汽車燈具應用 LED 光源模組對元件熱阻影響之研究

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汽車燈具應用 LED 光源模組對元件熱阻影響之研究

李濠安

¹

、于劍平

²

、吳澤松

³

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崑山科技大學機械工程學系暨研究所(碩士生)

2

崑山科技大學機械工程學系暨研究所(副教授)

3

崑山科技大學機械工程學系暨研究所(助理教授)

1

E-mail: [email protected]

摘要

LED 汽車燈具發展至今 LED 光源應用研發重點在於 LED 的熱源，對車燈產品而言，LED 光源相對於一般白熾燈光源可減少 30~90%的功率消耗，由於 LED 在溫度過高下，會有亮度衰減的現象，但車頭燈位置靠近引擎，靜止未啟動或啟動行駛和啟動怠速時其溫差甚大，溫度最高可達到 80~120℃。若是封裝熱阻抗較大(約 250~350℃/瓦)，其散熱系統不良會使 LED 封裝受熱漲冷縮而變形，當環氧樹脂的封裝達到玻璃轉移溫度時，

樹脂會很快速的膨脹產生所謂的熱應力，在半導體和焊點接觸的位置會因為這些應力而弱化或扯斷環氧樹脂，而且在非常低的溫度時會讓封裝產生裂痕，導致 LED 失效。

經本文研究結果顯示，LED 車燈模組設計會考量光學反射鏡機構，而來改變發光二極體的位置和角度的方式，同時對食人魚型 LED (Piranha LED)進行焊腳接觸錫爐的熱衝擊試驗分析，並利用金相顯微鏡及掃描式電子顯微鏡對熱應力導致 LED 內部結構元件因熱膨脹係數不同，可能導致裂痕或連接金絲和接腳斷裂的影響加以觀察分析，同時防止對產品的熱衝擊造成熱機械應力破壞而造成元件特性的變化，且可提供國內相關業界參考之用。

關鍵詞：LED 車燈、汽車燈具、發光二極體、熱應力。

1. 前言

近年對於LED車燈的研發相當廣泛，成為國內、外各大車廠的研究發展重點，如圖1所示為LED模組的重要元件，包含發光二極體(Light Emitting Diode，LED)、

印刷電路板(Printed Circuit Boards) 、暫態電壓抑制

（Transient Voltage suppressor；TVS）、橋式整流器 (Bridge rectifier)、限流電阻(Resistor) 等，其中以發光二極體(LED)模組受溫度影響造成失效為研究之重點，

如圖2所示

，

傳統的小低功率Super Flux LEDs型發光二極體，包含晶粒(Die)、封裝體、金線(Gold Wire)如圖3 所示、如圖4所示支架等，主要發光的部分則是封裝體裡面的晶粒。封裝體的主要成分是環氧樹酯(Epoxy)，

用來固定支架，且可以把封裝體的頂端製成可聚光的透鏡，以控制LED 的發光角度。金線是把電流由支架導入發光晶粒，聚光碗杯則是把LED 發出的光線反射至上方出光，以增加發光效率。[1~3]

傳統低功率發光二極體輸入功率僅有 15~20%轉換成光，其餘 80~85%轉換成熱的形式釋放，若這些熱未適時的排出，將產生很多的問題，第一、會導致晶粒的接面溫度過高而影響發光效率以及壽命。第二、白光 LED 通常使用一或多種的螢光粉，螢光粉(Phosphor)會受到熱的影響而降低效率導致產出的光色改變，影響其色彩品質。第三、若以塑膠封裝的的材質，例如環氧樹脂，會因為熱的升高，而變黃，導致局部波長的光吸收影響波長。第四、當環氧樹脂的封裝達到玻璃轉移溫度時，樹脂會很快速的膨脹產生所謂的熱應力，在半導體和焊點接觸的位置會因為這些應力而弱化或扯斷環氧樹脂，而且在非常低的溫度時會讓封裝產生裂痕，導致 LED 失效。[4~7]

2. LED封裝模組失效分析

2.1 LED 發光模組受外力的影響

經由 AM（After Market）保修改裝車燈市場產業積極研製發光二極體(LED, Light Emitting Diodes) 做為車燈的光源，然而在開發過程中，除選擇晶粒外，其餘之 LED 散熱、光學、機構及電控等相關設計，均有成功整合的標準化模組零件可解決光學設計、電控及熱處理技術能力建構光源模組技術，但裝配機構件時會因無法預見的瑕疵為(1)車燈光源模組因 PCB 跳線鎖附造成線材被 LED 焊腳(Lead)壓傷刺穿破皮造成短路。(2)LED 光源模組 PCB 銅箔正負極性組裝過程鎖附螺絲時跨於外露線路上或線材焊接形成導通形成瞬間電湧造成迴路燒燬 LED。(3)LED 光源模組無極性保護零件功能失效經由確認規格後為單向有極性零件，加上出線端逆接造成瞬間大電流通過單向保護零件形成迴路，造成單向保護零件爆裂銅箔燒燬。(4)光學反射模組裝配底座時包含 LED 焊腳高度接觸到電鍍面，而形成電路短路現象經溶膠正面觀察晶片已燒壞如圖 5 所示。(5)反射鏡基座螺絲柱高度不足鎖合時會有 LED 抵觸到光學反射孔基座‚而形成壓迫焊點突穿銅箔造成斷路現象，上述製程變異比較容易觀察與控管，故不在本文探討，就未來產品機構設計應加以考慮光學反射鏡構造及光源模組裝配空間如圖 6 所示來達成使用環境的需求降低失效模式。[8]

2.2 LED 發光模組受電性異常的影響

關於 LED 發光模組成品晶粒結構存在異常導致電

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性異常(Ir fail)，嚴重時則完全不亮分析，一般來說其工作電壓是 2~3.6V，工作電流是 0.02~0.03A，使用電路設計為 DC 定電壓採串並方式應用，為 5 顆 LED 串聯成一組，如其中有一顆 LED 開路，因此 LED 串即會形成斷路而不亮，依此研判有開路現象的 LED，取出進行後續分析，紅色圓圈為失效的 LED 位置，使用立體顯微鏡觀察 LED 外觀發現表面有黃斑異常點，如圖 7 所示再進行分析作業將失效樣品進行溶蝕去除膠材作業，取出晶粒及對應的封裝材料 (Encapsulant) 採用 Nikon 立體顯微鏡 SMZ745T 規格為內斜式 7.5 倍變倍比，可進行倍率範圍 0.67~5X 的觀察；高倍率/高變倍比之下，工作距離可達 115mm，發現晶粒 N Pad 與 AlGaInP EPI 已經脫離晶粒附著於 Epoxy 上，利用掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy，SEM)分析針對晶粒以 SEM 觀察 Pad 與 AlGaInP EPI 已經脫離晶粒附著於 Epoxy 上，如圖 8 所示，如表 1、膠材表面成份分析，取膠材進行表面分析 X 光能量散譜儀(EDX) 成份比對確認，除了碳(C)、氧(O)成份元素外，如表 2、

晶粒表面成份分析所示有發現 AlGaInP EPI 之銦(In), 鋁(Al), 鎵(Ga) 與磷(P)元素存在，依據 EDX 成分分析結果，工程判定脫落處有二，各為不同的 Defect Mode，

如圖 9 所示

，

介層脫落示意圖。

由熱衝擊試驗(Thermal Shock，TS)分析得知此 PN 接面溫度過高現象，皆發生於相關半導體材料元件之耐熱極限各具有不同熱膨脹係數加上操作環境溫度的變動，LED 焊腳(Lead)銲接點無法承受熱過載，在加上材料之間的熱膨脹係數不同導致封裝材料與晶片或晶線間因熱膨脹係數(Coefficient of Thermal Expansion，CTE) 不同而造成應力累積最後造成金線斷裂，由於隨著發光二極體元件會以光和熱方式釋放能量，接面溫度造成之熱應力累積所引起的，若後段銲採無鉛製程加工溫度的抗熱應力疲勞能力不佳，將導致 LED 縮短發光效率及 使用壽命。[9]

3. 結果與討論

3.1 LED 車燈光源模組瑕疵分析

然而，現今 LED 業者在檢測 LED 晶粒表面瑕疵時，部分雖有自動化檢測設備輔助但主要瑕疵項目仍是使用人工檢測，而且在分析瑕疵數量多寡判斷 LED 晶粒是否為良品或不良品時，亦是由人工目測決定，所以人眼主觀的認定會增加 LED 晶粒表面瑕疵檢測的誤判機會。分類方式為業者現行廠內 LED 晶粒之外觀瑕疵分類方式，所分類的依據是依照現場人員採用人工檢驗並利用顯微鏡以及瑕疵特徵作出主觀的判斷來決定為何種的外觀瑕疵，而現行概分為四大群組分別為 LED 晶粒之邊緣破損瑕疵、表面不良瑕疵、水漬瑕疵、及鋁墊不良瑕疵。又因為 LED 晶粒之邊緣破損及鋁墊不良瑕疵破壞晶粒與鋁墊之輪廓，在視覺檢測上比較容易偵測，本研究所要探討的瑕疵類別為較難偵測出來的 LED 晶粒之表面不良瑕疵。

推斷其原因是 LED DIP（Dual In-Line Package）手插件作業不同的錫爐溫度條件對 LED 的影響，將插件零件裝置在電路板後，過錫爐製程為較傳統半自動(手

動)錫爐將零件固定於電路板上，而不是自動無鉛波焊爐時斜插θ=20∘如圖 10 所示、平貼如圖 11 所示、製 程中 LED 不改變原定位卡點位置的方式如圖 12 所示，

同時對 A 試件~E 試件依據產品規格書之建議溫度條件為 260℃/5seconds，溫度過高或者時間過長所致，如圖 13 此情形會在 LED 內部產生過大的內部熱應力，熱應力過大便會破壞晶片(LED Chip)與膠體的結合面，且熱應力大於 bonding 結合力時，會造成金線脫離導致 LED 失效不良溶解環氧樹脂後如圖 14，依序進行降低不同錫爐溫度的試驗 250℃與 240℃/3seconds，由於 LED 內部結構受到熱應力破壞，其耐受度會大幅衰減，溶解環氧樹脂前外觀檢查發現支架與 Eopxy 間出現彩紋，此現象是熱應力過大造成的晶片上方出現彩紋及 gap 溶解環氧樹脂後晶片 pad 有 bonding 壓痕，且金球有壓扁情形，第二銲點斷裂，關於晶片 pad 表面可能受到汙染部分，針對此問題點已導入”Plasma”清洗製程，並 review 清洗製程的效果，以有效改善晶片受污染情形。 230℃/3seconds LED 在不同的插件方式並無失效異常情形，同樣支架與膠體間有輕微間隙出現，如圖 15 所示，溶解環氧樹脂後平貼插件方式比較明顯，斜插插件方式次之，插件到卡點處的方式對 LED 的結構影響性最小，所以彩紋的減少應可從組裝生產中控制，從膠體底部下 3mm 內建議不接觸錫，避免因熱衝擊應力破壞 LED 結構。220℃/3seconds 此次低於參考產品規格書建議的過錫溫度以致 LED 支架與 Eopxy 處的彩紋情形並無出現，但會導致 LED 焊腳有 35%的空焊比形成，製程變異過高控管不易而產品無法實現，發光二極體後段無鉛焊著加工溫度示意圖如圖 16 所示，故無須考慮。

[10~13]

3.2 LED 車燈光源模組瑕疵改善分析

本文所探討的 LED 瑕疵型態在學術界少有深入討論的傳統低功率 LED LAMP 型及 Super Flux LEDs 型 (俗稱為食人魚)因為小晶片 LED 發光功率低，國內 AM

（After Market）車燈製造廠商之產業界目前仍廣泛運用，使用 LED 與支架的連接固定座之專利檢索，如圖 17 所示，LED LAMP 型 I314519、M371833 及 Super Flux LEDs 型 I249606、M271334 等數種不同構造型式以利配用，經實驗證明可以有效防止較傳統半自動(手動)錫爐溫度過高或者時間過長，濕氣等由外部侵入以致會形成 LED 內部產生過大的內部熱應力，破壞晶片與膠體的結合面特性的變化，雖然市場上有銷售之固定座皆為金屬、塑膠材質剛性強不具備彈性(塑性變形)能力，如將零件固定於印刷電路板(Printed Circuit Boards) 上 CAM-1/CAM-3 易受熱膨脹等無法預知的變異，尤其 Z 軸熱膨脹量愈高，選擇高耐熱低熱膨脹率的材料是首要考量如 FR-4（Fire retardant）材料耐溫為約 135℃，故考慮會有熱漲冷縮的狀況，故將 LED 墊片之概念加以設計開發如圖 18 所示，將 LED 墊片之 2D 設計圖及 LED 墊片之 3D 設計圖如圖 19 所示，如圖 20LED 墊片之模具開發更強化墊片之材質延續 PC 材質如圖 21，加以改良使用耐熱矽膠及 TPV 橡膠墊片實體圖如圖 22，更具備極高彈性(塑性變形)能力具有低成本高耐熱性等優點。

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4. 結論

希望能藉本文將汽車 LED 車燈模組產業存在已久因高熱導致 Epoxy 及內部結構受到影響的議題，而進行高溫加速老化實驗分析得到 LED 在不同的插件方式，

所分析出之結果不盡然相同，依據 LED 規格建議的溫度條件為 260℃/5seconds，經實驗溫度滿足相同條件運作下，類比所承受之熱溫度顯然無法達到理論值，且易造成 LED 之亮度衰減以致直到晶片沒有光發出來的失效風險，所以實驗逐步降低錫爐的溫度條件取得最佳溫度條件為無鉛自動錫爐為 235℃/3seconds 與有鉛半自動錫爐為 240℃/3seconds，平貼插件方式比較明顯，斜插插件方式次之，插件到卡點處的方式對 LED 的結構影響性最小。若是汽車 LED 車燈模組技術可以全面配合 LED 固定散熱座或連接裝置的運用，對任何熱衝擊造成熱應力的潛在影響，將有利於改善 LED 車燈模組廠製程能力之提升 LED 良品率，更可加速新開發產品量產階段製程品質技術之穩定度，更能獲得 LED 車燈領域的應用技術上之突破有莫大助益，具有更佳的 OES(原廠售後維修)市場競爭優勢。

5. 致謝

本研究期間感謝龍鋒(股)公司賴清琮總經理協助始臻於成。期間並感謝，聯嘉光電(股)公司亞洲元件業務部副理黃貴鉦先生大力協助實驗之進行與結果討論，僅此一併誌謝。

6. 參考文獻

[1] LEDinside，http://www.ledinside.com.tw/

[2] 潘錫明，認識發光二極體，科學發展，2009 年 3 月 435 期

[3] 陳韻元、廖秋峰、劉如熹， LED 照明光源展望

（三）：認識有機矽封裝材料，工業材料雜誌 222 期 PP 208~212

[4] 林裕修、黃建歷、廖顯奎教授，發光二極體散熱議題淺談，臺灣科技大學電子所與光電所，2008 年 10 月

[5] 黃振東，LED 封裝及散熱基板材料之現況與發展，工業材料雜誌 231 期 PP 71~81

[6] 田運宜，新世代液晶面板 LED 背光模組構裝用透明封裝材料技術趨勢（下）工業材料雜誌 227 期 PP 134~140

[7] 李豫華，發光二極體的散熱技術，科學發展，2009 年 3 月，435 期

[8] 賴文光，LED 燈具之熱傳分析，財團法人車輛研究測試中心，(2009)

[9] 鍾正發，高功率發光二極體熱傳途徑分析研究，國立中山大學機械與機電工程學系，碩士論文，(2007) [10] 田運宜，白光 LED 用透明封裝材料技術，工業材

料雜誌 229 期 PP 85~94 [11] 均豪精密工業股份有限公司，

http://www.gpmcorp.com.tw/KS-880.htm [12] 威控自動化機械，

http://www.wecon.com.tw/tw/LS-320.htm

[13] 鐘崇毓，LED 晶粒表面瑕疵之自動化視覺檢測，朝陽科技大學工業工程與管理系，碩士論文，(2007)

7. 圖表彙整

圖 1 汽車車燈 LED 光源模組實品圖

圖 2 食人魚型 LED 封裝體外觀圖

圖 3 LED 金線

圖 4 LED 晶片之支撐架外觀圖

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圖 5 正面觀察晶片已嚴重燒壞（白色虛線所圈處）

圖 6 車燈光學模組示意圖

圖 7 樣品溶蝕後所取出之晶粒圖片

圖 8 利用 SEM 儀器拍攝之 LED 介層脫落情況

圖 9 LED 介層脫落示意圖

圖 10 LED 插件方式---斜插（如箭頭所示）

圖 11 LED 插件方式---平貼

圖 12 LED 插件方式---插件到卡點處

圖 13 晶片與 Eopxy 間出現彩紋

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圖 14 溶解環氧樹脂分析 LED 金球與晶片 pad 脫離

圖 15 不同的插件方式比較

圖 16 發光二極體後段無鉛焊著加工溫度示意圖

圖 17 LED 支架的連接固定座

圖 18 LED 墊片之 2D 設計圖

圖 19 LED 墊片之 3D 設計圖

圖 20LED 墊片之模具開發實體圖

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圖 21 LED 墊片之 PC 材質實體圖

圖 22 TPV 橡膠墊片及耐熱矽膠實體圖

表 1 膠材表面成份分析

spectrum C O Al P Ga Zr ln Au Total

Spectrum1 69.55 22.46 7.99 100.00

Spectrum2 8.37 8.78 26.06 4.34 46.25 6.2 100.00

Spectrum3 7.82 28.87 11.55 51.77 100.00

Spectrum4 9.02 6.98 22.01 8.75 5.5 39.92 7.82 100.00 Max. 69.55 22.46 8.78 28.87 11.55 5.5 51.77 7.99 Min. 8.37 22.46 6.98 22.01 4.34 5.5 39.92 6.2

※ 備註：其中 Spectrum 1 為膠材處，作為 EDX 分析參考

表 2 晶粒表面成份分析

spectrum C N O Al Si P Ga Ag ln Au Total

Spectrum1 14.92 5.87 20.35 18.39 6.43 34.14 100.00 Spectrum2 7.54 25.23 9.29 12.23 45.71 100.00 Spectrum3 12.88 6.81 23.82 7.24 42.67 6.59 100.00 Spectrum4 16.25 43.03 40.7 100.00 Max. 12.88 14.92 16.25 7.54 20.35 25.23 9.29 12.23 45.71 40.7 Min. 12.88 14.92 16.25 5.87 20.35 18.39 6.34 12.23 34.14 6.95