可能危害健康的物質以及“汞＂。環氧樹脂固態封裝，耐衝擊、耐震動，不易破碎、為全固態發光體、廢棄物可完全回收。 6 安全可靠性發熱量高、具有熱輻射性、熱光源不可直接觸摸。發熱量低、無熱輻射性、冷光源、可以安全觸摸 7 反應時間反應時間慢反應時間非常快，在微秒級別，反應（開關）時間快 - 可以達到很高的閃爍頻率。 8 體積 LED 元件的體積非常小，更加便於各種設備的佈置和設計。 9 節能雖然 LED 光源要比傳統光源昂貴，但是用一年時間的節能收回光源的投資，從而獲得 4-9 年中每年幾倍的節能淨收益期資料來源： http://www.ledinside.com.tw/10_reason_for_led_light_source_20080 1

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第二章、基礎理論 2.1 LED 發光原理：材料依照導電性可分為導體、半導體與絕緣體三種，當原子互相接近時，其能階相互交錯形成獨立的能帶。其中，能量較高的能帶稱為導電帶（ＣｏｎｄｕｃｔｉｏｎＢａｎｄ），而能量較低的能帶稱為價電帶（ＶａｌｅｎｃｅＢａｎｄ）。以上兩者能帶間的距離不存在任何電子與電洞稱為能隙（ＥｎｅｒｇｙＧａｐ）[10]。導電價的電子或價電帶的電洞，負責傳遞電流。導體的導電帶與價電帶有部分相互重疊，此時能隙為 0 電子伏特(eV)，電子可自由流動傳遞。絕緣體能隙為 9 電子伏特(eV)，因能隙太大，很難激發電子的遷移。半導體能隙約在 1~3 電子伏特(eV) 之間[10]。

發光二極體（Light-Emitting Diode，簡稱 LED）是一種特殊的二極體，由半導體晶片組成，加入少量三價原子，成為Ｐ型半導體；加入少量五價原子，則成為Ｎ型半導體。利用Ｐ－Ｎ接面結構，在不同的電極電壓作用下，電流從Ｐ極（陽極）流向Ｎ極（負極），而相反方向則不能，叫作正向偏壓，當電流流過時，Ｐ極的電洞往Ｎ極移動；同時Ｎ極的電子也往Ｐ極移動，電洞與電子在Ｐ－Ｎ接面的空乏法區相遇而產生複合(Recombination)[9]。發光二極體通常使用直接能階半導體(Direct Bandgap Semiconductor)作為基本發光材料，例如砷化鎵，當電子跌落到較低的能階，同時以光子（即是一般常稱的光）的模式釋放出能量這叫電致發光效應，此複合過程稱為輻射複合(Radiative Recombination)。相對

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的，間接能階半導體(Indirect Bandgap Semiconductor) ，例如矽，複合過程沒有釋出光子，而是把能量轉化為熱能，會因晶格內部缺陷(差排或空缺)產生熱量，稱為非輻射複合(Non-Radiative Recombination) [10]。對於發光二極體而言，因複合過程，晶片材料影響，會產生光子與熱能的能量型式。可藉光電轉換係數(η)，了解兩者所佔比例，並定義如下所示[10]:

η=optical power/input power(%)

藉著光電轉換係數(η)，了解晶片能量轉換之效能，以便探討結構熱傳的行為。 2.2 熱傳遞分析理論熱傳遞(Heat Transfer)是熱能從高溫向低溫作能量轉移的過程，傳遞熱量大小和發熱體本身的熱傳係數(Thermal Conductivity)與傳導的路徑有關，當有熱傳遞現象發生時，並不一定只以一種形態進行，熱傳遞有三種型態分別為熱傳導傳遞(Conduction Heat Transfer)、熱對流傳遞(Convection Heat Transfer)、熱輻射傳遞(Radiation Heat Transfer)。

2.2-1.熱傳導

當兩者間存在溫度梯度(temperature gradient)時，較高動能的分子藉由互相接觸將能量轉移至較低動能的分子，分別以固體、液體、氣體說明能量傳遞[18]。

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(1)氣體:分子的運動經由擴散及碰撞，在過程中較高動能的分子經碰撞接觸進行能量轉移，將能量轉移至較低動能的分子。 (2)液體:傳遞方式與氣體相似，只是液體分子間的距離比氣體分子間的距離小很多。 (3)固體:分子與分子間有固定的組織結構，分子不能像液體或是氣體一樣自由的運動，因此傳遞能量的方法，主要是靠晶格振動和自由電子的運動。依傅利葉(Fourier Law)定律[18]得知，熱量傳遞與溫度梯度呈正比，由傅立葉一維定律(Fourier’s Law) 如(2-1)式所示，可知溫度差為熱量 q 傳遞的主要動力，與熱傳導係數 K(thermal conductivity)、物體截面積 A、溫度差值ΔT 成正比，與傳遞距離成反比[10] [18]。其公式如下: Qn = -K A dT_dn_(2-1) Qn :通過面積之熱源於 n 方向的熱量傳遞 (W) A:熱量通過的正向面積 ( 2 m ) dn dT _{:單位長度之溫度變化量(溫度梯度)} K ：熱傳導係數(thermal conductivity)



W_m _C



 其中Qn :為正實數，式中加上負號是為了滿足熱力學第二定律，即熱必頇由高溫傳至低溫。

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通常熱傳導係數(thermal conductivity): 為材料特性,是用來計算熱傳導最基本的參數，主要是定義單位時間通過截面積的熱量(dQ/dt) 和截面積 A 與溫差△T 成正比而和長度 L 成反比。根據傅立葉定律定義熱導率公式(thermal conductivity) 如(2-2)式所示， k = (dQ/dt)* (L/A)/△T (2-2) 各種材料的熱傳導性能不同，傳導性能好的，因自由電子的移動，所以傳熱速度快，可以做熱交換器材料；傳導性能不好的，可以做熱絕緣材料。 2.2-2.熱對流：當物體進行熱傳遞時，藉由液體或氣體為流體介質，流體受到不同的溫度的熱膨脹，導致引起系統的密度差、重量差，造成上下對流，通過循環流動，使溫度趨於均勻的過程，稱為熱對流。。藉由牛頓冷卻定律 (Newton’s Law of Cooling) 如(2-3)式所示，可知表面間的溫度差為熱量 q 對流的主要動力。 q = h*A(T-Ta) (2-3) 其中 Ts 為物體表面溫度、Ta 為環境溫度、A 為截面積而 h 為流體熱對流係數(Convection Coefficient) [10]。在熱傳學中，對流被分為自然對流(Natural Convection)與強制對流(Forced Convection)：自然對流是指在流體之間僅有溫度差存在時發生的運動，強制對流是指當有外力推動（如通過泵或者風扇）流體導致流體運動的對流現象。

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熱從熱源表面進入流體介質的速率，經過流體表面的局部對流熱通量表示為其中:  q' - 局部熱通量 (dq / dA)  h - 局部對流係數  Ts - 表面溫度  - 精製或環境溫度(Ta) 通過一個表面總熱傳導通過計算 q 的積分得到，其中:  As - 表面面積  q - 總熱導率(單位是能量/單位時間) 這就引出平均對流係數的定義， 2.2-3.熱輻射：是一種物體用電磁輻射的形式把熱能向外散發的熱傳方式。它不依賴任何媒介條件而進行熱能的交換，傳導速度取決於熱源的絕對溫度，溫度越高，輻射越強。

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LED 模組由光學高溫處將熱量傳至外殼，再由外殼與空氣間之熱對流而散發熱量；本實驗量測環境是在空氣對流小，且無其他熱輻射燈具的實驗室執行，所以環境熱對流與熱輻射在此對熱傳遞的變化並無明顯作用，故此實驗的數據將熱對流與熱輻射的影響因素作排除。 2.2-4.發光二極體之熱傳導特性[18]： LED 熱量是二極體中心產生光子即 PN 接面所發出，且溫度最高稱為接合溫度Tj，在 LED 的熱管理中為最具有指標性的參考溫度，溫度Tj 過高會使光通量輸出減少，造成亮度的降低。此熱量係經由第一層封裝傳出到晶粒表面，這部分的熱阻與上游晶粒製作技術有關。再者，LED 透光的一端所用的環氧樹脂材料，晶粒表面的熱量會往下方的銀膠、散熱塊、導熱膏以及金屬芯基板(MCPCB)傳遞，即為第二層封裝。其中晶片接合溫度Tj至散熱塊底部導熱膏的熱阻值為R j−s，接著熱量傳至基板(Board)，此熱阻為基板熱阻Rboard ，而經由散熱塊底部散熱膏至基板的熱阻值Rs-b ，其值與導熱膏與基板的熱傳能力有關，目前藉由特殊的基板製作技術可降低其熱阻值。最後熱量由基板透過底座散熱外殼傳到空氣中，此熱阻為冷卻系統熱阻 Rb-a ，也就是基板至外界環境的熱阻值。簡單言之，LED 由半導體接合面至外界空氣的總熱

阻R j−a 可分為三部分， R j-a = R j-s + R s-b + R b-a 。因此如

(26)

除了輸入功率的大小會影響其發熱溫度外，還要考慮到結構材料的熱傳特性。一般是使用熱傳導性良好的介面材質，請參考表 2-1. 材料熱傳導係數 k 值。在考慮自然對流的條件下，針對不同幾何形狀各有其對應的特徵長度與待定常數。而散熱鰭片之間緊密或是疏遠則會影響垂直面對流 [10]。LED 的散熱能力是評估 LED 優劣的要素之一， LED 機構著重在熱傳路徑；而 junction temperature 更是影響 LED 壽命的主要因素；當以 LED 作為光源時，必頇考慮在不同環境系統與操作電流下的介面溫度，圖 2-1 LED 在不同工作溫度使用壽命趨勢圖。 2.3 LED 燈泡的主要結構 LED 照明產品主要組成部分是：LED 發光二極體、電路基板、驅動器、散熱外殼。這四個部分決定了燈具產品工作是否穩定，品質好壞，與燈體散熱設計至關重要〔12〕。而一般 LED 燈泡熱傳導的途徑, 由 LED 黏著在電路基板表面, 經過導熱片(Thermal Pad)或導熱膏(Thermal Grease)等導熱材料, 有效率地傳導至散熱片(Heat Sink)上, 電路基板導熱係數越高，LED 光源模組傳熱路徑越順暢；再藉由散熱片的表面積完成散熱作用。故 LED 未能有良好的散熱系統、整體產品的壽命也會受影響。從主要功能項目中可作初步的產品比較，參考表 2-2 LED 產業照明專業術語〔13〕與表 2-3 LED 燈泡主要規格項目。 LED 燈泡主要熱傳構造共分為 LED 發光二極體、電路基板、導熱材料、驅動器與散熱外殼，簡述如下:

(27)

2.3.1 LED 發光二極體:

發光二極體(Light Emitting Diode, LED)是一種會發光的半導體元件，參考圖 2-2 LED 封裝結構介紹。LED 封裝結構介紹。主要由 PN 接面晶片、電極和光學系統組成。但因 LED 在作用過程中大多數能量都轉化為熱，因此散熱效果若不佳，熱量會集中在 LED 結構晶粒中，便會加速晶片的老化，不僅影響發光效率急速降低，還可能導致焊點的融化，使 LED 失效。目前解決 LED 照明系統的散熱問題主要採用的方法有調整 LED 晶粒間距、伴隨著晶粒高密集化，使用過程產生的熱量隨之增加，為了有效傳送熱量，最便捷的方法就是改進材料的熱傳導性。 [12]文中表示，發光二極體的亮度是由 LED 晶片裸芯亮度和燈體封裝外形決定的，它的壽命是由 LED 晶片工作環境和品質決定的。LED 的介面溫度會被周圍溫度及內部自我加熱所影響，LED 的接面溫度則影響元件的發光亮度和順向偏壓。決定 LED 接面溫度的三個因素分別為周圍溫度、熱阻及 LED 注入功率。

(28)

2.3.2 電路基板[18]:

LED 具有體積小的特性，可以在電路板上陣列排列多顆 LED 形成一大面積的發光源，電路板與 LED 結合稱之為 LED Light source，參考圖 2-3 LED Module。電路基板板作為光源的載體，其材質的選用與加工技術的要求將

直接影響整個產品的品質和壽命〔12〕。

LED 散熱基板主要朝向高熱傳導、熱膨脹低的方向技術進行，主要分為〔9〕:

印刷電路板（Printed Circuit Board；PCB）：

一般而言，利用最常見的印刷電路基板散熱，其製程技術較成熟，成本最為經濟。然而隨著 LED 功率提高，發熱量相對愈來愈高，一般的單層基板(熱傳導率約為 0.36W/m℃)無法有效將熱量傳出。此時，可選擇多層板架構、增加鋪銅面積與增加銅箔厚度(oz)或是貫穿導熱孔(through-hole) 的結構、等配套方案，來改善電路基板的熱傳效率。金屬芯的印刷電路板(Metal Core PCB；MCPCB): 為了改善電路板層面的散熱，，即是將原有的印刷電路板附貼在另外一種熱傳導效果更好的金屬上，而這片金屬位在印刷電路板內，所以才稱為金屬芯，主要材料以鋁基板與銅基板為主。如圖 2-4 所示。藉由銅鋁金屬的高傳導係數特性，強化 LED 散熱效果，泛用於高功率 LED 封裝與散熱用途，MCPCB 的垂直熱傳導係數達 1 W/m℃ ~ 3 W/m℃。陶瓷基板：主要以氮化鋁與氧化鋁與碳基基板，其熱膨脹係數較 FR4 低；但導熱係數較 FR4 高。碳基基板:主要以碳鋁、碳銅或石墨為主的基材，碳原子鍵結方向的

(29)

熱傳導係數高，但法線方向則不佳，用途與尺寸都有限制。目前高功率的 LED 照明產品大多採用鋁基板，[14]鋁基板是一種獨特的金屬基覆銅板，具有其他 PCB 材料不可比擬的優點，適合功率元件表面貼裝技術，導熱係數高、散熱好、電氣絕緣性能和機械加工性能。可以有效的將內部熱量導出。設計時也要儘量將 PCB 靠近鋁底座，從而減少部分產生的熱阻。

2.3.3 導熱材料(Thermal Interface Material):

LED 藉由傳導方式，將熱傳至散熱片(Heat Sink)，再經由熱對流或熱輻射方式使熱散失，但 LED 及散熱片表面均非平坦、光滑，兩者間無法完全貼合而使介面間產生縫隙，且空氣為熱的不良導體，使熱傳效率大幅降低，因此需要導熱材料來填補縫隙，以增進熱傳效率。導熱材料為介於發熱源與散熱器的中間介質，除了一般常見的介於晶片與散熱鰭片間的 TIM(Thermal Interface Materials)或 PCM(Phase Change Materials)，還包含 LED 散熱基板的 MCPCB(Metal Core PCB)中的介電絕緣導熱層。導熱材料包含導熱片(Thermal Pad)、導熱膠帶(Thermal Tape)、導熱膏 (Thermal Grease)等. 用來填充 LED 熱源與散熱片中間的空隙，,提供最完善的導熱條件,以降低 LED 溫度。導熱片通常由矽膠, 壓克力膠, 陶瓷粉末等組合而成，在電子產品之散熱途徑中，負責導熱(Heat Transferring) 的熱介面材料為散熱功率高低之關鍵材料，參考圖 2-5 導熱材料。 2.3.4 驅動器: LED 屬於低壓直流元件，其正向導通電壓的一般約為 3.0V～3.4V，驅動電流為 20mA~25mA(建議 20mA)。LED 照明產品主要在推廣替換傳統燈具，以求與現有燈座共用。故需藉由驅動器將交流電(AC) 轉換為穩定的直流電

(30)

(DC)，使 LED 在穩定、可靠的工作狀態，參考圖 2-6 AC-DC 恒流驅動器。 2.3.5 散熱外殼: 目前 LED 燈具產品的散熱方式主要有：自然對流散熱、強制對流(加裝風扇) 參考圖 2-7 風扇、相變化對流(熱管和回路熱管) 參考圖 2-8 熱管。強制對流系統複雜，並衍生風扇可靠性低的疑慮，熱管和回路熱管散熱方式成本高。目前市場接受度仍以散熱片(Heat Sink)自然對流方式為主流，散熱片通常由銅或鋁壓鑄或沖型製成，主要負責散熱(Heat Spreading)，燈泡的散熱外殼除了作為燈泡主體外型外，兼具保護層內部零件與散熱的功能。散熱外殼設計中頇考慮幾項主要可能存在的問題：第一項:外型頇符合燈具規範，不可任意設定。第二項:設計彈性頇考量製程方式的限制，參考圖 2-9 LED 燈泡瓦數/散熱/製程分類。第三項:外殼表面積散熱效果的發揮，整體熱溫度分佈的均衡性。外殼設計的最終目標希望達到穩定的高效能散熱，可避免 LED 光衰、色飄與過熱失效，延長燈具的使用壽命、小型輕量化設計，增加 LED 燈具的輕巧美觀。如何在有限的空間下，設計出最大值散熱效果的外殼，讓 LED 達到自然對流散熱；挑戰設計者的創意。參考圖 2-10 LED 燈泡得獎產品 -iF2011。

(31)

表 2-1 材料熱傳導係數 k 值(單位. W/m·K) [24] 材質 20℃導熱係數 27℃導熱係數銀 411 429 銅 395 401 金 311 318 鋁 229 237 矽 --- 157 鎂鋁合金 116 --- 黃銅 81~116 --- 矽晶片 --- 80 錫 66 --- 鐵 58 80.4 環氧樹脂 --- 6 FR4-PCB 板 --- 2 玻璃 0.76 1.38 電木 0.233 --- 橡膠 0.13~0.23 空氣 --- 0.024~0.026 資料來源： http://www.kson.com.tw/chinese/study_25.htm

(32)

表 2-2 LED 產業照明專業術語[25] 專業術語說明光通量 (Luminous flux,Φ) 單位為：流明 (lumen, lm) 由一光源所發射並被人眼感知的所有輻射能稱的為光通量。光強度 (luminous intensity,I) 單位：坎德拉 (candela, cd) 光源在某一方向立體角內的光通量大小，在特定方向所放出的可見光輻射強度稱為光強度。照度 (Illuminance, E) 單位：勒克斯 (Lux, lx) 照度是光通量與被照面的比值。1 lux 的照度為 1 lumen 的光通量均勻分佈在面積為一平方米的區域。發光效率 (Luminous efficacy, η) 單位：流明每瓦[lmW] 代表光源將所消耗的電能轉換成光的效率。色溫 ( Co1or Temperature ) 單位：絕對溫度 ( Kelvin,K) 與其具有相同光色的標準黑體 (black body radiator) 本身的絕對溫度值，此溫度可以在色度圖上的普朗克軌跡上找到其對應點。其色溫主要可分成三大類：暖色： 2700~3300K、中間色：3300 ~ 5000K、晝光色： 5000~6500 K。演色性 (Color rendering ) 人造光源應讓人眼正確地感知色彩，就如同在太陽光下看東西一樣。此資料即是光源的演色特徴，稱為平均演色性指數(general color rendering index, (Ra)。

資料來源：

(33)

表 2-3 LED 燈泡主要規格項目

效能廠牌 7W 燈泡

重量 (Weight) 105g ± 10%

輸入電源 (Input Power) 100~120 or 200~220 VAC

光源消耗 (Power Consumption) 7W 光源發光效率 (Total Luminous Efficiency*) 白光: 65 lm/W、暖光: 55 lm/W 光源壽命 (Rated Life(Ta=25℃)) 40,000 hrs 運作溫度 (Operating Temperature) -20~40 ℃ 運作溼度 (Operating Humidity) 0%~80% 光源照度 (View Angle) 180o

適用燈座 (Base) E26 / E27

顏色 (Color) 白光 / 暖光

(34)

圖 2-1 LED 在不同工作溫度使用壽命趨勢圖[26]

資料來源：http://www.nchu.edu.tw/~acende/rdmp/speaker/961224.pdf

圖 2-2 LED 封裝結構介紹[27]

(35)

圖 2-3 Power -LED- Assembly[28] 資料來源： http://renatec.en.made-in-china.com/offer/bMrENKwYbAhQ/Sell-Power-LED-Assembly.html 圖 2-4 金屬芯基板結構圖圖 2-5 導熱材料[29] 資料來源: http://www.ck365.cn/sell/201010/20/sell_info_219745.html http://big5.hisupplier.com/product/detail-315643.html

(36)

圖 2-6 AC-DC 恒流驅動器[30] 資料來源：http://www.led-yx.com/products-show.asp?id=4 圖 2-7 散熱風扇[31] 資料來源：http://www.chinaswitch.com/buy/offerdetail/106731.html 圖 2-8 熱管[32] 資料來源：http://www.pcpop.com/doc/0/269/269055.shtml

(37)

圖 2-9.LED 燈泡以瓦數/ 散熱/ 製程分類資料來源：2011 南港光電展拍攝圖 2-10 LED 燈泡得獎產品-iF2011[33] 資料來源： http://www.liteon.com/Page.aspx?id=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7 73c8789&no=328

(38)

第三章實驗/量測方法介紹

實驗的目的在於研究模型系統的表現來達到接近目標值的方向，通常會有多個因子存在並影響實驗的表現；在執行實驗前必頇先規劃，決定哪些實驗因子對整個研究系統有影響，本研究依照實驗的控制因子與變化的水準，從多種實驗計畫方法中選擇一種並使用「順向偏壓法」的量測方法來間接求得 LED junction temperature 的溫度值。

3.1 實驗計畫法介紹〔19〕〔20〕〔21〕〔22〕: 一般決定設計參數的方法大略歸納為以下幾項: 3.1.1.試誤法 (trial-and-error) : 根據一次實驗的結果，作為下一次實驗中改變因子的經驗參考；太過依賴個人經驗，累積的經驗較少資料分析且非系統性的方法。傳統使用的實驗策略大部分，缺點為大部份的結果是不能保證最佳的；又稱為最佳猜測途徑或散彈槍方式。 3.1.2.一次一因子實驗法 (one-factor-at-a-time experiments) : 實務界較常在實驗每執行一次改變一個因子，而固定其他因子；將因子分開，缺點為因子的效應是在特定的條件下之計算值，容易產生偏見的決定；各別處理的實驗方法又稱為單因子實驗法，表 3-1 為「一次一因子」實驗計畫表。 3.1.3.全因子實驗法 (full-factorial experiments) : 考慮所有可能的因子排列組合，實驗因子數與變動水準數的次方，

(39)

作實驗；例如實驗因子 4 個與 3 個變動水準作排列組合，共需要 81（34

）組的實驗，表 3-2 為「全因子直交表」實驗計畫表。

3.1.4.田口式直交表實驗法 (Taguchi’s orthogonal arrays):

田口式直交表最常被使用的 La(bc) ，L 表示直交表乃由拉丁方陣

(Latin square)而來，a 為列數(number of rows)，即實驗次數，b 為水準數(number of levels)，通常表示可能的水準為 0, 1, 2， c 為行數(number of columns)，又稱為因子數目(number of factors)。表3-3. L4(2 3 )直交表的定義在於，3個因子(A、B、C)各具2水準(1、 2)，實驗次數為8，3行中各水準出現的頻率是相同的(各水準出現的次數一樣1、2各三次) ，且對一因子的任一水準，其它因子的各水準出現相同的次數，此為平衡(“balanced＂) ，如此才能客觀地評估各因子之各水準對回應變數(response variables) 的影響。田口方法特點，在於以較少的實驗組合，取得有用的資訊。雖不如全因子法真正找出確切的最佳化位置，但能以少數實驗便能指出最佳化趨勢，可行性遠大於全因子法。依主要水準數成4類: (1)、二水準的直交表：L4(2 3 )、L8(2 7 )、L12(2 11 )、L16(2 15 )、L32(2 31 )。 (2)、三水準的直交表：L9(3 4 )、L18(2 1 ×37)、L27(3 13 )、L36(2 11 ×312) 、L36(2 3 × 313) 、L54(2 1 ×325)。 (3)、四水準的直交表：L16(4 5 )、L32(2 1 ×49)。(4)、五水準的直交表：L25(5 6 )、 L50(2 1 ×511)。

(40)

綜合上述實驗計畫法的優缺點，應採用「田口式直交表實驗法」來執行；但實驗條件設定電路基板、導熱介質與散熱外殼為3個實驗因子，而電路基板變動水準又分為MCPCB的鋁基板(Al)、FR4雙層板(即鋪銅)與FR4單層板3個變動水準；導熱介質設定導熱貼片與導熱膠兩種，即2個變動水準；而散熱外殼又分別選擇金屬與塑膠材質，也是2個變動水準。若使用田口直交表上規劃則呈現：La (22×31)的直交表，無法套用田口式直交表實驗法。由於實驗因子的種類與變動水準的數量都未超過3個，因此選擇實務界較常使用的「一次一因子實驗法」來執行。

(41)

3.2 順向偏壓法量測介紹：

電子元件在操作中，有許多與溫度相關聯的電性現象，可以用來量測或換算電子封裝內原件的溫度特性，實務上要直接量得 LED 元件封裝內部 chip 的 junction temperature 是相當困難的，圖 3-1 Thermal Management of LED 所示。

TSP(Temperature Sensitive Parameters) 是順向偏壓的二極體電壓降法。利用 LED chip 溫度與電壓的線性關係特性，來間接求得 LED

junction temperature〔16〕。TSP 具有靈敏（sensitive）、非侵入性

（Non-invasive）、一致性（consistency）、線性（linear）的特性。

要組成 LED junction temperature 的儀器設備需求包含：

1. 可恆溫控制的熱風循環烤箱(圖 3-2)，可設定不同溫度視為環溫。 2. Keithley 2400 電源供應器 (圖 3-3)，可程式電流源，可限制

Conduction lower limit：接面測試電流 0.1mA；Electrical lower limit：電性暫態持續時間 500mS；選擇微小電流，量測切換時間頇精確。

3.溫度擷取器 / 溫度感測線 (圖 3-4) (Center 309 / 適用K-type

Thermal couple)。

在Ｐ－Ｎ接面上輸入一個順向偏壓，此電壓及所謂的接面電壓

（junction voltage，Vj）或正向電壓（Forward voltage ，VF），在

1mA 下的正向電壓隨著環境溫度的改變而呈現線性的變化。微小的順向電流所產生的熱對整個量測系統影響極微小，故可忽略。從線性變化的斜率可得知接面電壓（正向電壓）的溫度係數，Kj 與二極體的外在環境

(42)

溫度 Ta 的關係式，3-1 式表示：〔4〕2－2 式 -Kj=(dVj/d Ta) (3-1) 接面電壓的溫度係數(Kj)即是為定義出 LED chip 溫度與電壓 (VF – Tj) 之關係：在實驗執行時，將待測物元件置入烤箱空間內，設定微小的量測電流ＩＭ(例如 100 μA)，使元件產生的熱可以被忽略。烤箱設定的溫度可是為環境溫度 Ta。待烤箱溫度數值以及於 100 μA 下之 VF數值穩定時，此時環境溫度 (Ta) 等於 LED junction 溫度 (Tj)，在實驗中改變環境溫度 (Ta)即烤箱在不同溫度下 (25、40、60、80 ℃)，分別量取各溫度所對應的正向電壓值(VF)，如表 3-4 所示。將各溫度所對應的 VF 值以線性迴歸方式找出其關係方程式，即可定義出 LED VF – Tj 之關係 (Kj)，如圖 3-5 所示。

當 LED 持續在操作電流 I（20mA）下啟動，待穩定之後 (如：30 min)H

即 LED 的接面溫度 Tj 達到穩定，此時將操作電流 IH瞬間切換到電流 IM

（100 μA），切換時間為 1 msec，參考圖 3-6 說明 LED 操作電流與時間

關係圖。當電流變化的一瞬間，LED 的 Tj 仍為 IH時的接面溫度，然後隨著時間變化降至環境溫度(Ta)。當 LED 的 Tj 變化時，其 VF也隨著變化，從正向電壓的變化值 ΔVF可以計算出 LED 持續在操作下的 Tj(IH）。 ΔVf =ΔVf2 - ΔVf1 (3-2) 由(3-1)與 (3-2)方程式，接面溫度的改變量為：

(43)

Tj＝Ta＋（ΔVf ／Kj） (3-3)

將上述中所量得的 ΔVF帶入 LED 電壓與溫度之關係式(3-1)，便可以得

(44)

表3-1 :「一次一因子」實驗計畫表 Exp A B C D E F G 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 1 1 1 1 1 1 3 2 2 1 1 1 1 1 4 2 2 2 1 1 1 1 5 2 2 2 2 1 1 1 6 2 2 2 2 2 1 1 7 2 2 2 2 2 2 1 8 2 2 2 2 2 2 2 資料來源：〔22〕表3-2 「全因子直交表」實驗計畫表 Exp A B C D 1 1 1 1 1 2 1 1 1 2 3 1 1 2 1 4 1 1 2 2 5 1 2 1 1 6 1 2 1 2 7 1 2 2 1 8 1 2 2 2 9 2 1 1 1 10 2 1 1 2 11 2 1 2 1 12 2 1 2 2 13 2 2 1 1 14 2 2 1 2 15 2 2 2 1 16 2 2 2 2

(45)

如表 3-3.L4(2 3 )直交表實驗編號行 A B C 1 2 3 4 1 1 2 2 1 2 1 2 1 2 2 1 資料來源：〔22〕表 3-4：LED 於各溫度下之 VF@IM

Oven temperature (℃) VF (V) @ 100uA

25 2.48x

40 2.46x

60 2.43x

(46)

圖 3-1 Thermal Management of LED[34] 資料來源： http://www.fobsun.com/blog/2011/04/controlling-junction-temperat ure-of-leds-with-thermal-management-materials/ 圖 3-2 恆溫溫控烤箱 (熱風循環) [35] 資料來源： http://www.cens.com/cens/html/zh/product/product_main_93184.ht ml

(47)

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36] 資料來源： http://www.testequipmentconnection.com/470/Keithley_2400.php 圖 3-4 溫度擷取器 Center 309 如圖 3-5：LED 溫度與 VF @ 100 μA 之關係 y = -637.67x + 1612.1 0 20 40 60 80 100 120 2.350 2.375 2.400 2.425 2.450 2.475 2.500 VF (V) @ 100 uA T e m p e ra tu re ( ℃)

(48)

圖 3-6：LED 操作電流與時間關係圖。

(49)

第四章、熱傳導路徑的實驗

研究的條件選擇外型符合IEC-A55系列的7W-LED球泡燈， LED Source 為6W規格，為避免電子驅動器Driver產生自發熱與其他機構件的雜訊因子存在而影響量測真實性，未將其納入實驗因子中，設定電路基板、導熱介質與散熱外殼為3個實驗因子，選擇實務界較常使用的「一次一因子實驗法」來執行實驗組合的規劃。 4-1. LED 燈泡結構模型條件 4-1-1. LED Source 材料: LED 照明產品為取代傳統照明產品，相對的，其光通量(亮度)頇採用高功率的 LED 才能達到。本實驗選擇使用大 chip 封裝的 LED 型式 5630 ，單顆 LED 功率約為 0.4W(驅動電性 3.3~3.4V/120mA ) 做為光源元件；多顆陣列排列(5 串 3 並)形成 LED Module 的光源模組；此實驗的光源模組驅動電性為定電流 360mA /16.5~17V)，如圖 4-1 所示。 4-1-2. 電路基板材條件: 在此實驗中，我們選用不同製程參數的電路基板，如圖 4-2 所示，由左至右分別為 MCPCB 的鋁電路基板(Al)、FR4 雙層電路基板(背面鋪銅)、與 FR4 單層電路基板，做為第 1 項實驗因子的 3 個變動水準。 4-1-3. Thermal Interface Material:

(50)

數相似的導熱貼片(thermal tape)與導熱膠(thermal glue)做為第 2 項實驗因子的 2 個變動水準。分別選擇日本富士高分子有機材的導熱貼片-型號為 30G-TL，導熱係數為 2.8W/mk；鴻酉公司代理的導熱膠 -個變動水準。分別選擇日本富士高分子有機材的導熱貼片-型號為 SR-8200，導熱係數為 1.0W/mk ，其物性資料表如表 4-1 與 4-2 所示，即圖 4-3 與 4-4 示意圖。 4-1-4.散熱外殼: 發熱源頇藉由外殼與環境作對熱流方式的傳遞，頇選擇高傳導係數的材質，鋁材質(Aluminum) 具有金屬高傳導係數與重量輕特性，是目前最普遍與最經濟的選擇；但隨著「絕緣導熱」的工程材料突破，我們多了作為散熱外殼的材料選擇。因此，選用金屬鋁與工程塑膠(plastic) 的外殼做為第 3 項實驗因子的 2 個變動水準項實驗因子，其結構如圖 4-5 所示。 4-1-5.實驗參數的組合: 將 3 項實驗因子與其變動水準作列表示意，如表 4-3.所示。承 3.1. 實驗計畫法介紹所述，採用「一次一因子實驗法」規畫出實驗計畫表:4-4.「一次一因子實驗計畫表」作實驗組合，共有 12 項實驗，分別為: Exp1.鋁電路基板(Al)/導熱貼片/金屬鋁外殼 Exp2.鋁電路基板(Al)/導熱貼片/工程塑膠外殼 Exp3.鋁電路基板(Al)/導熱膠/-金屬鋁外殼 Exp4.鋁電路基板(Al)/導熱膠-工程塑膠外殼

(51)

Exp5. FR4 雙層電路基板/導熱膠/-工程塑膠外殼 Exp6. FR4 雙層電路基板/導熱貼片/-金屬鋁外殼 Exp7. FR4 雙層電路基板/導熱貼片/-工程塑膠外殼 Exp8. FR4 雙層電路基板/導熱膠/-金屬鋁外殼 Exp9. FR4 單層電路基板/導熱貼片-金屬鋁外殼 Exp10.FR4 單層電路基板/導熱膠/工程塑膠外殼 Exp11.FR4 單層電路基板/導熱貼片/工程塑膠外殼 Exp12.FR4 單層電路基板/導熱膠-金屬鋁外殼 4-2. 實驗步驟與量測數值: 4-2-1.溫度確認：

首先將 thermal couple 固定於 LED 燈泡外殼附近，確實監控待測環境溫度 (Ta)，最後放置於恆溫控制烤箱中。

溫度穩定判斷依據，溫度數值是否穩定(溫度變化在溫差 1℃ 以內)、 Thermal couple 溫度數值是否穩定(兩根 thermal couple 溫差 1℃以

內）、監控樣品於量測電流下之 VF 數值是否穩定 (小數點後第三位固定或

穩定跳動)。

4-2-2. 紀錄 Ta & Vf 值:

4-2-2-1.將烤箱設定在室溫(25 ℃)溫度下，待溫度穩定後，此時給予模組量測電流 IM(0.0006A)， VF 讀值為小數點下 3 位。此時環境溫度 (Ta)

(52)

等於 LED junction 溫度 (Tj)，記錄 LED 的 VF 數值以及 thermal couple 溫度讀值。 4-2-2-2. 重複步驟(4-2-2-1)，設定烤箱在不同溫度下 (40、60、80 ℃)，分別量取各溫度所對應的 VF 值，將量測數據依序紀錄至表格中，如表 4-6.各實驗模組於各溫度下 Ta & Vf 對照表所示。 4-2-2-3. 將各溫度所對應的 VF 值以線性迴歸方式繪製斜率圖形，即可定義出各實驗模組 LED Ta & Vf 之關係式，如圖 4-7～4-18 所示，分別求得關係方程式如下: (1) Exp1. Ta & Vf 關係方程式: y = -0.0073x + 12.576；Kj=-0.0073，ΔVf1=12.576 (2) Exp2. Ta & Vf 關係方程式: y = -0.0067x + 12.55；Kj=-0.0067，ΔVf1= 12.55 (3) Exp3. Ta & Vf 關係方程式: y = -0.0066x + 12.591；Kj=-0.0066，ΔVf1= 12.591 (4) Exp4. Ta & Vf 關係方程式: y =-0.0062x + 12.564；Kj=-0.0062，ΔVf1=12.564 (5) Exp5. Ta & Vf 關係方程式: y = -0.0068x + 12.615；Kj=-0.0068，ΔVf1=12.615

(53)

y = -0.0074x + 12.584；Kj=-0.0074，ΔVf1=12.584 (7) Exp7. Ta & Vf 關係方程式: y = -0.0067x + 12.616；Kj=-0.0067，ΔVf1= 12.616 (8) Exp8. Ta & Vf 關係方程式: y = -0.0068x + 12.614；Kj=-0.0068，ΔVf1= 12.614 (9) Exp9. Ta & Vf 關係方程式: y = -0.0071x + 12.577；Kj=-0.0071，ΔVf1=12.577 (10) Exp10. Ta & Vf 關係方程式: y = -0.007x + 12.656；Kj=-0.007，ΔVf1=12.656 (11) Exp11. Ta & Vf 關係方程式: y = -0.0067x + 12.651；Kj=-0.0067，ΔVf1=12.651 (12) Exp12. Ta & Vf 關係方程式: y = -0.0067x + 12.61；Kj=-0.0067，ΔVf1=12.61 4-2-3. TSP 實際量測與紀錄：

(54)

4-2-3-1.利用 Keithley 2400 series 設定 LED 操作電流與時間迴

圈程式:第一段設定:室溫溫度與 Vf 達到穩態後，利用 Keithley (2400

series)量測電流 IM(0.0006A)，時間設定(delay time)為 0ms。

4-2-3-2.第二段設定:接續設定 LED 操作電流 IH (0.36A)，30min 待穩定之後 ( 時間設定為 1800 s) ；最後再次切換至量測電流 IM(0.0006A)，時間設定(delay time)同樣為 0ms。 4-2-3-3.第三段設定:量測電流 IM(0.0006A)，時間設定(delay time)為 0ms，重複設定 18 次。讀取並紀錄共計 20 次之 VF 數值與實際經過時間；取樣Δt2~Δt18 值。 4-2-3-4.LED component Tj 的量測與計算：將步驟 4-2-3. TSP 實際量測紀錄中所測得的 VF 與時間，帶入步驟 4-3-1. Ta & Vf 關係方程式。套用 (3-2)與(3-3) 公式計算出接面溫度 Tj。如表 4-7～4-18 VF &Δt 關係表。 ΔVf =ΔVf2 - ΔVf1 (3-2) Tj＝Ta＋（ΔVf ／Kj） (3-3) 4-2-3-5.回推 LED component 原始 Tj 值：將各模組所計算出的 Tj 與△Ttime (ms) ，取樣Δt2~Δt18 的△Ttime (ms)值與運用方程式所計算出的 Tj 值作趨勢預測曲線圖，如圖 4-19～ 4-30 所示。並用迴歸分析求出 Tj 多項式方程式，以求出 LED 模組在驅動電流 IH (0.36A)時，相當於△Ttime (ms)為零時的 Tj 值，得到以下

(55)

(1). Exp1.-Tj 多項式: TExp.1 Tj = -2989.4x3 + 1192.4x2 - 172.83x + 94.944；當 time= x=0 時，帶入多項式，求得:=Tj =94.944℃。 (2). Exp2.-Tj 多項式: Exp.2 Tj = -4942.2x3 + 1855.2x2 - 248.03x + 131.61；當 time= x=0 時，帶入多項式，求得:=Tj =131.61℃。 (3). Exp3.-Tj 多項式: Exp.3 Tj= -4296.6x3 + 1616.6x2 - 216.56x + 103.56；當 time= x=0 時，帶入多項式，求得 Tj= 103.56℃ (4). Exp4.-Tj 多項式: Exp.4 Tj = -4128.9x3 + 1679.7x2 - 243.19x + 145.56；當 time= x=0 時，帶入多項式，求得: Tj =145.56℃。 (5). Exp5.-Tj 多項式: Exp.5 Tj = -3454x3 + 1489.6x2 - 230.51x + 181.23；當 time= x=0 時，帶入多項式，求得: y =Tj =181.23℃。 (6). Exp6.-Tj 多項式: Exp.6 Tj = -2567x3 + 1053.7x2 - 158.95x + 98.332；當 time= x=0 時，帶入多項式，求得: y =Tj =98.332℃。

(56)

(7). Exp7.-Tj 多項式: Exp.7 Tj = -3815x3 + 1553.3x2 - 229.6x + 173.78 ；當 time= x=0 時，帶入多項式，求得: Tj=173.78℃。 (8). Exp8.-Tj 多項式: Exp.8 Tj = -4183.4x3 + 1566.6x2 - 209.12x + 106；當 time= x=0 時，帶入多項式，求得: Tj =106℃。 (9). Exp9.-Tj 多項式: Exp.9 Tj = -2037.9x3 + 944.96x2 - 165.46x + 126.66；當 time= x=0 時，帶入多項式，求得: Tj=126.66℃。 (10). Exp10.-Tj 多項式: Exp.10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 255.76x + 215.03；當 time= x=0 時，帶入多項式，求得: Tj=215.03℃。 (11). Exp11.-Tj 多項式: Exp.11 Tj = -1907.8x3 + 1075.3x2 - 214.06x + 212.05；當 time= x=0 時，帶入多項式，求得: Tj =212.05℃。 (12). Exp12.-Tj 多項式: Exp.12 Tj = -4015.4x3 + 1533.9x2 - 217.96x + 128.67；

(57)

4-3.實驗/量測結果 : 將 12 項實驗組合所獲得的 Tj 數值取小數點後一位數，歸納成表 4-31. Tj 量測/推算值總表，由總表得知溫度由低至高的排序為: Ranking1: Exp1.鋁電路基板(Al)/導熱貼片/金屬鋁外殼組別，Tj=94.9℃。 Ranking2: Exp6. FR4 雙層電路基板/導熱貼片/-金屬鋁外殼，Tj=98.3℃。 Ranking3: Exp3.鋁電路基板(Al)/導熱膠/-金屬鋁外殼，Tj=103.6℃。 Ranking4: Exp8. FR4 雙層電路基板/導熱膠/-金屬鋁外殼，Tj=106.0℃。 Ranking5: Exp9. FR4 單層電路基板/導熱貼片-金屬鋁外殼，Tj=126.7℃。 Ranking6: Exp12.FR4 單層電路基板/導熱膠-金屬鋁外殼，Tj=128.7℃。

(58)

Ranking7: Exp2.鋁電路基板(Al)/導熱貼片/工程塑膠外殼，Tj=131.6℃。 Ranking8: Exp4.鋁電路基板(Al)/導熱膠-工程塑膠外殼，Tj=145.6℃。 Ranking9: Exp7. FR4 雙層電路基板/導熱貼片/-工程塑膠外殼，Tj=173.8℃。 Ranking10: Exp5. FR4 雙層電路基板/導熱膠/-工程塑膠外殼，Tj=181.2℃。 Ranking11: Exp11.FR4 單層電路基板/導熱貼片/工程塑膠外殼，Tj=212.1℃。 Ranking12: Exp10.FR4 單層電路基板/導熱膠/工程塑膠外殼，Tj=215.0℃。

(59)

表 4-1 導熱貼片-型號為 30G-TL 導熱係數

(60)

表 4-3.因子符號與水準說明: 因子符號說明變動水準一變動水準二變動水準三 A 電路基板材鋁電路基板 FR4 雙層電路基板 FR4 單層電路基板 B 導熱介質導熱貼片 30G-TL 導熱膠 SFR-8200 -- C 散熱外殼 AL-殼 Plastic-外殼 -- 表 4-4、一次一因子實驗計畫表： Exp A B C 1 1 1 1 2 1 1 2 3 1 2 1 4 1 2 2 5 2 2 2 6 2 1 1 7 2 1 2 8 2 2 1 9 3 1 1 10 3 2 2 11 3 1 2 12 3 2 1

(61)

表 4-5.各實驗模組於各溫度下 Ta & Vf 對照表(IM=0.0006A)

Ta(℃) Exp.1 Vf (V) Exp.2 Vf (V) Exp.3 Vf (V) Exp.4 Vf (V)

23.2 12.405 12.3972 12.426 12.418

42.0 12.274 12.2534 12.331 12.298

62.2 12.124 12.1536 12.182 12.202

81.5 11.982 11.993 12.047 12.048

23 12.442 12.404 12.456 12.447

41.6 12.348 12.289 12.335 12.35

60.2 12.217 12.14 12.24 12.201

78.9 12.062 11.993 12.073 12.075

25.7 12.385 12.468 12.478 12.425

41.4 12.286 12.369 12.362 12.34

62.8 12.151 12.242 12.263 12.202

(62)

表 4-6. Exp1.鋁電路基板(Al)/導熱貼片/金屬鋁外殼VF &Δt 關係表:

Exp.1

Ta 23.2 Kj -0.0073 ΔVf1 12.576

point Δt Time(ms) △Ttime (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 12.4316 NA NA NA 1 NA 1796.481 NA 16.8596 NA NA NA 2 Δt1 1796.49 0.009 12.3629 -0.2131 29.19 52.39 3 Δt2 1796.5 0.019 12.0751 -0.5009 68.62 91.82 4 Δt3 1796.509 0.028 12.0781 -0.4979 68.21 91.41 5 Δt4 1796.519 0.038 12.0882 -0.4878 66.82 90.02 6 Δt5 1796.527 0.046 12.0949 -0.4811 65.90 89.10 7 Δt6 1796.536 0.055 12.1006 -0.4754 65.12 88.32 8 Δt7 1796.546 0.065 12.1036 -0.4724 64.71 87.91 9 Δt8 1796.555 0.074 12.1072 -0.4688 64.22 87.42 10 Δt9 1796.564 0.083 12.1096 -0.4664 63.89 87.09 11 Δt10 1796.573 0.092 12.1114 -0.4646 63.64 86.84 12 Δt11 1796.583 0.102 12.1124 -0.4636 63.51 86.71 13 Δt12 1796.592 0.111 12.1142 -0.4618 63.26 86.46 14 Δt13 1796.602 0.121 12.1161 -0.4599 63.00 86.20 15 Δt14 1796.61 0.129 12.1169 -0.4591 62.89 86.09 16 Δt15 1796.619 0.138 12.1187 -0.4573 62.64 85.84 17 Δt16 1796.629 0.148 12.1198 -0.4562 62.49 85.69 18 Δt17 1796.638 0.157 12.1207 -0.4553 62.37 85.57 19 Δt18 1796.647 0.166 12.1208 -0.4552 62.36 85.56

(63)

表 4-7. Exp2.鋁電路基板(Al)/導熱貼片/工程塑膠外殼VF &Δt 關係表:

Exp.2

Ta 24.5 Kj -0.0067 ΔVf1 12.55

(64)

表 4-8. Exp3.鋁電路基板(Al)/導熱膠/-金屬鋁外殼 VF &Δt 關係表:

Exp.3

Ta 25.4 Kj -0.0066 ΔVf1 12.591

(65)

表 4-9. Exp4.鋁電路基板(Al)/導熱膠-工程塑膠外殼VF &Δt 關係表:

Exp.4

Ta 24.5 Kj -0.0062 ΔVf1 12.564

(66)

表 4-10. Exp5. FR4 雙層鋪銅電路基板/導熱膠/-工程塑膠外殼

VF &Δt 關係表:

Exp.5

Ta 25.2 Kj -0.0068 ΔVf1 12.615

0 NA 0 NA 12.466 NA NA NA 1 NA 1796.766 NA 16.45 NA NA NA 2 Δt1 1796.774 0.008 11.882 -0.733 107.79 132.99 3 Δt2 1796.784 0.018 11.582 -1.033 151.91 177.11 4 Δt3 1796.794 0.028 11.586 -1.029 151.32 176.52 5 Δt4 1796.803 0.037 11.599 -1.016 149.41 174.61 6 Δt5 1796.813 0.047 11.608 -1.007 148.09 173.29 7 Δt6 1796.822 0.056 11.615 -1 147.06 172.26 8 Δt7 1796.831 0.065 11.621 -0.994 146.18 171.38 9 Δt8 1796.841 0.075 11.625 -0.99 145.59 170.79 10 Δt9 1796.851 0.085 11.628 -0.987 145.15 170.35 11 Δt10 1796.859 0.093 11.631 -0.984 144.71 169.91 12 Δt11 1796.869 0.103 11.633 -0.982 144.41 169.61 13 Δt12 1796.879 0.113 11.636 -0.979 143.97 169.17 14 Δt13 1796.888 0.122 11.637 -0.978 143.82 169.02 15 Δt14 1796.897 0.131 11.638 -0.977 143.68 168.88 16 Δt15 1796.907 0.141 11.639 -0.976 143.53 168.73 17 Δt16 1796.916 0.15 11.641 -0.974 143.24 168.44 18 Δt17 1796.926 0.16 11.642 -0.973 143.09 168.29 19 Δt18 1796.936 0.17 11.643 -0.972 142.94 168.14

(67)

表 4-11. Exp6. FR4 雙層鋪銅電路基板/導熱貼片/-金屬鋁外殼

VF &Δt 關係表:

Exp.6

Ta 23.2 Kj -0.0074 ΔVf1 12.584

(68)

表 4-12. Exp7. FR4 雙層鋪銅電路基板/導熱貼片/-工程塑膠外殼

VF &Δt 關係表:

Exp.7

Ta 25.2 Kj -0.0067 ΔVf1 12.616

(69)

表 4-13. Exp8. FR4 雙層鋪銅電路基板/導熱膠/-金屬鋁外殼