國 立 交 通 大 學 · 國 立 交 通 大 學 工學院精密與自動化工程學程 碩 士...

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工學院精密與自動化工程學程 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 生:賴 指導教授:傅 博士 101 7

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Page 1: 國 立 交 通 大 學 · 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

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

中 華 民 國 101 年 7 月

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 StudentChun-Ming Lai

指導教授傅武雄 AdvisorWu-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

Hsinchu Taiwan Republic of China

中華民國 101 年 7 月

I

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

II

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

StudentChun-Ming Lai AdvisorWu-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 methodThe characteristics

of LED such as the decay of the lumen outputthe color changed and the life

time are all depend on the Tj value The parameters of this study include

the controlled conventionpower comsuptionPCB materialthermal interface

materialheat 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

III

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

IV

目 錄

中文摘要 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Ⅰ

英文摘要 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip II

誌謝 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip III

目錄 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip IIV

表目錄 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip IV

圖目錄 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip IVII

符號說明 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip XI

一 緒論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 1

1-1 前言helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 1

1-2 文獻回顧helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 2

1-3 研究動機與目的helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 3

1-4 本文架構helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 3

二 理論基礎helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 7

21 LED發光原理helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 7

22 LED熱傳遞理論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 8

23 LED燈泡的主要結構helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 13

三 實驗量測方法介紹helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25

31 實驗計畫法介紹helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25

32 順向偏壓法helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28

四 熱傳導路徑實驗helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36

41 LED燈泡結構模型條件helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36

42 實驗步驟與量測數值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38

43 實驗量測結果helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 44

五 實驗因子影響效應helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 75

51 基板板材影響效應helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 75

52 導熱材料影響效應helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 76

53 外殼影響效應helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 77

六 結論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 78

參考文獻 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 79

V

表 目 錄

第一章 緒論

表 1-1 LED燈泡與傳統燈泡效率比較表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 5

表 1-2 LED照明優點歸納表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 6

第二章 基礎理論

表 2-1 材料熱傳導係數 k值(單位 WmmiddotK)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 18

表 2-2 LED產業照明專業術語helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19

表 2-3 LED燈泡主要規格項helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20

第三章 實驗方法介紹

表 3-1 「一次一因子」實驗計畫表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 31

表 3-2 「全因子直交表」實驗計畫表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 31

表 3-3 L4(23

)直交表表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 31

表 3-4 LED 於各溫度下之 VFIMhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 46

表 4-2 導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 46

表 4-3 因子符號與水準說明helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47

表 4-4 一次一因子實驗計畫表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47

表 4-5 各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係

表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

49

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt

關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關

係helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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VI

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt

關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt

關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt

關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

60

VII

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 21

圖 2-2 LED封裝結構介紹helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 21

圖 2-2 Power -LED- Assemblyhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22

圖 2-4 金屬芯基板結構圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22

圖 2-5 導熱材料helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22

圖 2-6 AC-DC恒流驅動器helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23

圖 2-7 散熱風扇helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23

圖 2-8 熱管helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23

圖 2-9 LED燈泡以瓦數 散熱 製程分類helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 24

圖 2-10 LED燈泡得獎產品-iF2011helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 24

第三章 實驗方法介紹

圖 3-1 Thermal Management of LEDhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33

圖 3-2 恆溫溫控烤箱 (熱風循環) helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33

圖 3-3 Keithley (2400 series) helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34

圖 3-4 溫度擷取器 Center 309helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34

圖 3-5 LED 溫度與 VF 100 μA 之關係helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34

圖 3-6 LED 操作電流與時間關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35

圖 3-7 推算實際 Tjhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35

第四章 熱傳導路徑的實驗

圖 4-1 LED型式(5630)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61

VIII

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61

圖 4-3 導熱貼片示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62

圖 4-4 導熱膠示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62

圖 4-5 散熱外殼示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62

圖 4-6 實驗模組helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 63

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-8 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp

Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp

Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外

殼 Ta amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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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 amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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IX

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Ta amp Vf 關

係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-18 Exp Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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X

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-28 Exp10FR4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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-29 Exp11FR4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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-31 Tj量測推算值總表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 74

XI

符 號 說 明

Tj LED junction temperature (degC)

η 光電轉換係數 optical powerinput power()

K 熱導率 (heat conductivitythermal conductivity)

Ta 為環境溫度 Ambient temperature (degC)

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

tset Setting of delay time (延遲時間設定) (s)

- 1 -

第一章 緒論

11 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

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 23~12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

- 2 -

12 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

- 3 -

13 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

14 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

照明的特性以及針對影響 LED發光效能以及老化速率的關鍵因素等研究文

- 4 -

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

- 5 -

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

樣品照片

Power(Watt) 352 525 180 7

Luminous Flux

(lumens) 345 659 986 455

光效(lmw) 98 126 548 65

- 6 -

表 1-2 LED照明優點歸納表[23]

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 10000 ~

15000白熾燈為 1000 ~

2000

壽命可達 100000

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ldquo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

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

httpwwwledinsidecomtw10_reason_for_led_light_source_20080

1

- 7 -

第二章基礎理論

21 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(Conduction Band)而能量較低的能帶稱為

價電帶(Valence Band)以上兩者能帶間的距離不存在

任何電子與電洞稱為能隙(Energy Gap)[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

- 8 -

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 powerinput 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

22 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)

22-1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]

- 9 -

(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(Fourierrsquos 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 dn

dT (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 ( 2m )

dndT 單位長度之溫度變化量(溫度梯度)

K 熱傳導係數(thermal conductivity) Cm

W

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

- 10 -

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(dQdt) 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 = (dQdt) (LA)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

22-2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

(Newtonrsquos 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 = hA(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

- 11 -

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

22-3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

- 12 -

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

22-4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 jminuss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 jminusa 可分為三部分 R j-a = R j-s + R s-b + R b-a 因此如

何降低總熱阻 R jminusa 將能增加其散熱功能

- 13 -

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

23 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

- 14 -

231 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

- 15 -

232 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 BoardPCB)

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 036Wm)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 PCBMCPCB)

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 Wm ~ 3 Wm

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

- 16 -

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

233 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

234 驅動器

LED屬於低壓直流元件其正向導通電壓的一般約為 30V~34V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

- 17 -

(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

235 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

- 18 -

表 2-1 材料熱傳導係數 k值(單位 WmmiddotK) [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 58 804

環氧樹脂 --- 6

FR4-PCB板 --- 2

玻璃 076 138

電木 0233 ---

橡膠 013~023

空氣 --- 0024~0026

資料來源 httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

- 19 -

表 2-2 LED產業照明專業術語[25]

專業術語 說明

光通量

(Luminous fluxΦ)

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 intensityI)

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

( KelvinK)

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

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

- 20 -

表 2-3 LED燈泡主要規格項目

效能 廠牌 7W 燈泡

重量 (Weight) 105g plusmn 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 lmW暖光 55 lmW

光源壽命 (Rated Life(Ta=25)) 40000 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

資料來源自製

- 21 -

圖 2-1 LED在不同工作溫度使用壽命趨勢圖[26]

資料來源httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

圖 2-2 LED封裝結構介紹[27]

資料來源httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

- 22 -

圖 2-3 Power -LED- Assembly[28]

資料來源

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-

Power-LED-Assemblyhtml

圖 2-4 金屬芯基板結構圖

圖 2-5 導熱材料[29]

資料來源

httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

- 23 -

圖 2-6 AC-DC恒流驅動器[30]

資料來源httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

圖 2-7散熱風扇[31]

資料來源httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

圖 2-8 熱管[32]

資料來源httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 24 -

圖 2-9LED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

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

- 25 -

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

31 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

311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

312一次一因子實驗法 (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

313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

以致形成太多實驗組合此方法的缺點為需要耗費大量的時間與金錢

- 26 -

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

314田口式直交表實驗法 (Taguchirsquos 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(23

)直交表的定義在於3個因子(ABC)各具2水準(1

2)實驗次數為83行中各水準出現的頻率是相同的(各水準出現的次數一

樣12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(ldquobalanced) 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(23

)L8(27

)L12(211

)L16(215

)L32(231

)

(2)三水準的直交表L9(34

)L18(21

times37

)L27(313

)L36(211

times312

) L36(23

times

313

) L54(21

times325

)

(3)四水準的直交表L16(45

)L32(21

times49

)(4)五水準的直交表L25(56

)

L50(21

times511

)

- 27 -

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

times31

)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

- 28 -

32 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 01mAElectrical 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 voltageVj)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

- 29 -

溫度 Ta的關係式3-1式表示〔4〕2-2式

-Kj=(dVjd 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 ndash 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 (25406080 )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 ndash Tj 之關係 (Kj)

如圖 3-5所示

當 LED持續在操作電流 IH(20mA)下啟動待穩定之後 (如30 min)

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

- 30 -

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

到該系統下 LED的 junction temperature圖 3-7推算實際 Tj

- 31 -

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

資料來源〔22〕

- 32 -

如表 3-3L4(23

)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 3-4LED 於各溫度下之 VFIM

Oven temperature () VF (V) 100uA

25 248x

40 246x

60 243x

80 239x

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

文獻參考

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Page 2: 國 立 交 通 大 學 · 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

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 StudentChun-Ming Lai

指導教授傅武雄 AdvisorWu-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

Hsinchu Taiwan Republic of China

中華民國 101 年 7 月

I

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

II

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

StudentChun-Ming Lai AdvisorWu-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 methodThe characteristics

of LED such as the decay of the lumen outputthe color changed and the life

time are all depend on the Tj value The parameters of this study include

the controlled conventionpower comsuptionPCB materialthermal interface

materialheat 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

III

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

IV

目 錄

中文摘要 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Ⅰ

英文摘要 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip II

誌謝 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip III

目錄 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip IIV

表目錄 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip IV

圖目錄 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip IVII

符號說明 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip XI

一 緒論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 1

1-1 前言helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 1

1-2 文獻回顧helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 2

1-3 研究動機與目的helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 3

1-4 本文架構helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 3

二 理論基礎helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 7

21 LED發光原理helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 7

22 LED熱傳遞理論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 8

23 LED燈泡的主要結構helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 13

三 實驗量測方法介紹helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25

31 實驗計畫法介紹helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25

32 順向偏壓法helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28

四 熱傳導路徑實驗helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36

41 LED燈泡結構模型條件helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36

42 實驗步驟與量測數值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38

43 實驗量測結果helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 44

五 實驗因子影響效應helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 75

51 基板板材影響效應helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 75

52 導熱材料影響效應helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 76

53 外殼影響效應helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 77

六 結論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 78

參考文獻 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 79

V

表 目 錄

第一章 緒論

表 1-1 LED燈泡與傳統燈泡效率比較表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 5

表 1-2 LED照明優點歸納表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 6

第二章 基礎理論

表 2-1 材料熱傳導係數 k值(單位 WmmiddotK)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 18

表 2-2 LED產業照明專業術語helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19

表 2-3 LED燈泡主要規格項helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20

第三章 實驗方法介紹

表 3-1 「一次一因子」實驗計畫表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 31

表 3-2 「全因子直交表」實驗計畫表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 31

表 3-3 L4(23

)直交表表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 31

表 3-4 LED 於各溫度下之 VFIMhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 46

表 4-2 導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 46

表 4-3 因子符號與水準說明helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47

表 4-4 一次一因子實驗計畫表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47

表 4-5 各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係

表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

49

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt

關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

50

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關

係helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

51

VI

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt

關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

52

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

53

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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 ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

55

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

56

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt

關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

57

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

58

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

59

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt

關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

60

VII

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 21

圖 2-2 LED封裝結構介紹helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 21

圖 2-2 Power -LED- Assemblyhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22

圖 2-4 金屬芯基板結構圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22

圖 2-5 導熱材料helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22

圖 2-6 AC-DC恒流驅動器helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23

圖 2-7 散熱風扇helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23

圖 2-8 熱管helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23

圖 2-9 LED燈泡以瓦數 散熱 製程分類helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 24

圖 2-10 LED燈泡得獎產品-iF2011helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 24

第三章 實驗方法介紹

圖 3-1 Thermal Management of LEDhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33

圖 3-2 恆溫溫控烤箱 (熱風循環) helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33

圖 3-3 Keithley (2400 series) helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34

圖 3-4 溫度擷取器 Center 309helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34

圖 3-5 LED 溫度與 VF 100 μA 之關係helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34

圖 3-6 LED 操作電流與時間關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35

圖 3-7 推算實際 Tjhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35

第四章 熱傳導路徑的實驗

圖 4-1 LED型式(5630)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61

VIII

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61

圖 4-3 導熱貼片示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62

圖 4-4 導熱膠示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62

圖 4-5 散熱外殼示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62

圖 4-6 實驗模組helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 63

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

63

圖 4-8 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

63

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

64

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

64

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp

Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

64

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp

Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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 amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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 amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

65

IX

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Ta amp Vf 關

係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

66

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

66

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

67

圖 4-18 Exp Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

71

X

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

72

圖 4-28 Exp10FR4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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

72

圖 4-29 Exp11FR4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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

73

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

73

圖 4-31 Tj量測推算值總表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 74

XI

符 號 說 明

Tj LED junction temperature (degC)

η 光電轉換係數 optical powerinput power()

K 熱導率 (heat conductivitythermal conductivity)

Ta 為環境溫度 Ambient temperature (degC)

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

tset Setting of delay time (延遲時間設定) (s)

- 1 -

第一章 緒論

11 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

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 23~12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

- 2 -

12 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

- 3 -

13 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

14 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

照明的特性以及針對影響 LED發光效能以及老化速率的關鍵因素等研究文

- 4 -

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

- 5 -

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

樣品照片

Power(Watt) 352 525 180 7

Luminous Flux

(lumens) 345 659 986 455

光效(lmw) 98 126 548 65

- 6 -

表 1-2 LED照明優點歸納表[23]

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 10000 ~

15000白熾燈為 1000 ~

2000

壽命可達 100000

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ldquo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

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

httpwwwledinsidecomtw10_reason_for_led_light_source_20080

1

- 7 -

第二章基礎理論

21 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(Conduction Band)而能量較低的能帶稱為

價電帶(Valence Band)以上兩者能帶間的距離不存在

任何電子與電洞稱為能隙(Energy Gap)[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

- 8 -

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 powerinput 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

22 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)

22-1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]

- 9 -

(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(Fourierrsquos 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 dn

dT (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 ( 2m )

dndT 單位長度之溫度變化量(溫度梯度)

K 熱傳導係數(thermal conductivity) Cm

W

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

- 10 -

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(dQdt) 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 = (dQdt) (LA)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

22-2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

(Newtonrsquos 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 = hA(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

- 11 -

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

22-3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

- 12 -

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

22-4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 jminuss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 jminusa 可分為三部分 R j-a = R j-s + R s-b + R b-a 因此如

何降低總熱阻 R jminusa 將能增加其散熱功能

- 13 -

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

23 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

- 14 -

231 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

- 15 -

232 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 BoardPCB)

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 036Wm)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 PCBMCPCB)

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 Wm ~ 3 Wm

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

- 16 -

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

233 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

234 驅動器

LED屬於低壓直流元件其正向導通電壓的一般約為 30V~34V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

- 17 -

(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

235 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

- 18 -

表 2-1 材料熱傳導係數 k值(單位 WmmiddotK) [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 58 804

環氧樹脂 --- 6

FR4-PCB板 --- 2

玻璃 076 138

電木 0233 ---

橡膠 013~023

空氣 --- 0024~0026

資料來源 httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

- 19 -

表 2-2 LED產業照明專業術語[25]

專業術語 說明

光通量

(Luminous fluxΦ)

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 intensityI)

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

( KelvinK)

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

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

- 20 -

表 2-3 LED燈泡主要規格項目

效能 廠牌 7W 燈泡

重量 (Weight) 105g plusmn 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 lmW暖光 55 lmW

光源壽命 (Rated Life(Ta=25)) 40000 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

資料來源自製

- 21 -

圖 2-1 LED在不同工作溫度使用壽命趨勢圖[26]

資料來源httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

圖 2-2 LED封裝結構介紹[27]

資料來源httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

- 22 -

圖 2-3 Power -LED- Assembly[28]

資料來源

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-

Power-LED-Assemblyhtml

圖 2-4 金屬芯基板結構圖

圖 2-5 導熱材料[29]

資料來源

httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

- 23 -

圖 2-6 AC-DC恒流驅動器[30]

資料來源httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

圖 2-7散熱風扇[31]

資料來源httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

圖 2-8 熱管[32]

資料來源httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 24 -

圖 2-9LED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

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

- 25 -

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

31 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

311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

312一次一因子實驗法 (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

313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

以致形成太多實驗組合此方法的缺點為需要耗費大量的時間與金錢

- 26 -

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

314田口式直交表實驗法 (Taguchirsquos 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(23

)直交表的定義在於3個因子(ABC)各具2水準(1

2)實驗次數為83行中各水準出現的頻率是相同的(各水準出現的次數一

樣12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(ldquobalanced) 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(23

)L8(27

)L12(211

)L16(215

)L32(231

)

(2)三水準的直交表L9(34

)L18(21

times37

)L27(313

)L36(211

times312

) L36(23

times

313

) L54(21

times325

)

(3)四水準的直交表L16(45

)L32(21

times49

)(4)五水準的直交表L25(56

)

L50(21

times511

)

- 27 -

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

times31

)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

- 28 -

32 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 01mAElectrical 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 voltageVj)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

- 29 -

溫度 Ta的關係式3-1式表示〔4〕2-2式

-Kj=(dVjd 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 ndash 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 (25406080 )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 ndash Tj 之關係 (Kj)

如圖 3-5所示

當 LED持續在操作電流 IH(20mA)下啟動待穩定之後 (如30 min)

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

- 30 -

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

到該系統下 LED的 junction temperature圖 3-7推算實際 Tj

- 31 -

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

資料來源〔22〕

- 32 -

如表 3-3L4(23

)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 3-4LED 於各溫度下之 VFIM

Oven temperature () VF (V) 100uA

25 248x

40 246x

60 243x

80 239x

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 3: 國 立 交 通 大 學 · 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

I

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

II

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

StudentChun-Ming Lai AdvisorWu-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 methodThe characteristics

of LED such as the decay of the lumen outputthe color changed and the life

time are all depend on the Tj value The parameters of this study include

the controlled conventionpower comsuptionPCB materialthermal interface

materialheat 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

III

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

IV

目 錄

中文摘要 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Ⅰ

英文摘要 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip II

誌謝 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip III

目錄 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip IIV

表目錄 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip IV

圖目錄 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip IVII

符號說明 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip XI

一 緒論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 1

1-1 前言helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 1

1-2 文獻回顧helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 2

1-3 研究動機與目的helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 3

1-4 本文架構helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 3

二 理論基礎helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 7

21 LED發光原理helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 7

22 LED熱傳遞理論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 8

23 LED燈泡的主要結構helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 13

三 實驗量測方法介紹helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25

31 實驗計畫法介紹helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25

32 順向偏壓法helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28

四 熱傳導路徑實驗helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36

41 LED燈泡結構模型條件helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36

42 實驗步驟與量測數值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38

43 實驗量測結果helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 44

五 實驗因子影響效應helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 75

51 基板板材影響效應helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 75

52 導熱材料影響效應helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 76

53 外殼影響效應helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 77

六 結論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 78

參考文獻 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 79

V

表 目 錄

第一章 緒論

表 1-1 LED燈泡與傳統燈泡效率比較表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 5

表 1-2 LED照明優點歸納表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 6

第二章 基礎理論

表 2-1 材料熱傳導係數 k值(單位 WmmiddotK)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 18

表 2-2 LED產業照明專業術語helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19

表 2-3 LED燈泡主要規格項helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20

第三章 實驗方法介紹

表 3-1 「一次一因子」實驗計畫表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 31

表 3-2 「全因子直交表」實驗計畫表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 31

表 3-3 L4(23

)直交表表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 31

表 3-4 LED 於各溫度下之 VFIMhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 46

表 4-2 導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 46

表 4-3 因子符號與水準說明helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47

表 4-4 一次一因子實驗計畫表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47

表 4-5 各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係

表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

49

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt

關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

50

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關

係helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

51

VI

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt

關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

52

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

53

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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 ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

55

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

56

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt

關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

57

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

58

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

59

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt

關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

60

VII

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 21

圖 2-2 LED封裝結構介紹helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 21

圖 2-2 Power -LED- Assemblyhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22

圖 2-4 金屬芯基板結構圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22

圖 2-5 導熱材料helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22

圖 2-6 AC-DC恒流驅動器helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23

圖 2-7 散熱風扇helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23

圖 2-8 熱管helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23

圖 2-9 LED燈泡以瓦數 散熱 製程分類helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 24

圖 2-10 LED燈泡得獎產品-iF2011helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 24

第三章 實驗方法介紹

圖 3-1 Thermal Management of LEDhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33

圖 3-2 恆溫溫控烤箱 (熱風循環) helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33

圖 3-3 Keithley (2400 series) helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34

圖 3-4 溫度擷取器 Center 309helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34

圖 3-5 LED 溫度與 VF 100 μA 之關係helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34

圖 3-6 LED 操作電流與時間關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35

圖 3-7 推算實際 Tjhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35

第四章 熱傳導路徑的實驗

圖 4-1 LED型式(5630)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61

VIII

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61

圖 4-3 導熱貼片示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62

圖 4-4 導熱膠示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62

圖 4-5 散熱外殼示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62

圖 4-6 實驗模組helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 63

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

63

圖 4-8 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

63

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

64

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

64

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp

Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

64

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp

Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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 amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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 amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

65

IX

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Ta amp Vf 關

係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

66

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

66

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

67

圖 4-18 Exp Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

71

X

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

72

圖 4-28 Exp10FR4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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

72

圖 4-29 Exp11FR4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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

73

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

73

圖 4-31 Tj量測推算值總表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 74

XI

符 號 說 明

Tj LED junction temperature (degC)

η 光電轉換係數 optical powerinput power()

K 熱導率 (heat conductivitythermal conductivity)

Ta 為環境溫度 Ambient temperature (degC)

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

tset Setting of delay time (延遲時間設定) (s)

- 1 -

第一章 緒論

11 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

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 23~12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

- 2 -

12 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

- 3 -

13 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

14 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

照明的特性以及針對影響 LED發光效能以及老化速率的關鍵因素等研究文

- 4 -

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

- 5 -

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

樣品照片

Power(Watt) 352 525 180 7

Luminous Flux

(lumens) 345 659 986 455

光效(lmw) 98 126 548 65

- 6 -

表 1-2 LED照明優點歸納表[23]

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 10000 ~

15000白熾燈為 1000 ~

2000

壽命可達 100000

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ldquo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

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

httpwwwledinsidecomtw10_reason_for_led_light_source_20080

1

- 7 -

第二章基礎理論

21 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(Conduction Band)而能量較低的能帶稱為

價電帶(Valence Band)以上兩者能帶間的距離不存在

任何電子與電洞稱為能隙(Energy Gap)[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

- 8 -

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 powerinput 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

22 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)

22-1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]

- 9 -

(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(Fourierrsquos 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 dn

dT (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 ( 2m )

dndT 單位長度之溫度變化量(溫度梯度)

K 熱傳導係數(thermal conductivity) Cm

W

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

- 10 -

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(dQdt) 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 = (dQdt) (LA)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

22-2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

(Newtonrsquos 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 = hA(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

- 11 -

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

22-3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

- 12 -

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

22-4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 jminuss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 jminusa 可分為三部分 R j-a = R j-s + R s-b + R b-a 因此如

何降低總熱阻 R jminusa 將能增加其散熱功能

- 13 -

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

23 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

- 14 -

231 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

- 15 -

232 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 BoardPCB)

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 036Wm)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 PCBMCPCB)

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 Wm ~ 3 Wm

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

- 16 -

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

233 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

234 驅動器

LED屬於低壓直流元件其正向導通電壓的一般約為 30V~34V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

- 17 -

(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

235 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

- 18 -

表 2-1 材料熱傳導係數 k值(單位 WmmiddotK) [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 58 804

環氧樹脂 --- 6

FR4-PCB板 --- 2

玻璃 076 138

電木 0233 ---

橡膠 013~023

空氣 --- 0024~0026

資料來源 httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

- 19 -

表 2-2 LED產業照明專業術語[25]

專業術語 說明

光通量

(Luminous fluxΦ)

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 intensityI)

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

( KelvinK)

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

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

- 20 -

表 2-3 LED燈泡主要規格項目

效能 廠牌 7W 燈泡

重量 (Weight) 105g plusmn 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 lmW暖光 55 lmW

光源壽命 (Rated Life(Ta=25)) 40000 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

資料來源自製

- 21 -

圖 2-1 LED在不同工作溫度使用壽命趨勢圖[26]

資料來源httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

圖 2-2 LED封裝結構介紹[27]

資料來源httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

- 22 -

圖 2-3 Power -LED- Assembly[28]

資料來源

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-

Power-LED-Assemblyhtml

圖 2-4 金屬芯基板結構圖

圖 2-5 導熱材料[29]

資料來源

httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

- 23 -

圖 2-6 AC-DC恒流驅動器[30]

資料來源httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

圖 2-7散熱風扇[31]

資料來源httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

圖 2-8 熱管[32]

資料來源httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 24 -

圖 2-9LED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

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

- 25 -

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

31 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

311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

312一次一因子實驗法 (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

313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

以致形成太多實驗組合此方法的缺點為需要耗費大量的時間與金錢

- 26 -

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

314田口式直交表實驗法 (Taguchirsquos 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(23

)直交表的定義在於3個因子(ABC)各具2水準(1

2)實驗次數為83行中各水準出現的頻率是相同的(各水準出現的次數一

樣12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(ldquobalanced) 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(23

)L8(27

)L12(211

)L16(215

)L32(231

)

(2)三水準的直交表L9(34

)L18(21

times37

)L27(313

)L36(211

times312

) L36(23

times

313

) L54(21

times325

)

(3)四水準的直交表L16(45

)L32(21

times49

)(4)五水準的直交表L25(56

)

L50(21

times511

)

- 27 -

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

times31

)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

- 28 -

32 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 01mAElectrical 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 voltageVj)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

- 29 -

溫度 Ta的關係式3-1式表示〔4〕2-2式

-Kj=(dVjd 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 ndash 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 (25406080 )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 ndash Tj 之關係 (Kj)

如圖 3-5所示

當 LED持續在操作電流 IH(20mA)下啟動待穩定之後 (如30 min)

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

- 30 -

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

到該系統下 LED的 junction temperature圖 3-7推算實際 Tj

- 31 -

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

資料來源〔22〕

- 32 -

如表 3-3L4(23

)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 3-4LED 於各溫度下之 VFIM

Oven temperature () VF (V) 100uA

25 248x

40 246x

60 243x

80 239x

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 4: 國 立 交 通 大 學 · 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

II

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

StudentChun-Ming Lai AdvisorWu-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 methodThe characteristics

of LED such as the decay of the lumen outputthe color changed and the life

time are all depend on the Tj value The parameters of this study include

the controlled conventionpower comsuptionPCB materialthermal interface

materialheat 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

III

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

IV

目 錄

中文摘要 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Ⅰ

英文摘要 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip II

誌謝 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip III

目錄 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip IIV

表目錄 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip IV

圖目錄 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip IVII

符號說明 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip XI

一 緒論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 1

1-1 前言helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 1

1-2 文獻回顧helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 2

1-3 研究動機與目的helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 3

1-4 本文架構helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 3

二 理論基礎helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 7

21 LED發光原理helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 7

22 LED熱傳遞理論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 8

23 LED燈泡的主要結構helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 13

三 實驗量測方法介紹helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25

31 實驗計畫法介紹helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25

32 順向偏壓法helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28

四 熱傳導路徑實驗helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36

41 LED燈泡結構模型條件helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36

42 實驗步驟與量測數值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38

43 實驗量測結果helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 44

五 實驗因子影響效應helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 75

51 基板板材影響效應helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 75

52 導熱材料影響效應helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 76

53 外殼影響效應helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 77

六 結論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 78

參考文獻 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 79

V

表 目 錄

第一章 緒論

表 1-1 LED燈泡與傳統燈泡效率比較表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 5

表 1-2 LED照明優點歸納表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 6

第二章 基礎理論

表 2-1 材料熱傳導係數 k值(單位 WmmiddotK)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 18

表 2-2 LED產業照明專業術語helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19

表 2-3 LED燈泡主要規格項helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20

第三章 實驗方法介紹

表 3-1 「一次一因子」實驗計畫表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 31

表 3-2 「全因子直交表」實驗計畫表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 31

表 3-3 L4(23

)直交表表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 31

表 3-4 LED 於各溫度下之 VFIMhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 46

表 4-2 導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 46

表 4-3 因子符號與水準說明helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47

表 4-4 一次一因子實驗計畫表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47

表 4-5 各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係

表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

49

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt

關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

50

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關

係helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

51

VI

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt

關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

52

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

53

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

55

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

56

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt

關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

57

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

59

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt

關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

60

VII

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 21

圖 2-2 LED封裝結構介紹helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 21

圖 2-2 Power -LED- Assemblyhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22

圖 2-4 金屬芯基板結構圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22

圖 2-5 導熱材料helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22

圖 2-6 AC-DC恒流驅動器helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23

圖 2-7 散熱風扇helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23

圖 2-8 熱管helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23

圖 2-9 LED燈泡以瓦數 散熱 製程分類helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 24

圖 2-10 LED燈泡得獎產品-iF2011helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 24

第三章 實驗方法介紹

圖 3-1 Thermal Management of LEDhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33

圖 3-2 恆溫溫控烤箱 (熱風循環) helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33

圖 3-3 Keithley (2400 series) helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34

圖 3-4 溫度擷取器 Center 309helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34

圖 3-5 LED 溫度與 VF 100 μA 之關係helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34

圖 3-6 LED 操作電流與時間關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35

圖 3-7 推算實際 Tjhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35

第四章 熱傳導路徑的實驗

圖 4-1 LED型式(5630)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61

VIII

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61

圖 4-3 導熱貼片示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62

圖 4-4 導熱膠示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62

圖 4-5 散熱外殼示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62

圖 4-6 實驗模組helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 63

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

63

圖 4-8 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

63

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

64

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

64

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp

Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

64

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp

Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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 amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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 amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

65

IX

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Ta amp Vf 關

係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

66

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

66

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

67

圖 4-18 Exp Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

71

X

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

72

圖 4-28 Exp10FR4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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

72

圖 4-29 Exp11FR4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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

73

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

73

圖 4-31 Tj量測推算值總表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 74

XI

符 號 說 明

Tj LED junction temperature (degC)

η 光電轉換係數 optical powerinput power()

K 熱導率 (heat conductivitythermal conductivity)

Ta 為環境溫度 Ambient temperature (degC)

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

tset Setting of delay time (延遲時間設定) (s)

- 1 -

第一章 緒論

11 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

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 23~12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

- 2 -

12 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

- 3 -

13 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

14 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

照明的特性以及針對影響 LED發光效能以及老化速率的關鍵因素等研究文

- 4 -

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

- 5 -

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

樣品照片

Power(Watt) 352 525 180 7

Luminous Flux

(lumens) 345 659 986 455

光效(lmw) 98 126 548 65

- 6 -

表 1-2 LED照明優點歸納表[23]

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 10000 ~

15000白熾燈為 1000 ~

2000

壽命可達 100000

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ldquo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

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

httpwwwledinsidecomtw10_reason_for_led_light_source_20080

1

- 7 -

第二章基礎理論

21 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(Conduction Band)而能量較低的能帶稱為

價電帶(Valence Band)以上兩者能帶間的距離不存在

任何電子與電洞稱為能隙(Energy Gap)[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

- 8 -

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 powerinput 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

22 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)

22-1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]

- 9 -

(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(Fourierrsquos 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 dn

dT (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 ( 2m )

dndT 單位長度之溫度變化量(溫度梯度)

K 熱傳導係數(thermal conductivity) Cm

W

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

- 10 -

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(dQdt) 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 = (dQdt) (LA)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

22-2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

(Newtonrsquos 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 = hA(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

- 11 -

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

22-3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

- 12 -

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

22-4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 jminuss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 jminusa 可分為三部分 R j-a = R j-s + R s-b + R b-a 因此如

何降低總熱阻 R jminusa 將能增加其散熱功能

- 13 -

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

23 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

- 14 -

231 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

- 15 -

232 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 BoardPCB)

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 036Wm)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 PCBMCPCB)

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 Wm ~ 3 Wm

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

- 16 -

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

233 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

234 驅動器

LED屬於低壓直流元件其正向導通電壓的一般約為 30V~34V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

- 17 -

(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

235 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

- 18 -

表 2-1 材料熱傳導係數 k值(單位 WmmiddotK) [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 58 804

環氧樹脂 --- 6

FR4-PCB板 --- 2

玻璃 076 138

電木 0233 ---

橡膠 013~023

空氣 --- 0024~0026

資料來源 httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

- 19 -

表 2-2 LED產業照明專業術語[25]

專業術語 說明

光通量

(Luminous fluxΦ)

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 intensityI)

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

( KelvinK)

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

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

- 20 -

表 2-3 LED燈泡主要規格項目

效能 廠牌 7W 燈泡

重量 (Weight) 105g plusmn 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 lmW暖光 55 lmW

光源壽命 (Rated Life(Ta=25)) 40000 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

資料來源自製

- 21 -

圖 2-1 LED在不同工作溫度使用壽命趨勢圖[26]

資料來源httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

圖 2-2 LED封裝結構介紹[27]

資料來源httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

- 22 -

圖 2-3 Power -LED- Assembly[28]

資料來源

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-

Power-LED-Assemblyhtml

圖 2-4 金屬芯基板結構圖

圖 2-5 導熱材料[29]

資料來源

httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

- 23 -

圖 2-6 AC-DC恒流驅動器[30]

資料來源httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

圖 2-7散熱風扇[31]

資料來源httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

圖 2-8 熱管[32]

資料來源httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 24 -

圖 2-9LED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

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

- 25 -

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

31 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

311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

312一次一因子實驗法 (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

313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

以致形成太多實驗組合此方法的缺點為需要耗費大量的時間與金錢

- 26 -

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

314田口式直交表實驗法 (Taguchirsquos 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(23

)直交表的定義在於3個因子(ABC)各具2水準(1

2)實驗次數為83行中各水準出現的頻率是相同的(各水準出現的次數一

樣12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(ldquobalanced) 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(23

)L8(27

)L12(211

)L16(215

)L32(231

)

(2)三水準的直交表L9(34

)L18(21

times37

)L27(313

)L36(211

times312

) L36(23

times

313

) L54(21

times325

)

(3)四水準的直交表L16(45

)L32(21

times49

)(4)五水準的直交表L25(56

)

L50(21

times511

)

- 27 -

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

times31

)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

- 28 -

32 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 01mAElectrical 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 voltageVj)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

- 29 -

溫度 Ta的關係式3-1式表示〔4〕2-2式

-Kj=(dVjd 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 ndash 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 (25406080 )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 ndash Tj 之關係 (Kj)

如圖 3-5所示

當 LED持續在操作電流 IH(20mA)下啟動待穩定之後 (如30 min)

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

- 30 -

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

到該系統下 LED的 junction temperature圖 3-7推算實際 Tj

- 31 -

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

資料來源〔22〕

- 32 -

如表 3-3L4(23

)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 3-4LED 於各溫度下之 VFIM

Oven temperature () VF (V) 100uA

25 248x

40 246x

60 243x

80 239x

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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ower-LED-Assemblyhtml

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httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

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[31]gt httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

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- 82 -

[33]gt

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

[34]gt

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-junction-temperat

ure-of-leds-with-thermal-management-materials

[35]gt

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184h

tml

[36]gt

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

Page 5: 國 立 交 通 大 學 · 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

III

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

IV

目 錄

中文摘要 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Ⅰ

英文摘要 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip II

誌謝 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip III

目錄 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip IIV

表目錄 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip IV

圖目錄 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip IVII

符號說明 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip XI

一 緒論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 1

1-1 前言helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 1

1-2 文獻回顧helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 2

1-3 研究動機與目的helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 3

1-4 本文架構helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 3

二 理論基礎helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 7

21 LED發光原理helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 7

22 LED熱傳遞理論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 8

23 LED燈泡的主要結構helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 13

三 實驗量測方法介紹helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25

31 實驗計畫法介紹helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25

32 順向偏壓法helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28

四 熱傳導路徑實驗helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36

41 LED燈泡結構模型條件helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36

42 實驗步驟與量測數值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38

43 實驗量測結果helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 44

五 實驗因子影響效應helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 75

51 基板板材影響效應helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 75

52 導熱材料影響效應helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 76

53 外殼影響效應helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 77

六 結論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 78

參考文獻 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 79

V

表 目 錄

第一章 緒論

表 1-1 LED燈泡與傳統燈泡效率比較表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 5

表 1-2 LED照明優點歸納表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 6

第二章 基礎理論

表 2-1 材料熱傳導係數 k值(單位 WmmiddotK)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 18

表 2-2 LED產業照明專業術語helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19

表 2-3 LED燈泡主要規格項helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20

第三章 實驗方法介紹

表 3-1 「一次一因子」實驗計畫表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 31

表 3-2 「全因子直交表」實驗計畫表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 31

表 3-3 L4(23

)直交表表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 31

表 3-4 LED 於各溫度下之 VFIMhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 46

表 4-2 導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 46

表 4-3 因子符號與水準說明helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47

表 4-4 一次一因子實驗計畫表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47

表 4-5 各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係

表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

49

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt

關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

50

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關

係helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

51

VI

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt

關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

52

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

53

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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 ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

55

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

56

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt

關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

57

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

58

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

59

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt

關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

60

VII

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 21

圖 2-2 LED封裝結構介紹helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 21

圖 2-2 Power -LED- Assemblyhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22

圖 2-4 金屬芯基板結構圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22

圖 2-5 導熱材料helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22

圖 2-6 AC-DC恒流驅動器helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23

圖 2-7 散熱風扇helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23

圖 2-8 熱管helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23

圖 2-9 LED燈泡以瓦數 散熱 製程分類helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 24

圖 2-10 LED燈泡得獎產品-iF2011helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 24

第三章 實驗方法介紹

圖 3-1 Thermal Management of LEDhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33

圖 3-2 恆溫溫控烤箱 (熱風循環) helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33

圖 3-3 Keithley (2400 series) helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34

圖 3-4 溫度擷取器 Center 309helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34

圖 3-5 LED 溫度與 VF 100 μA 之關係helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34

圖 3-6 LED 操作電流與時間關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35

圖 3-7 推算實際 Tjhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35

第四章 熱傳導路徑的實驗

圖 4-1 LED型式(5630)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61

VIII

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61

圖 4-3 導熱貼片示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62

圖 4-4 導熱膠示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62

圖 4-5 散熱外殼示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62

圖 4-6 實驗模組helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 63

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

63

圖 4-8 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

63

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

64

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

64

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp

Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

64

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp

Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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 amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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 amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

65

IX

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Ta amp Vf 關

係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

66

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

66

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

67

圖 4-18 Exp Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

71

X

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

72

圖 4-28 Exp10FR4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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

72

圖 4-29 Exp11FR4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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

73

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

73

圖 4-31 Tj量測推算值總表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 74

XI

符 號 說 明

Tj LED junction temperature (degC)

η 光電轉換係數 optical powerinput power()

K 熱導率 (heat conductivitythermal conductivity)

Ta 為環境溫度 Ambient temperature (degC)

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

tset Setting of delay time (延遲時間設定) (s)

- 1 -

第一章 緒論

11 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

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 23~12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

- 2 -

12 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

- 3 -

13 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

14 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

照明的特性以及針對影響 LED發光效能以及老化速率的關鍵因素等研究文

- 4 -

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

- 5 -

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

樣品照片

Power(Watt) 352 525 180 7

Luminous Flux

(lumens) 345 659 986 455

光效(lmw) 98 126 548 65

- 6 -

表 1-2 LED照明優點歸納表[23]

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 10000 ~

15000白熾燈為 1000 ~

2000

壽命可達 100000

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ldquo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

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

httpwwwledinsidecomtw10_reason_for_led_light_source_20080

1

- 7 -

第二章基礎理論

21 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(Conduction Band)而能量較低的能帶稱為

價電帶(Valence Band)以上兩者能帶間的距離不存在

任何電子與電洞稱為能隙(Energy Gap)[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

- 8 -

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 powerinput 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

22 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)

22-1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]

- 9 -

(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(Fourierrsquos 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 dn

dT (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 ( 2m )

dndT 單位長度之溫度變化量(溫度梯度)

K 熱傳導係數(thermal conductivity) Cm

W

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

- 10 -

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(dQdt) 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 = (dQdt) (LA)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

22-2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

(Newtonrsquos 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 = hA(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

- 11 -

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

22-3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

- 12 -

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

22-4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 jminuss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 jminusa 可分為三部分 R j-a = R j-s + R s-b + R b-a 因此如

何降低總熱阻 R jminusa 將能增加其散熱功能

- 13 -

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

23 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

- 14 -

231 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

- 15 -

232 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 BoardPCB)

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 036Wm)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 PCBMCPCB)

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 Wm ~ 3 Wm

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

- 16 -

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

233 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

234 驅動器

LED屬於低壓直流元件其正向導通電壓的一般約為 30V~34V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

- 17 -

(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

235 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

- 18 -

表 2-1 材料熱傳導係數 k值(單位 WmmiddotK) [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 58 804

環氧樹脂 --- 6

FR4-PCB板 --- 2

玻璃 076 138

電木 0233 ---

橡膠 013~023

空氣 --- 0024~0026

資料來源 httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

- 19 -

表 2-2 LED產業照明專業術語[25]

專業術語 說明

光通量

(Luminous fluxΦ)

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 intensityI)

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

( KelvinK)

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

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

- 20 -

表 2-3 LED燈泡主要規格項目

效能 廠牌 7W 燈泡

重量 (Weight) 105g plusmn 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 lmW暖光 55 lmW

光源壽命 (Rated Life(Ta=25)) 40000 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

資料來源自製

- 21 -

圖 2-1 LED在不同工作溫度使用壽命趨勢圖[26]

資料來源httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

圖 2-2 LED封裝結構介紹[27]

資料來源httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

- 22 -

圖 2-3 Power -LED- Assembly[28]

資料來源

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-

Power-LED-Assemblyhtml

圖 2-4 金屬芯基板結構圖

圖 2-5 導熱材料[29]

資料來源

httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

- 23 -

圖 2-6 AC-DC恒流驅動器[30]

資料來源httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

圖 2-7散熱風扇[31]

資料來源httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

圖 2-8 熱管[32]

資料來源httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 24 -

圖 2-9LED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

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

- 25 -

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

31 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

311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

312一次一因子實驗法 (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

313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

以致形成太多實驗組合此方法的缺點為需要耗費大量的時間與金錢

- 26 -

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

314田口式直交表實驗法 (Taguchirsquos 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(23

)直交表的定義在於3個因子(ABC)各具2水準(1

2)實驗次數為83行中各水準出現的頻率是相同的(各水準出現的次數一

樣12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(ldquobalanced) 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(23

)L8(27

)L12(211

)L16(215

)L32(231

)

(2)三水準的直交表L9(34

)L18(21

times37

)L27(313

)L36(211

times312

) L36(23

times

313

) L54(21

times325

)

(3)四水準的直交表L16(45

)L32(21

times49

)(4)五水準的直交表L25(56

)

L50(21

times511

)

- 27 -

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

times31

)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

- 28 -

32 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 01mAElectrical 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 voltageVj)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

- 29 -

溫度 Ta的關係式3-1式表示〔4〕2-2式

-Kj=(dVjd 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 ndash 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 (25406080 )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 ndash Tj 之關係 (Kj)

如圖 3-5所示

當 LED持續在操作電流 IH(20mA)下啟動待穩定之後 (如30 min)

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

- 30 -

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

到該系統下 LED的 junction temperature圖 3-7推算實際 Tj

- 31 -

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

資料來源〔22〕

- 32 -

如表 3-3L4(23

)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 3-4LED 於各溫度下之 VFIM

Oven temperature () VF (V) 100uA

25 248x

40 246x

60 243x

80 239x

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 6: 國 立 交 通 大 學 · 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

IV

目 錄

中文摘要 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Ⅰ

英文摘要 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip II

誌謝 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip III

目錄 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip IIV

表目錄 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip IV

圖目錄 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip IVII

符號說明 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip XI

一 緒論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 1

1-1 前言helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 1

1-2 文獻回顧helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 2

1-3 研究動機與目的helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 3

1-4 本文架構helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 3

二 理論基礎helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 7

21 LED發光原理helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 7

22 LED熱傳遞理論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 8

23 LED燈泡的主要結構helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 13

三 實驗量測方法介紹helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25

31 實驗計畫法介紹helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25

32 順向偏壓法helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28

四 熱傳導路徑實驗helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36

41 LED燈泡結構模型條件helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36

42 實驗步驟與量測數值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38

43 實驗量測結果helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 44

五 實驗因子影響效應helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 75

51 基板板材影響效應helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 75

52 導熱材料影響效應helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 76

53 外殼影響效應helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 77

六 結論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 78

參考文獻 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 79

V

表 目 錄

第一章 緒論

表 1-1 LED燈泡與傳統燈泡效率比較表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 5

表 1-2 LED照明優點歸納表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 6

第二章 基礎理論

表 2-1 材料熱傳導係數 k值(單位 WmmiddotK)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 18

表 2-2 LED產業照明專業術語helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19

表 2-3 LED燈泡主要規格項helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20

第三章 實驗方法介紹

表 3-1 「一次一因子」實驗計畫表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 31

表 3-2 「全因子直交表」實驗計畫表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 31

表 3-3 L4(23

)直交表表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 31

表 3-4 LED 於各溫度下之 VFIMhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 46

表 4-2 導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 46

表 4-3 因子符號與水準說明helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47

表 4-4 一次一因子實驗計畫表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47

表 4-5 各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係

表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

49

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt

關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關

係helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

51

VI

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt

關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt

關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt

關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

60

VII

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 21

圖 2-2 LED封裝結構介紹helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 21

圖 2-2 Power -LED- Assemblyhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22

圖 2-4 金屬芯基板結構圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22

圖 2-5 導熱材料helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22

圖 2-6 AC-DC恒流驅動器helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23

圖 2-7 散熱風扇helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23

圖 2-8 熱管helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23

圖 2-9 LED燈泡以瓦數 散熱 製程分類helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 24

圖 2-10 LED燈泡得獎產品-iF2011helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 24

第三章 實驗方法介紹

圖 3-1 Thermal Management of LEDhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33

圖 3-2 恆溫溫控烤箱 (熱風循環) helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33

圖 3-3 Keithley (2400 series) helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34

圖 3-4 溫度擷取器 Center 309helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34

圖 3-5 LED 溫度與 VF 100 μA 之關係helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34

圖 3-6 LED 操作電流與時間關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35

圖 3-7 推算實際 Tjhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35

第四章 熱傳導路徑的實驗

圖 4-1 LED型式(5630)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61

VIII

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61

圖 4-3 導熱貼片示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62

圖 4-4 導熱膠示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62

圖 4-5 散熱外殼示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62

圖 4-6 實驗模組helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 63

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

63

圖 4-8 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp

Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp

Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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 amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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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 amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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IX

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Ta amp Vf 關

係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-18 Exp Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

71

X

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

72

圖 4-28 Exp10FR4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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

72

圖 4-29 Exp11FR4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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

73

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

73

圖 4-31 Tj量測推算值總表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 74

XI

符 號 說 明

Tj LED junction temperature (degC)

η 光電轉換係數 optical powerinput power()

K 熱導率 (heat conductivitythermal conductivity)

Ta 為環境溫度 Ambient temperature (degC)

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

tset Setting of delay time (延遲時間設定) (s)

- 1 -

第一章 緒論

11 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

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 23~12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

- 2 -

12 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

- 3 -

13 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

14 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

照明的特性以及針對影響 LED發光效能以及老化速率的關鍵因素等研究文

- 4 -

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

- 5 -

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

樣品照片

Power(Watt) 352 525 180 7

Luminous Flux

(lumens) 345 659 986 455

光效(lmw) 98 126 548 65

- 6 -

表 1-2 LED照明優點歸納表[23]

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 10000 ~

15000白熾燈為 1000 ~

2000

壽命可達 100000

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ldquo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

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

httpwwwledinsidecomtw10_reason_for_led_light_source_20080

1

- 7 -

第二章基礎理論

21 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(Conduction Band)而能量較低的能帶稱為

價電帶(Valence Band)以上兩者能帶間的距離不存在

任何電子與電洞稱為能隙(Energy Gap)[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

- 8 -

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 powerinput 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

22 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)

22-1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]

- 9 -

(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(Fourierrsquos 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 dn

dT (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 ( 2m )

dndT 單位長度之溫度變化量(溫度梯度)

K 熱傳導係數(thermal conductivity) Cm

W

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

- 10 -

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(dQdt) 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 = (dQdt) (LA)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

22-2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

(Newtonrsquos 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 = hA(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

- 11 -

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

22-3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

- 12 -

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

22-4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 jminuss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 jminusa 可分為三部分 R j-a = R j-s + R s-b + R b-a 因此如

何降低總熱阻 R jminusa 將能增加其散熱功能

- 13 -

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

23 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

- 14 -

231 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

- 15 -

232 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 BoardPCB)

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 036Wm)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 PCBMCPCB)

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 Wm ~ 3 Wm

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

- 16 -

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

233 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

234 驅動器

LED屬於低壓直流元件其正向導通電壓的一般約為 30V~34V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

- 17 -

(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

235 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

- 18 -

表 2-1 材料熱傳導係數 k值(單位 WmmiddotK) [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 58 804

環氧樹脂 --- 6

FR4-PCB板 --- 2

玻璃 076 138

電木 0233 ---

橡膠 013~023

空氣 --- 0024~0026

資料來源 httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

- 19 -

表 2-2 LED產業照明專業術語[25]

專業術語 說明

光通量

(Luminous fluxΦ)

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 intensityI)

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

( KelvinK)

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

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

- 20 -

表 2-3 LED燈泡主要規格項目

效能 廠牌 7W 燈泡

重量 (Weight) 105g plusmn 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 lmW暖光 55 lmW

光源壽命 (Rated Life(Ta=25)) 40000 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

資料來源自製

- 21 -

圖 2-1 LED在不同工作溫度使用壽命趨勢圖[26]

資料來源httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

圖 2-2 LED封裝結構介紹[27]

資料來源httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

- 22 -

圖 2-3 Power -LED- Assembly[28]

資料來源

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-

Power-LED-Assemblyhtml

圖 2-4 金屬芯基板結構圖

圖 2-5 導熱材料[29]

資料來源

httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

- 23 -

圖 2-6 AC-DC恒流驅動器[30]

資料來源httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

圖 2-7散熱風扇[31]

資料來源httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

圖 2-8 熱管[32]

資料來源httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 24 -

圖 2-9LED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

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

- 25 -

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

31 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

311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

312一次一因子實驗法 (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

313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

以致形成太多實驗組合此方法的缺點為需要耗費大量的時間與金錢

- 26 -

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

314田口式直交表實驗法 (Taguchirsquos 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(23

)直交表的定義在於3個因子(ABC)各具2水準(1

2)實驗次數為83行中各水準出現的頻率是相同的(各水準出現的次數一

樣12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(ldquobalanced) 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(23

)L8(27

)L12(211

)L16(215

)L32(231

)

(2)三水準的直交表L9(34

)L18(21

times37

)L27(313

)L36(211

times312

) L36(23

times

313

) L54(21

times325

)

(3)四水準的直交表L16(45

)L32(21

times49

)(4)五水準的直交表L25(56

)

L50(21

times511

)

- 27 -

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

times31

)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

- 28 -

32 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 01mAElectrical 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 voltageVj)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

- 29 -

溫度 Ta的關係式3-1式表示〔4〕2-2式

-Kj=(dVjd 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 ndash 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 (25406080 )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 ndash Tj 之關係 (Kj)

如圖 3-5所示

當 LED持續在操作電流 IH(20mA)下啟動待穩定之後 (如30 min)

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

- 30 -

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

到該系統下 LED的 junction temperature圖 3-7推算實際 Tj

- 31 -

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

資料來源〔22〕

- 32 -

如表 3-3L4(23

)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 3-4LED 於各溫度下之 VFIM

Oven temperature () VF (V) 100uA

25 248x

40 246x

60 243x

80 239x

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 7: 國 立 交 通 大 學 · 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

V

表 目 錄

第一章 緒論

表 1-1 LED燈泡與傳統燈泡效率比較表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 5

表 1-2 LED照明優點歸納表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 6

第二章 基礎理論

表 2-1 材料熱傳導係數 k值(單位 WmmiddotK)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 18

表 2-2 LED產業照明專業術語helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19

表 2-3 LED燈泡主要規格項helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20

第三章 實驗方法介紹

表 3-1 「一次一因子」實驗計畫表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 31

表 3-2 「全因子直交表」實驗計畫表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 31

表 3-3 L4(23

)直交表表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 31

表 3-4 LED 於各溫度下之 VFIMhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 46

表 4-2 導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 46

表 4-3 因子符號與水準說明helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47

表 4-4 一次一因子實驗計畫表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 47

表 4-5 各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係

表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

49

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt

關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

50

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關

係helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

51

VI

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt

關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

52

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

53

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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 ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

55

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

56

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt

關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

57

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

58

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

59

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt

關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

60

VII

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 21

圖 2-2 LED封裝結構介紹helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 21

圖 2-2 Power -LED- Assemblyhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22

圖 2-4 金屬芯基板結構圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22

圖 2-5 導熱材料helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22

圖 2-6 AC-DC恒流驅動器helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23

圖 2-7 散熱風扇helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23

圖 2-8 熱管helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23

圖 2-9 LED燈泡以瓦數 散熱 製程分類helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 24

圖 2-10 LED燈泡得獎產品-iF2011helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 24

第三章 實驗方法介紹

圖 3-1 Thermal Management of LEDhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33

圖 3-2 恆溫溫控烤箱 (熱風循環) helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33

圖 3-3 Keithley (2400 series) helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34

圖 3-4 溫度擷取器 Center 309helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34

圖 3-5 LED 溫度與 VF 100 μA 之關係helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34

圖 3-6 LED 操作電流與時間關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35

圖 3-7 推算實際 Tjhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35

第四章 熱傳導路徑的實驗

圖 4-1 LED型式(5630)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61

VIII

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61

圖 4-3 導熱貼片示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62

圖 4-4 導熱膠示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62

圖 4-5 散熱外殼示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62

圖 4-6 實驗模組helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 63

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

63

圖 4-8 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

63

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

64

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

64

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp

Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp

Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外

殼 Ta amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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 amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

65

IX

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Ta amp Vf 關

係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

66

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

67

圖 4-18 Exp Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

71

X

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

72

圖 4-28 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

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72

圖 4-29 Exp11FR4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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

73

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

73

圖 4-31 Tj量測推算值總表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 74

XI

符 號 說 明

Tj LED junction temperature (degC)

η 光電轉換係數 optical powerinput power()

K 熱導率 (heat conductivitythermal conductivity)

Ta 為環境溫度 Ambient temperature (degC)

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

tset Setting of delay time (延遲時間設定) (s)

- 1 -

第一章 緒論

11 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

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 23~12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

- 2 -

12 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

- 3 -

13 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

14 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

照明的特性以及針對影響 LED發光效能以及老化速率的關鍵因素等研究文

- 4 -

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

- 5 -

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

樣品照片

Power(Watt) 352 525 180 7

Luminous Flux

(lumens) 345 659 986 455

光效(lmw) 98 126 548 65

- 6 -

表 1-2 LED照明優點歸納表[23]

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 10000 ~

15000白熾燈為 1000 ~

2000

壽命可達 100000

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ldquo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

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

httpwwwledinsidecomtw10_reason_for_led_light_source_20080

1

- 7 -

第二章基礎理論

21 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(Conduction Band)而能量較低的能帶稱為

價電帶(Valence Band)以上兩者能帶間的距離不存在

任何電子與電洞稱為能隙(Energy Gap)[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

- 8 -

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 powerinput 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

22 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)

22-1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]

- 9 -

(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(Fourierrsquos 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 dn

dT (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 ( 2m )

dndT 單位長度之溫度變化量(溫度梯度)

K 熱傳導係數(thermal conductivity) Cm

W

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

- 10 -

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(dQdt) 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 = (dQdt) (LA)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

22-2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

(Newtonrsquos 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 = hA(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

- 11 -

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

22-3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

- 12 -

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

22-4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 jminuss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 jminusa 可分為三部分 R j-a = R j-s + R s-b + R b-a 因此如

何降低總熱阻 R jminusa 將能增加其散熱功能

- 13 -

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

23 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

- 14 -

231 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

- 15 -

232 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 BoardPCB)

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 036Wm)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 PCBMCPCB)

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 Wm ~ 3 Wm

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

- 16 -

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

233 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

234 驅動器

LED屬於低壓直流元件其正向導通電壓的一般約為 30V~34V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

- 17 -

(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

235 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

- 18 -

表 2-1 材料熱傳導係數 k值(單位 WmmiddotK) [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 58 804

環氧樹脂 --- 6

FR4-PCB板 --- 2

玻璃 076 138

電木 0233 ---

橡膠 013~023

空氣 --- 0024~0026

資料來源 httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

- 19 -

表 2-2 LED產業照明專業術語[25]

專業術語 說明

光通量

(Luminous fluxΦ)

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 intensityI)

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

( KelvinK)

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

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

- 20 -

表 2-3 LED燈泡主要規格項目

效能 廠牌 7W 燈泡

重量 (Weight) 105g plusmn 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 lmW暖光 55 lmW

光源壽命 (Rated Life(Ta=25)) 40000 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

資料來源自製

- 21 -

圖 2-1 LED在不同工作溫度使用壽命趨勢圖[26]

資料來源httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

圖 2-2 LED封裝結構介紹[27]

資料來源httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

- 22 -

圖 2-3 Power -LED- Assembly[28]

資料來源

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-

Power-LED-Assemblyhtml

圖 2-4 金屬芯基板結構圖

圖 2-5 導熱材料[29]

資料來源

httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

- 23 -

圖 2-6 AC-DC恒流驅動器[30]

資料來源httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

圖 2-7散熱風扇[31]

資料來源httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

圖 2-8 熱管[32]

資料來源httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 24 -

圖 2-9LED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

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

- 25 -

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

31 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

311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

312一次一因子實驗法 (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

313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

以致形成太多實驗組合此方法的缺點為需要耗費大量的時間與金錢

- 26 -

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

314田口式直交表實驗法 (Taguchirsquos 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(23

)直交表的定義在於3個因子(ABC)各具2水準(1

2)實驗次數為83行中各水準出現的頻率是相同的(各水準出現的次數一

樣12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(ldquobalanced) 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(23

)L8(27

)L12(211

)L16(215

)L32(231

)

(2)三水準的直交表L9(34

)L18(21

times37

)L27(313

)L36(211

times312

) L36(23

times

313

) L54(21

times325

)

(3)四水準的直交表L16(45

)L32(21

times49

)(4)五水準的直交表L25(56

)

L50(21

times511

)

- 27 -

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

times31

)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

- 28 -

32 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 01mAElectrical 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 voltageVj)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

- 29 -

溫度 Ta的關係式3-1式表示〔4〕2-2式

-Kj=(dVjd 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 ndash 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 (25406080 )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 ndash Tj 之關係 (Kj)

如圖 3-5所示

當 LED持續在操作電流 IH(20mA)下啟動待穩定之後 (如30 min)

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

- 30 -

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

到該系統下 LED的 junction temperature圖 3-7推算實際 Tj

- 31 -

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

資料來源〔22〕

- 32 -

如表 3-3L4(23

)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 3-4LED 於各溫度下之 VFIM

Oven temperature () VF (V) 100uA

25 248x

40 246x

60 243x

80 239x

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 8: 國 立 交 通 大 學 · 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

VI

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt

關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

52

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

53

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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 ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

55

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

56

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt

關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

57

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

58

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

59

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt

關係表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

60

VII

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 21

圖 2-2 LED封裝結構介紹helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 21

圖 2-2 Power -LED- Assemblyhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22

圖 2-4 金屬芯基板結構圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22

圖 2-5 導熱材料helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22

圖 2-6 AC-DC恒流驅動器helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23

圖 2-7 散熱風扇helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23

圖 2-8 熱管helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23

圖 2-9 LED燈泡以瓦數 散熱 製程分類helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 24

圖 2-10 LED燈泡得獎產品-iF2011helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 24

第三章 實驗方法介紹

圖 3-1 Thermal Management of LEDhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33

圖 3-2 恆溫溫控烤箱 (熱風循環) helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33

圖 3-3 Keithley (2400 series) helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34

圖 3-4 溫度擷取器 Center 309helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34

圖 3-5 LED 溫度與 VF 100 μA 之關係helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34

圖 3-6 LED 操作電流與時間關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35

圖 3-7 推算實際 Tjhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35

第四章 熱傳導路徑的實驗

圖 4-1 LED型式(5630)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61

VIII

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61

圖 4-3 導熱貼片示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62

圖 4-4 導熱膠示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62

圖 4-5 散熱外殼示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62

圖 4-6 實驗模組helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 63

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

63

圖 4-8 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

63

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

64

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

64

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp

Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

64

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp

Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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 amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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 amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

65

IX

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Ta amp Vf 關

係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

66

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

66

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

67

圖 4-18 Exp Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

71

X

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

72

圖 4-28 Exp10FR4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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

72

圖 4-29 Exp11FR4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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

73

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

73

圖 4-31 Tj量測推算值總表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 74

XI

符 號 說 明

Tj LED junction temperature (degC)

η 光電轉換係數 optical powerinput power()

K 熱導率 (heat conductivitythermal conductivity)

Ta 為環境溫度 Ambient temperature (degC)

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

tset Setting of delay time (延遲時間設定) (s)

- 1 -

第一章 緒論

11 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

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 23~12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

- 2 -

12 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

- 3 -

13 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

14 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

照明的特性以及針對影響 LED發光效能以及老化速率的關鍵因素等研究文

- 4 -

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

- 5 -

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

樣品照片

Power(Watt) 352 525 180 7

Luminous Flux

(lumens) 345 659 986 455

光效(lmw) 98 126 548 65

- 6 -

表 1-2 LED照明優點歸納表[23]

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 10000 ~

15000白熾燈為 1000 ~

2000

壽命可達 100000

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ldquo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

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

httpwwwledinsidecomtw10_reason_for_led_light_source_20080

1

- 7 -

第二章基礎理論

21 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(Conduction Band)而能量較低的能帶稱為

價電帶(Valence Band)以上兩者能帶間的距離不存在

任何電子與電洞稱為能隙(Energy Gap)[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

- 8 -

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 powerinput 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

22 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)

22-1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]

- 9 -

(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(Fourierrsquos 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 dn

dT (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 ( 2m )

dndT 單位長度之溫度變化量(溫度梯度)

K 熱傳導係數(thermal conductivity) Cm

W

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

- 10 -

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(dQdt) 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 = (dQdt) (LA)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

22-2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

(Newtonrsquos 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 = hA(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

- 11 -

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

22-3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

- 12 -

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

22-4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 jminuss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 jminusa 可分為三部分 R j-a = R j-s + R s-b + R b-a 因此如

何降低總熱阻 R jminusa 將能增加其散熱功能

- 13 -

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

23 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

- 14 -

231 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

- 15 -

232 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 BoardPCB)

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 036Wm)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 PCBMCPCB)

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 Wm ~ 3 Wm

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

- 16 -

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

233 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

234 驅動器

LED屬於低壓直流元件其正向導通電壓的一般約為 30V~34V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

- 17 -

(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

235 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

- 18 -

表 2-1 材料熱傳導係數 k值(單位 WmmiddotK) [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 58 804

環氧樹脂 --- 6

FR4-PCB板 --- 2

玻璃 076 138

電木 0233 ---

橡膠 013~023

空氣 --- 0024~0026

資料來源 httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

- 19 -

表 2-2 LED產業照明專業術語[25]

專業術語 說明

光通量

(Luminous fluxΦ)

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 intensityI)

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

( KelvinK)

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

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

- 20 -

表 2-3 LED燈泡主要規格項目

效能 廠牌 7W 燈泡

重量 (Weight) 105g plusmn 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 lmW暖光 55 lmW

光源壽命 (Rated Life(Ta=25)) 40000 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

資料來源自製

- 21 -

圖 2-1 LED在不同工作溫度使用壽命趨勢圖[26]

資料來源httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

圖 2-2 LED封裝結構介紹[27]

資料來源httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

- 22 -

圖 2-3 Power -LED- Assembly[28]

資料來源

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-

Power-LED-Assemblyhtml

圖 2-4 金屬芯基板結構圖

圖 2-5 導熱材料[29]

資料來源

httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

- 23 -

圖 2-6 AC-DC恒流驅動器[30]

資料來源httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

圖 2-7散熱風扇[31]

資料來源httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

圖 2-8 熱管[32]

資料來源httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 24 -

圖 2-9LED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

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

- 25 -

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

31 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

311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

312一次一因子實驗法 (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

313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

以致形成太多實驗組合此方法的缺點為需要耗費大量的時間與金錢

- 26 -

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

314田口式直交表實驗法 (Taguchirsquos 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(23

)直交表的定義在於3個因子(ABC)各具2水準(1

2)實驗次數為83行中各水準出現的頻率是相同的(各水準出現的次數一

樣12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(ldquobalanced) 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(23

)L8(27

)L12(211

)L16(215

)L32(231

)

(2)三水準的直交表L9(34

)L18(21

times37

)L27(313

)L36(211

times312

) L36(23

times

313

) L54(21

times325

)

(3)四水準的直交表L16(45

)L32(21

times49

)(4)五水準的直交表L25(56

)

L50(21

times511

)

- 27 -

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

times31

)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

- 28 -

32 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 01mAElectrical 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 voltageVj)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

- 29 -

溫度 Ta的關係式3-1式表示〔4〕2-2式

-Kj=(dVjd 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 ndash 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 (25406080 )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 ndash Tj 之關係 (Kj)

如圖 3-5所示

當 LED持續在操作電流 IH(20mA)下啟動待穩定之後 (如30 min)

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

- 30 -

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

到該系統下 LED的 junction temperature圖 3-7推算實際 Tj

- 31 -

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

資料來源〔22〕

- 32 -

如表 3-3L4(23

)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 3-4LED 於各溫度下之 VFIM

Oven temperature () VF (V) 100uA

25 248x

40 246x

60 243x

80 239x

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

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圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

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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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

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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

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

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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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 9: 國 立 交 通 大 學 · 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

VII

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 21

圖 2-2 LED封裝結構介紹helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 21

圖 2-2 Power -LED- Assemblyhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22

圖 2-4 金屬芯基板結構圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22

圖 2-5 導熱材料helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22

圖 2-6 AC-DC恒流驅動器helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23

圖 2-7 散熱風扇helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23

圖 2-8 熱管helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23

圖 2-9 LED燈泡以瓦數 散熱 製程分類helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 24

圖 2-10 LED燈泡得獎產品-iF2011helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 24

第三章 實驗方法介紹

圖 3-1 Thermal Management of LEDhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33

圖 3-2 恆溫溫控烤箱 (熱風循環) helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33

圖 3-3 Keithley (2400 series) helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34

圖 3-4 溫度擷取器 Center 309helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34

圖 3-5 LED 溫度與 VF 100 μA 之關係helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34

圖 3-6 LED 操作電流與時間關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35

圖 3-7 推算實際 Tjhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35

第四章 熱傳導路徑的實驗

圖 4-1 LED型式(5630)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61

VIII

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61

圖 4-3 導熱貼片示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62

圖 4-4 導熱膠示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62

圖 4-5 散熱外殼示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62

圖 4-6 實驗模組helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 63

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

63

圖 4-8 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

63

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp

Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp

Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外

殼 Ta amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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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 amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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IX

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Ta amp Vf 關

係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

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圖 4-18 Exp Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-23 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

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圖 4-24 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

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圖 4-25 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

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圖 4-26 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

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X

圖 4-27 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

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圖 4-28 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

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圖 4-29 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

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圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

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圖 4-31 Tj量測推算值總表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 74

XI

符 號 說 明

Tj LED junction temperature (degC)

η 光電轉換係數 optical powerinput power()

K 熱導率 (heat conductivitythermal conductivity)

Ta 為環境溫度 Ambient temperature (degC)

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

tset Setting of delay time (延遲時間設定) (s)

- 1 -

第一章 緒論

11 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

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 23~12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

- 2 -

12 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

- 3 -

13 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

14 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

照明的特性以及針對影響 LED發光效能以及老化速率的關鍵因素等研究文

- 4 -

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

- 5 -

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

樣品照片

Power(Watt) 352 525 180 7

Luminous Flux

(lumens) 345 659 986 455

光效(lmw) 98 126 548 65

- 6 -

表 1-2 LED照明優點歸納表[23]

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 10000 ~

15000白熾燈為 1000 ~

2000

壽命可達 100000

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ldquo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

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

httpwwwledinsidecomtw10_reason_for_led_light_source_20080

1

- 7 -

第二章基礎理論

21 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(Conduction Band)而能量較低的能帶稱為

價電帶(Valence Band)以上兩者能帶間的距離不存在

任何電子與電洞稱為能隙(Energy Gap)[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

- 8 -

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 powerinput 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

22 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)

22-1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]

- 9 -

(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(Fourierrsquos 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 dn

dT (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 ( 2m )

dndT 單位長度之溫度變化量(溫度梯度)

K 熱傳導係數(thermal conductivity) Cm

W

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

- 10 -

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(dQdt) 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 = (dQdt) (LA)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

22-2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

(Newtonrsquos 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 = hA(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

- 11 -

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

22-3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

- 12 -

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

22-4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 jminuss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 jminusa 可分為三部分 R j-a = R j-s + R s-b + R b-a 因此如

何降低總熱阻 R jminusa 將能增加其散熱功能

- 13 -

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

23 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

- 14 -

231 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

- 15 -

232 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 BoardPCB)

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 036Wm)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 PCBMCPCB)

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 Wm ~ 3 Wm

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

- 16 -

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

233 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

234 驅動器

LED屬於低壓直流元件其正向導通電壓的一般約為 30V~34V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

- 17 -

(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

235 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

- 18 -

表 2-1 材料熱傳導係數 k值(單位 WmmiddotK) [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 58 804

環氧樹脂 --- 6

FR4-PCB板 --- 2

玻璃 076 138

電木 0233 ---

橡膠 013~023

空氣 --- 0024~0026

資料來源 httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

- 19 -

表 2-2 LED產業照明專業術語[25]

專業術語 說明

光通量

(Luminous fluxΦ)

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 intensityI)

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

( KelvinK)

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

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

- 20 -

表 2-3 LED燈泡主要規格項目

效能 廠牌 7W 燈泡

重量 (Weight) 105g plusmn 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 lmW暖光 55 lmW

光源壽命 (Rated Life(Ta=25)) 40000 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

資料來源自製

- 21 -

圖 2-1 LED在不同工作溫度使用壽命趨勢圖[26]

資料來源httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

圖 2-2 LED封裝結構介紹[27]

資料來源httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

- 22 -

圖 2-3 Power -LED- Assembly[28]

資料來源

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-

Power-LED-Assemblyhtml

圖 2-4 金屬芯基板結構圖

圖 2-5 導熱材料[29]

資料來源

httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

- 23 -

圖 2-6 AC-DC恒流驅動器[30]

資料來源httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

圖 2-7散熱風扇[31]

資料來源httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

圖 2-8 熱管[32]

資料來源httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 24 -

圖 2-9LED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

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

- 25 -

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

31 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

311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

312一次一因子實驗法 (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

313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

以致形成太多實驗組合此方法的缺點為需要耗費大量的時間與金錢

- 26 -

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

314田口式直交表實驗法 (Taguchirsquos 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(23

)直交表的定義在於3個因子(ABC)各具2水準(1

2)實驗次數為83行中各水準出現的頻率是相同的(各水準出現的次數一

樣12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(ldquobalanced) 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(23

)L8(27

)L12(211

)L16(215

)L32(231

)

(2)三水準的直交表L9(34

)L18(21

times37

)L27(313

)L36(211

times312

) L36(23

times

313

) L54(21

times325

)

(3)四水準的直交表L16(45

)L32(21

times49

)(4)五水準的直交表L25(56

)

L50(21

times511

)

- 27 -

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

times31

)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

- 28 -

32 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 01mAElectrical 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 voltageVj)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

- 29 -

溫度 Ta的關係式3-1式表示〔4〕2-2式

-Kj=(dVjd 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 ndash 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 (25406080 )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 ndash Tj 之關係 (Kj)

如圖 3-5所示

當 LED持續在操作電流 IH(20mA)下啟動待穩定之後 (如30 min)

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

- 30 -

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

到該系統下 LED的 junction temperature圖 3-7推算實際 Tj

- 31 -

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

資料來源〔22〕

- 32 -

如表 3-3L4(23

)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 3-4LED 於各溫度下之 VFIM

Oven temperature () VF (V) 100uA

25 248x

40 246x

60 243x

80 239x

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

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圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

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圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

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圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

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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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 10: 國 立 交 通 大 學 · 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

VIII

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 61

圖 4-3 導熱貼片示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62

圖 4-4 導熱膠示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62

圖 4-5 散熱外殼示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 62

圖 4-6 實驗模組helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 63

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-8 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp

Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp

Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外

殼 Ta amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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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 amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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IX

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Ta amp Vf 關

係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-18 Exp Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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X

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-28 Exp10FR4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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-29 Exp11FR4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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-31 Tj量測推算值總表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 74

XI

符 號 說 明

Tj LED junction temperature (degC)

η 光電轉換係數 optical powerinput power()

K 熱導率 (heat conductivitythermal conductivity)

Ta 為環境溫度 Ambient temperature (degC)

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

tset Setting of delay time (延遲時間設定) (s)

- 1 -

第一章 緒論

11 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

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 23~12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

- 2 -

12 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

- 3 -

13 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

14 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

照明的特性以及針對影響 LED發光效能以及老化速率的關鍵因素等研究文

- 4 -

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

- 5 -

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

樣品照片

Power(Watt) 352 525 180 7

Luminous Flux

(lumens) 345 659 986 455

光效(lmw) 98 126 548 65

- 6 -

表 1-2 LED照明優點歸納表[23]

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 10000 ~

15000白熾燈為 1000 ~

2000

壽命可達 100000

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ldquo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

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

httpwwwledinsidecomtw10_reason_for_led_light_source_20080

1

- 7 -

第二章基礎理論

21 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(Conduction Band)而能量較低的能帶稱為

價電帶(Valence Band)以上兩者能帶間的距離不存在

任何電子與電洞稱為能隙(Energy Gap)[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

- 8 -

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 powerinput 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

22 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)

22-1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]

- 9 -

(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(Fourierrsquos 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 dn

dT (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 ( 2m )

dndT 單位長度之溫度變化量(溫度梯度)

K 熱傳導係數(thermal conductivity) Cm

W

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

- 10 -

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(dQdt) 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 = (dQdt) (LA)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

22-2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

(Newtonrsquos 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 = hA(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

- 11 -

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

22-3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

- 12 -

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

22-4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 jminuss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 jminusa 可分為三部分 R j-a = R j-s + R s-b + R b-a 因此如

何降低總熱阻 R jminusa 將能增加其散熱功能

- 13 -

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

23 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

- 14 -

231 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

- 15 -

232 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 BoardPCB)

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 036Wm)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 PCBMCPCB)

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 Wm ~ 3 Wm

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

- 16 -

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

233 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

234 驅動器

LED屬於低壓直流元件其正向導通電壓的一般約為 30V~34V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

- 17 -

(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

235 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

- 18 -

表 2-1 材料熱傳導係數 k值(單位 WmmiddotK) [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 58 804

環氧樹脂 --- 6

FR4-PCB板 --- 2

玻璃 076 138

電木 0233 ---

橡膠 013~023

空氣 --- 0024~0026

資料來源 httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

- 19 -

表 2-2 LED產業照明專業術語[25]

專業術語 說明

光通量

(Luminous fluxΦ)

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 intensityI)

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

( KelvinK)

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

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

- 20 -

表 2-3 LED燈泡主要規格項目

效能 廠牌 7W 燈泡

重量 (Weight) 105g plusmn 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 lmW暖光 55 lmW

光源壽命 (Rated Life(Ta=25)) 40000 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

資料來源自製

- 21 -

圖 2-1 LED在不同工作溫度使用壽命趨勢圖[26]

資料來源httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

圖 2-2 LED封裝結構介紹[27]

資料來源httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

- 22 -

圖 2-3 Power -LED- Assembly[28]

資料來源

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-

Power-LED-Assemblyhtml

圖 2-4 金屬芯基板結構圖

圖 2-5 導熱材料[29]

資料來源

httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

- 23 -

圖 2-6 AC-DC恒流驅動器[30]

資料來源httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

圖 2-7散熱風扇[31]

資料來源httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

圖 2-8 熱管[32]

資料來源httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 24 -

圖 2-9LED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

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

- 25 -

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

31 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

311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

312一次一因子實驗法 (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

313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

以致形成太多實驗組合此方法的缺點為需要耗費大量的時間與金錢

- 26 -

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

314田口式直交表實驗法 (Taguchirsquos 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(23

)直交表的定義在於3個因子(ABC)各具2水準(1

2)實驗次數為83行中各水準出現的頻率是相同的(各水準出現的次數一

樣12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(ldquobalanced) 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(23

)L8(27

)L12(211

)L16(215

)L32(231

)

(2)三水準的直交表L9(34

)L18(21

times37

)L27(313

)L36(211

times312

) L36(23

times

313

) L54(21

times325

)

(3)四水準的直交表L16(45

)L32(21

times49

)(4)五水準的直交表L25(56

)

L50(21

times511

)

- 27 -

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

times31

)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

- 28 -

32 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 01mAElectrical 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 voltageVj)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

- 29 -

溫度 Ta的關係式3-1式表示〔4〕2-2式

-Kj=(dVjd 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 ndash 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 (25406080 )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 ndash Tj 之關係 (Kj)

如圖 3-5所示

當 LED持續在操作電流 IH(20mA)下啟動待穩定之後 (如30 min)

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

- 30 -

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

到該系統下 LED的 junction temperature圖 3-7推算實際 Tj

- 31 -

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

資料來源〔22〕

- 32 -

如表 3-3L4(23

)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 3-4LED 於各溫度下之 VFIM

Oven temperature () VF (V) 100uA

25 248x

40 246x

60 243x

80 239x

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 11: 國 立 交 通 大 學 · 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

IX

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Ta amp Vf 關

係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

66

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-18 Exp Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

71

X

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-28 Exp10FR4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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-29 Exp11FR4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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

73

圖 4-31 Tj量測推算值總表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 74

XI

符 號 說 明

Tj LED junction temperature (degC)

η 光電轉換係數 optical powerinput power()

K 熱導率 (heat conductivitythermal conductivity)

Ta 為環境溫度 Ambient temperature (degC)

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

tset Setting of delay time (延遲時間設定) (s)

- 1 -

第一章 緒論

11 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

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 23~12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

- 2 -

12 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

- 3 -

13 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

14 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

照明的特性以及針對影響 LED發光效能以及老化速率的關鍵因素等研究文

- 4 -

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

- 5 -

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

樣品照片

Power(Watt) 352 525 180 7

Luminous Flux

(lumens) 345 659 986 455

光效(lmw) 98 126 548 65

- 6 -

表 1-2 LED照明優點歸納表[23]

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 10000 ~

15000白熾燈為 1000 ~

2000

壽命可達 100000

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ldquo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

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

httpwwwledinsidecomtw10_reason_for_led_light_source_20080

1

- 7 -

第二章基礎理論

21 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(Conduction Band)而能量較低的能帶稱為

價電帶(Valence Band)以上兩者能帶間的距離不存在

任何電子與電洞稱為能隙(Energy Gap)[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

- 8 -

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 powerinput 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

22 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)

22-1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]

- 9 -

(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(Fourierrsquos 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 dn

dT (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 ( 2m )

dndT 單位長度之溫度變化量(溫度梯度)

K 熱傳導係數(thermal conductivity) Cm

W

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

- 10 -

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(dQdt) 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 = (dQdt) (LA)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

22-2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

(Newtonrsquos 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 = hA(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

- 11 -

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

22-3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

- 12 -

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

22-4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 jminuss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 jminusa 可分為三部分 R j-a = R j-s + R s-b + R b-a 因此如

何降低總熱阻 R jminusa 將能增加其散熱功能

- 13 -

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

23 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

- 14 -

231 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

- 15 -

232 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 BoardPCB)

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 036Wm)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 PCBMCPCB)

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 Wm ~ 3 Wm

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

- 16 -

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

233 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

234 驅動器

LED屬於低壓直流元件其正向導通電壓的一般約為 30V~34V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

- 17 -

(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

235 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

- 18 -

表 2-1 材料熱傳導係數 k值(單位 WmmiddotK) [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 58 804

環氧樹脂 --- 6

FR4-PCB板 --- 2

玻璃 076 138

電木 0233 ---

橡膠 013~023

空氣 --- 0024~0026

資料來源 httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

- 19 -

表 2-2 LED產業照明專業術語[25]

專業術語 說明

光通量

(Luminous fluxΦ)

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 intensityI)

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

( KelvinK)

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

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

- 20 -

表 2-3 LED燈泡主要規格項目

效能 廠牌 7W 燈泡

重量 (Weight) 105g plusmn 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 lmW暖光 55 lmW

光源壽命 (Rated Life(Ta=25)) 40000 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

資料來源自製

- 21 -

圖 2-1 LED在不同工作溫度使用壽命趨勢圖[26]

資料來源httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

圖 2-2 LED封裝結構介紹[27]

資料來源httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

- 22 -

圖 2-3 Power -LED- Assembly[28]

資料來源

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-

Power-LED-Assemblyhtml

圖 2-4 金屬芯基板結構圖

圖 2-5 導熱材料[29]

資料來源

httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

- 23 -

圖 2-6 AC-DC恒流驅動器[30]

資料來源httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

圖 2-7散熱風扇[31]

資料來源httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

圖 2-8 熱管[32]

資料來源httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 24 -

圖 2-9LED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

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

- 25 -

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

31 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

311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

312一次一因子實驗法 (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

313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

以致形成太多實驗組合此方法的缺點為需要耗費大量的時間與金錢

- 26 -

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

314田口式直交表實驗法 (Taguchirsquos 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(23

)直交表的定義在於3個因子(ABC)各具2水準(1

2)實驗次數為83行中各水準出現的頻率是相同的(各水準出現的次數一

樣12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(ldquobalanced) 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(23

)L8(27

)L12(211

)L16(215

)L32(231

)

(2)三水準的直交表L9(34

)L18(21

times37

)L27(313

)L36(211

times312

) L36(23

times

313

) L54(21

times325

)

(3)四水準的直交表L16(45

)L32(21

times49

)(4)五水準的直交表L25(56

)

L50(21

times511

)

- 27 -

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

times31

)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

- 28 -

32 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 01mAElectrical 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 voltageVj)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

- 29 -

溫度 Ta的關係式3-1式表示〔4〕2-2式

-Kj=(dVjd 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 ndash 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 (25406080 )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 ndash Tj 之關係 (Kj)

如圖 3-5所示

當 LED持續在操作電流 IH(20mA)下啟動待穩定之後 (如30 min)

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

- 30 -

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

到該系統下 LED的 junction temperature圖 3-7推算實際 Tj

- 31 -

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

資料來源〔22〕

- 32 -

如表 3-3L4(23

)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 3-4LED 於各溫度下之 VFIM

Oven temperature () VF (V) 100uA

25 248x

40 246x

60 243x

80 239x

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 12: 國 立 交 通 大 學 · 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

X

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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

72

圖 4-28 Exp10FR4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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

72

圖 4-29 Exp11FR4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helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

73

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

73

圖 4-31 Tj量測推算值總表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 74

XI

符 號 說 明

Tj LED junction temperature (degC)

η 光電轉換係數 optical powerinput power()

K 熱導率 (heat conductivitythermal conductivity)

Ta 為環境溫度 Ambient temperature (degC)

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

tset Setting of delay time (延遲時間設定) (s)

- 1 -

第一章 緒論

11 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

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 23~12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

- 2 -

12 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

- 3 -

13 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

14 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

照明的特性以及針對影響 LED發光效能以及老化速率的關鍵因素等研究文

- 4 -

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

- 5 -

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

樣品照片

Power(Watt) 352 525 180 7

Luminous Flux

(lumens) 345 659 986 455

光效(lmw) 98 126 548 65

- 6 -

表 1-2 LED照明優點歸納表[23]

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 10000 ~

15000白熾燈為 1000 ~

2000

壽命可達 100000

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ldquo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

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

httpwwwledinsidecomtw10_reason_for_led_light_source_20080

1

- 7 -

第二章基礎理論

21 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(Conduction Band)而能量較低的能帶稱為

價電帶(Valence Band)以上兩者能帶間的距離不存在

任何電子與電洞稱為能隙(Energy Gap)[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

- 8 -

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 powerinput 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

22 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)

22-1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]

- 9 -

(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(Fourierrsquos 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 dn

dT (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 ( 2m )

dndT 單位長度之溫度變化量(溫度梯度)

K 熱傳導係數(thermal conductivity) Cm

W

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

- 10 -

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(dQdt) 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 = (dQdt) (LA)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

22-2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

(Newtonrsquos 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 = hA(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

- 11 -

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

22-3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

- 12 -

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

22-4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 jminuss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 jminusa 可分為三部分 R j-a = R j-s + R s-b + R b-a 因此如

何降低總熱阻 R jminusa 將能增加其散熱功能

- 13 -

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

23 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

- 14 -

231 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

- 15 -

232 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 BoardPCB)

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 036Wm)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 PCBMCPCB)

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 Wm ~ 3 Wm

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

- 16 -

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

233 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

234 驅動器

LED屬於低壓直流元件其正向導通電壓的一般約為 30V~34V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

- 17 -

(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

235 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

- 18 -

表 2-1 材料熱傳導係數 k值(單位 WmmiddotK) [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 58 804

環氧樹脂 --- 6

FR4-PCB板 --- 2

玻璃 076 138

電木 0233 ---

橡膠 013~023

空氣 --- 0024~0026

資料來源 httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

- 19 -

表 2-2 LED產業照明專業術語[25]

專業術語 說明

光通量

(Luminous fluxΦ)

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 intensityI)

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

( KelvinK)

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

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

- 20 -

表 2-3 LED燈泡主要規格項目

效能 廠牌 7W 燈泡

重量 (Weight) 105g plusmn 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 lmW暖光 55 lmW

光源壽命 (Rated Life(Ta=25)) 40000 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

資料來源自製

- 21 -

圖 2-1 LED在不同工作溫度使用壽命趨勢圖[26]

資料來源httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

圖 2-2 LED封裝結構介紹[27]

資料來源httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

- 22 -

圖 2-3 Power -LED- Assembly[28]

資料來源

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-

Power-LED-Assemblyhtml

圖 2-4 金屬芯基板結構圖

圖 2-5 導熱材料[29]

資料來源

httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

- 23 -

圖 2-6 AC-DC恒流驅動器[30]

資料來源httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

圖 2-7散熱風扇[31]

資料來源httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

圖 2-8 熱管[32]

資料來源httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 24 -

圖 2-9LED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

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

- 25 -

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

31 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

311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

312一次一因子實驗法 (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

313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

以致形成太多實驗組合此方法的缺點為需要耗費大量的時間與金錢

- 26 -

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

314田口式直交表實驗法 (Taguchirsquos 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(23

)直交表的定義在於3個因子(ABC)各具2水準(1

2)實驗次數為83行中各水準出現的頻率是相同的(各水準出現的次數一

樣12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(ldquobalanced) 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(23

)L8(27

)L12(211

)L16(215

)L32(231

)

(2)三水準的直交表L9(34

)L18(21

times37

)L27(313

)L36(211

times312

) L36(23

times

313

) L54(21

times325

)

(3)四水準的直交表L16(45

)L32(21

times49

)(4)五水準的直交表L25(56

)

L50(21

times511

)

- 27 -

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

times31

)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

- 28 -

32 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 01mAElectrical 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 voltageVj)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

- 29 -

溫度 Ta的關係式3-1式表示〔4〕2-2式

-Kj=(dVjd 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 ndash 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 (25406080 )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 ndash Tj 之關係 (Kj)

如圖 3-5所示

當 LED持續在操作電流 IH(20mA)下啟動待穩定之後 (如30 min)

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

- 30 -

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

到該系統下 LED的 junction temperature圖 3-7推算實際 Tj

- 31 -

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

資料來源〔22〕

- 32 -

如表 3-3L4(23

)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 3-4LED 於各溫度下之 VFIM

Oven temperature () VF (V) 100uA

25 248x

40 246x

60 243x

80 239x

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

文獻參考

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Page 13: 國 立 交 通 大 學 · 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

XI

符 號 說 明

Tj LED junction temperature (degC)

η 光電轉換係數 optical powerinput power()

K 熱導率 (heat conductivitythermal conductivity)

Ta 為環境溫度 Ambient temperature (degC)

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

tset Setting of delay time (延遲時間設定) (s)

- 1 -

第一章 緒論

11 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

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 23~12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

- 2 -

12 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

- 3 -

13 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

14 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

照明的特性以及針對影響 LED發光效能以及老化速率的關鍵因素等研究文

- 4 -

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

- 5 -

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

樣品照片

Power(Watt) 352 525 180 7

Luminous Flux

(lumens) 345 659 986 455

光效(lmw) 98 126 548 65

- 6 -

表 1-2 LED照明優點歸納表[23]

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 10000 ~

15000白熾燈為 1000 ~

2000

壽命可達 100000

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ldquo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

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

httpwwwledinsidecomtw10_reason_for_led_light_source_20080

1

- 7 -

第二章基礎理論

21 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(Conduction Band)而能量較低的能帶稱為

價電帶(Valence Band)以上兩者能帶間的距離不存在

任何電子與電洞稱為能隙(Energy Gap)[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

- 8 -

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 powerinput 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

22 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)

22-1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]

- 9 -

(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(Fourierrsquos 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 dn

dT (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 ( 2m )

dndT 單位長度之溫度變化量(溫度梯度)

K 熱傳導係數(thermal conductivity) Cm

W

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

- 10 -

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(dQdt) 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 = (dQdt) (LA)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

22-2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

(Newtonrsquos 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 = hA(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

- 11 -

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

22-3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

- 12 -

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

22-4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 jminuss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 jminusa 可分為三部分 R j-a = R j-s + R s-b + R b-a 因此如

何降低總熱阻 R jminusa 將能增加其散熱功能

- 13 -

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

23 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

- 14 -

231 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

- 15 -

232 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 BoardPCB)

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 036Wm)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 PCBMCPCB)

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 Wm ~ 3 Wm

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

- 16 -

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

233 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

234 驅動器

LED屬於低壓直流元件其正向導通電壓的一般約為 30V~34V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

- 17 -

(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

235 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

- 18 -

表 2-1 材料熱傳導係數 k值(單位 WmmiddotK) [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 58 804

環氧樹脂 --- 6

FR4-PCB板 --- 2

玻璃 076 138

電木 0233 ---

橡膠 013~023

空氣 --- 0024~0026

資料來源 httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

- 19 -

表 2-2 LED產業照明專業術語[25]

專業術語 說明

光通量

(Luminous fluxΦ)

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 intensityI)

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

( KelvinK)

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

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

- 20 -

表 2-3 LED燈泡主要規格項目

效能 廠牌 7W 燈泡

重量 (Weight) 105g plusmn 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 lmW暖光 55 lmW

光源壽命 (Rated Life(Ta=25)) 40000 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

資料來源自製

- 21 -

圖 2-1 LED在不同工作溫度使用壽命趨勢圖[26]

資料來源httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

圖 2-2 LED封裝結構介紹[27]

資料來源httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

- 22 -

圖 2-3 Power -LED- Assembly[28]

資料來源

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-

Power-LED-Assemblyhtml

圖 2-4 金屬芯基板結構圖

圖 2-5 導熱材料[29]

資料來源

httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

- 23 -

圖 2-6 AC-DC恒流驅動器[30]

資料來源httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

圖 2-7散熱風扇[31]

資料來源httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

圖 2-8 熱管[32]

資料來源httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 24 -

圖 2-9LED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

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

- 25 -

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

31 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

311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

312一次一因子實驗法 (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

313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

以致形成太多實驗組合此方法的缺點為需要耗費大量的時間與金錢

- 26 -

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

314田口式直交表實驗法 (Taguchirsquos 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(23

)直交表的定義在於3個因子(ABC)各具2水準(1

2)實驗次數為83行中各水準出現的頻率是相同的(各水準出現的次數一

樣12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(ldquobalanced) 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(23

)L8(27

)L12(211

)L16(215

)L32(231

)

(2)三水準的直交表L9(34

)L18(21

times37

)L27(313

)L36(211

times312

) L36(23

times

313

) L54(21

times325

)

(3)四水準的直交表L16(45

)L32(21

times49

)(4)五水準的直交表L25(56

)

L50(21

times511

)

- 27 -

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

times31

)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

- 28 -

32 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 01mAElectrical 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 voltageVj)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

- 29 -

溫度 Ta的關係式3-1式表示〔4〕2-2式

-Kj=(dVjd 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 ndash 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 (25406080 )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 ndash Tj 之關係 (Kj)

如圖 3-5所示

當 LED持續在操作電流 IH(20mA)下啟動待穩定之後 (如30 min)

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

- 30 -

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

到該系統下 LED的 junction temperature圖 3-7推算實際 Tj

- 31 -

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

資料來源〔22〕

- 32 -

如表 3-3L4(23

)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 3-4LED 於各溫度下之 VFIM

Oven temperature () VF (V) 100uA

25 248x

40 246x

60 243x

80 239x

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

文獻參考

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Page 14: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 1 -

第一章 緒論

11 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

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 23~12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

- 2 -

12 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

- 3 -

13 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

14 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

照明的特性以及針對影響 LED發光效能以及老化速率的關鍵因素等研究文

- 4 -

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

- 5 -

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

樣品照片

Power(Watt) 352 525 180 7

Luminous Flux

(lumens) 345 659 986 455

光效(lmw) 98 126 548 65

- 6 -

表 1-2 LED照明優點歸納表[23]

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 10000 ~

15000白熾燈為 1000 ~

2000

壽命可達 100000

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ldquo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

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

httpwwwledinsidecomtw10_reason_for_led_light_source_20080

1

- 7 -

第二章基礎理論

21 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(Conduction Band)而能量較低的能帶稱為

價電帶(Valence Band)以上兩者能帶間的距離不存在

任何電子與電洞稱為能隙(Energy Gap)[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

- 8 -

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 powerinput 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

22 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)

22-1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]

- 9 -

(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(Fourierrsquos 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 dn

dT (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 ( 2m )

dndT 單位長度之溫度變化量(溫度梯度)

K 熱傳導係數(thermal conductivity) Cm

W

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

- 10 -

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(dQdt) 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 = (dQdt) (LA)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

22-2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

(Newtonrsquos 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 = hA(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

- 11 -

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

22-3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

- 12 -

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

22-4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 jminuss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 jminusa 可分為三部分 R j-a = R j-s + R s-b + R b-a 因此如

何降低總熱阻 R jminusa 將能增加其散熱功能

- 13 -

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

23 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

- 14 -

231 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

- 15 -

232 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 BoardPCB)

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 036Wm)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 PCBMCPCB)

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 Wm ~ 3 Wm

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

- 16 -

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

233 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

234 驅動器

LED屬於低壓直流元件其正向導通電壓的一般約為 30V~34V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

- 17 -

(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

235 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

- 18 -

表 2-1 材料熱傳導係數 k值(單位 WmmiddotK) [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 58 804

環氧樹脂 --- 6

FR4-PCB板 --- 2

玻璃 076 138

電木 0233 ---

橡膠 013~023

空氣 --- 0024~0026

資料來源 httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

- 19 -

表 2-2 LED產業照明專業術語[25]

專業術語 說明

光通量

(Luminous fluxΦ)

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 intensityI)

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

( KelvinK)

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

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

- 20 -

表 2-3 LED燈泡主要規格項目

效能 廠牌 7W 燈泡

重量 (Weight) 105g plusmn 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 lmW暖光 55 lmW

光源壽命 (Rated Life(Ta=25)) 40000 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

資料來源自製

- 21 -

圖 2-1 LED在不同工作溫度使用壽命趨勢圖[26]

資料來源httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

圖 2-2 LED封裝結構介紹[27]

資料來源httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

- 22 -

圖 2-3 Power -LED- Assembly[28]

資料來源

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-

Power-LED-Assemblyhtml

圖 2-4 金屬芯基板結構圖

圖 2-5 導熱材料[29]

資料來源

httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

- 23 -

圖 2-6 AC-DC恒流驅動器[30]

資料來源httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

圖 2-7散熱風扇[31]

資料來源httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

圖 2-8 熱管[32]

資料來源httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 24 -

圖 2-9LED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

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

- 25 -

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

31 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

311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

312一次一因子實驗法 (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

313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

以致形成太多實驗組合此方法的缺點為需要耗費大量的時間與金錢

- 26 -

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

314田口式直交表實驗法 (Taguchirsquos 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(23

)直交表的定義在於3個因子(ABC)各具2水準(1

2)實驗次數為83行中各水準出現的頻率是相同的(各水準出現的次數一

樣12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(ldquobalanced) 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(23

)L8(27

)L12(211

)L16(215

)L32(231

)

(2)三水準的直交表L9(34

)L18(21

times37

)L27(313

)L36(211

times312

) L36(23

times

313

) L54(21

times325

)

(3)四水準的直交表L16(45

)L32(21

times49

)(4)五水準的直交表L25(56

)

L50(21

times511

)

- 27 -

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

times31

)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

- 28 -

32 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 01mAElectrical 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 voltageVj)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

- 29 -

溫度 Ta的關係式3-1式表示〔4〕2-2式

-Kj=(dVjd 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 ndash 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 (25406080 )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 ndash Tj 之關係 (Kj)

如圖 3-5所示

當 LED持續在操作電流 IH(20mA)下啟動待穩定之後 (如30 min)

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

- 30 -

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

到該系統下 LED的 junction temperature圖 3-7推算實際 Tj

- 31 -

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

資料來源〔22〕

- 32 -

如表 3-3L4(23

)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 3-4LED 於各溫度下之 VFIM

Oven temperature () VF (V) 100uA

25 248x

40 246x

60 243x

80 239x

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

文獻參考

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Page 15: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 2 -

12 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

- 3 -

13 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

14 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

照明的特性以及針對影響 LED發光效能以及老化速率的關鍵因素等研究文

- 4 -

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

- 5 -

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

樣品照片

Power(Watt) 352 525 180 7

Luminous Flux

(lumens) 345 659 986 455

光效(lmw) 98 126 548 65

- 6 -

表 1-2 LED照明優點歸納表[23]

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 10000 ~

15000白熾燈為 1000 ~

2000

壽命可達 100000

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ldquo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

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

httpwwwledinsidecomtw10_reason_for_led_light_source_20080

1

- 7 -

第二章基礎理論

21 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(Conduction Band)而能量較低的能帶稱為

價電帶(Valence Band)以上兩者能帶間的距離不存在

任何電子與電洞稱為能隙(Energy Gap)[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

- 8 -

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 powerinput 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

22 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)

22-1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]

- 9 -

(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(Fourierrsquos 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 dn

dT (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 ( 2m )

dndT 單位長度之溫度變化量(溫度梯度)

K 熱傳導係數(thermal conductivity) Cm

W

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

- 10 -

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(dQdt) 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 = (dQdt) (LA)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

22-2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

(Newtonrsquos 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 = hA(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

- 11 -

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

22-3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

- 12 -

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

22-4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 jminuss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 jminusa 可分為三部分 R j-a = R j-s + R s-b + R b-a 因此如

何降低總熱阻 R jminusa 將能增加其散熱功能

- 13 -

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

23 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

- 14 -

231 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

- 15 -

232 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 BoardPCB)

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 036Wm)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 PCBMCPCB)

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 Wm ~ 3 Wm

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

- 16 -

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

233 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

234 驅動器

LED屬於低壓直流元件其正向導通電壓的一般約為 30V~34V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

- 17 -

(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

235 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

- 18 -

表 2-1 材料熱傳導係數 k值(單位 WmmiddotK) [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 58 804

環氧樹脂 --- 6

FR4-PCB板 --- 2

玻璃 076 138

電木 0233 ---

橡膠 013~023

空氣 --- 0024~0026

資料來源 httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

- 19 -

表 2-2 LED產業照明專業術語[25]

專業術語 說明

光通量

(Luminous fluxΦ)

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 intensityI)

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

( KelvinK)

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

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

- 20 -

表 2-3 LED燈泡主要規格項目

效能 廠牌 7W 燈泡

重量 (Weight) 105g plusmn 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 lmW暖光 55 lmW

光源壽命 (Rated Life(Ta=25)) 40000 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

資料來源自製

- 21 -

圖 2-1 LED在不同工作溫度使用壽命趨勢圖[26]

資料來源httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

圖 2-2 LED封裝結構介紹[27]

資料來源httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

- 22 -

圖 2-3 Power -LED- Assembly[28]

資料來源

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-

Power-LED-Assemblyhtml

圖 2-4 金屬芯基板結構圖

圖 2-5 導熱材料[29]

資料來源

httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

- 23 -

圖 2-6 AC-DC恒流驅動器[30]

資料來源httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

圖 2-7散熱風扇[31]

資料來源httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

圖 2-8 熱管[32]

資料來源httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 24 -

圖 2-9LED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

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

- 25 -

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

31 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

311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

312一次一因子實驗法 (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

313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

以致形成太多實驗組合此方法的缺點為需要耗費大量的時間與金錢

- 26 -

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

314田口式直交表實驗法 (Taguchirsquos 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(23

)直交表的定義在於3個因子(ABC)各具2水準(1

2)實驗次數為83行中各水準出現的頻率是相同的(各水準出現的次數一

樣12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(ldquobalanced) 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(23

)L8(27

)L12(211

)L16(215

)L32(231

)

(2)三水準的直交表L9(34

)L18(21

times37

)L27(313

)L36(211

times312

) L36(23

times

313

) L54(21

times325

)

(3)四水準的直交表L16(45

)L32(21

times49

)(4)五水準的直交表L25(56

)

L50(21

times511

)

- 27 -

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

times31

)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

- 28 -

32 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 01mAElectrical 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 voltageVj)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

- 29 -

溫度 Ta的關係式3-1式表示〔4〕2-2式

-Kj=(dVjd 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 ndash 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 (25406080 )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 ndash Tj 之關係 (Kj)

如圖 3-5所示

當 LED持續在操作電流 IH(20mA)下啟動待穩定之後 (如30 min)

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

- 30 -

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

到該系統下 LED的 junction temperature圖 3-7推算實際 Tj

- 31 -

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

資料來源〔22〕

- 32 -

如表 3-3L4(23

)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 3-4LED 於各溫度下之 VFIM

Oven temperature () VF (V) 100uA

25 248x

40 246x

60 243x

80 239x

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 16: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 3 -

13 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

14 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

照明的特性以及針對影響 LED發光效能以及老化速率的關鍵因素等研究文

- 4 -

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

- 5 -

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

樣品照片

Power(Watt) 352 525 180 7

Luminous Flux

(lumens) 345 659 986 455

光效(lmw) 98 126 548 65

- 6 -

表 1-2 LED照明優點歸納表[23]

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 10000 ~

15000白熾燈為 1000 ~

2000

壽命可達 100000

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ldquo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

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

httpwwwledinsidecomtw10_reason_for_led_light_source_20080

1

- 7 -

第二章基礎理論

21 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(Conduction Band)而能量較低的能帶稱為

價電帶(Valence Band)以上兩者能帶間的距離不存在

任何電子與電洞稱為能隙(Energy Gap)[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

- 8 -

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 powerinput 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

22 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)

22-1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]

- 9 -

(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(Fourierrsquos 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 dn

dT (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 ( 2m )

dndT 單位長度之溫度變化量(溫度梯度)

K 熱傳導係數(thermal conductivity) Cm

W

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

- 10 -

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(dQdt) 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 = (dQdt) (LA)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

22-2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

(Newtonrsquos 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 = hA(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

- 11 -

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

22-3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

- 12 -

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

22-4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 jminuss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 jminusa 可分為三部分 R j-a = R j-s + R s-b + R b-a 因此如

何降低總熱阻 R jminusa 將能增加其散熱功能

- 13 -

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

23 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

- 14 -

231 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

- 15 -

232 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 BoardPCB)

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 036Wm)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 PCBMCPCB)

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 Wm ~ 3 Wm

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

- 16 -

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

233 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

234 驅動器

LED屬於低壓直流元件其正向導通電壓的一般約為 30V~34V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

- 17 -

(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

235 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

- 18 -

表 2-1 材料熱傳導係數 k值(單位 WmmiddotK) [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 58 804

環氧樹脂 --- 6

FR4-PCB板 --- 2

玻璃 076 138

電木 0233 ---

橡膠 013~023

空氣 --- 0024~0026

資料來源 httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

- 19 -

表 2-2 LED產業照明專業術語[25]

專業術語 說明

光通量

(Luminous fluxΦ)

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 intensityI)

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

( KelvinK)

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

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

- 20 -

表 2-3 LED燈泡主要規格項目

效能 廠牌 7W 燈泡

重量 (Weight) 105g plusmn 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 lmW暖光 55 lmW

光源壽命 (Rated Life(Ta=25)) 40000 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

資料來源自製

- 21 -

圖 2-1 LED在不同工作溫度使用壽命趨勢圖[26]

資料來源httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

圖 2-2 LED封裝結構介紹[27]

資料來源httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

- 22 -

圖 2-3 Power -LED- Assembly[28]

資料來源

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-

Power-LED-Assemblyhtml

圖 2-4 金屬芯基板結構圖

圖 2-5 導熱材料[29]

資料來源

httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

- 23 -

圖 2-6 AC-DC恒流驅動器[30]

資料來源httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

圖 2-7散熱風扇[31]

資料來源httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

圖 2-8 熱管[32]

資料來源httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 24 -

圖 2-9LED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

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

- 25 -

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

31 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

311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

312一次一因子實驗法 (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

313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

以致形成太多實驗組合此方法的缺點為需要耗費大量的時間與金錢

- 26 -

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

314田口式直交表實驗法 (Taguchirsquos 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(23

)直交表的定義在於3個因子(ABC)各具2水準(1

2)實驗次數為83行中各水準出現的頻率是相同的(各水準出現的次數一

樣12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(ldquobalanced) 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(23

)L8(27

)L12(211

)L16(215

)L32(231

)

(2)三水準的直交表L9(34

)L18(21

times37

)L27(313

)L36(211

times312

) L36(23

times

313

) L54(21

times325

)

(3)四水準的直交表L16(45

)L32(21

times49

)(4)五水準的直交表L25(56

)

L50(21

times511

)

- 27 -

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

times31

)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

- 28 -

32 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 01mAElectrical 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 voltageVj)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

- 29 -

溫度 Ta的關係式3-1式表示〔4〕2-2式

-Kj=(dVjd 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 ndash 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 (25406080 )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 ndash Tj 之關係 (Kj)

如圖 3-5所示

當 LED持續在操作電流 IH(20mA)下啟動待穩定之後 (如30 min)

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

- 30 -

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

到該系統下 LED的 junction temperature圖 3-7推算實際 Tj

- 31 -

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

資料來源〔22〕

- 32 -

如表 3-3L4(23

)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 3-4LED 於各溫度下之 VFIM

Oven temperature () VF (V) 100uA

25 248x

40 246x

60 243x

80 239x

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 17: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 4 -

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

- 5 -

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

樣品照片

Power(Watt) 352 525 180 7

Luminous Flux

(lumens) 345 659 986 455

光效(lmw) 98 126 548 65

- 6 -

表 1-2 LED照明優點歸納表[23]

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 10000 ~

15000白熾燈為 1000 ~

2000

壽命可達 100000

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ldquo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

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

httpwwwledinsidecomtw10_reason_for_led_light_source_20080

1

- 7 -

第二章基礎理論

21 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(Conduction Band)而能量較低的能帶稱為

價電帶(Valence Band)以上兩者能帶間的距離不存在

任何電子與電洞稱為能隙(Energy Gap)[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

- 8 -

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 powerinput 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

22 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)

22-1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]

- 9 -

(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(Fourierrsquos 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 dn

dT (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 ( 2m )

dndT 單位長度之溫度變化量(溫度梯度)

K 熱傳導係數(thermal conductivity) Cm

W

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

- 10 -

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(dQdt) 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 = (dQdt) (LA)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

22-2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

(Newtonrsquos 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 = hA(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

- 11 -

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

22-3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

- 12 -

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

22-4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 jminuss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 jminusa 可分為三部分 R j-a = R j-s + R s-b + R b-a 因此如

何降低總熱阻 R jminusa 將能增加其散熱功能

- 13 -

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

23 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

- 14 -

231 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

- 15 -

232 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 BoardPCB)

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 036Wm)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 PCBMCPCB)

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 Wm ~ 3 Wm

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

- 16 -

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

233 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

234 驅動器

LED屬於低壓直流元件其正向導通電壓的一般約為 30V~34V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

- 17 -

(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

235 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

- 18 -

表 2-1 材料熱傳導係數 k值(單位 WmmiddotK) [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 58 804

環氧樹脂 --- 6

FR4-PCB板 --- 2

玻璃 076 138

電木 0233 ---

橡膠 013~023

空氣 --- 0024~0026

資料來源 httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

- 19 -

表 2-2 LED產業照明專業術語[25]

專業術語 說明

光通量

(Luminous fluxΦ)

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 intensityI)

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

( KelvinK)

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

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

- 20 -

表 2-3 LED燈泡主要規格項目

效能 廠牌 7W 燈泡

重量 (Weight) 105g plusmn 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 lmW暖光 55 lmW

光源壽命 (Rated Life(Ta=25)) 40000 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

資料來源自製

- 21 -

圖 2-1 LED在不同工作溫度使用壽命趨勢圖[26]

資料來源httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

圖 2-2 LED封裝結構介紹[27]

資料來源httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

- 22 -

圖 2-3 Power -LED- Assembly[28]

資料來源

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-

Power-LED-Assemblyhtml

圖 2-4 金屬芯基板結構圖

圖 2-5 導熱材料[29]

資料來源

httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

- 23 -

圖 2-6 AC-DC恒流驅動器[30]

資料來源httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

圖 2-7散熱風扇[31]

資料來源httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

圖 2-8 熱管[32]

資料來源httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 24 -

圖 2-9LED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

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

- 25 -

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

31 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

311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

312一次一因子實驗法 (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

313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

以致形成太多實驗組合此方法的缺點為需要耗費大量的時間與金錢

- 26 -

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

314田口式直交表實驗法 (Taguchirsquos 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(23

)直交表的定義在於3個因子(ABC)各具2水準(1

2)實驗次數為83行中各水準出現的頻率是相同的(各水準出現的次數一

樣12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(ldquobalanced) 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(23

)L8(27

)L12(211

)L16(215

)L32(231

)

(2)三水準的直交表L9(34

)L18(21

times37

)L27(313

)L36(211

times312

) L36(23

times

313

) L54(21

times325

)

(3)四水準的直交表L16(45

)L32(21

times49

)(4)五水準的直交表L25(56

)

L50(21

times511

)

- 27 -

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

times31

)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

- 28 -

32 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 01mAElectrical 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 voltageVj)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

- 29 -

溫度 Ta的關係式3-1式表示〔4〕2-2式

-Kj=(dVjd 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 ndash 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 (25406080 )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 ndash Tj 之關係 (Kj)

如圖 3-5所示

當 LED持續在操作電流 IH(20mA)下啟動待穩定之後 (如30 min)

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

- 30 -

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

到該系統下 LED的 junction temperature圖 3-7推算實際 Tj

- 31 -

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

資料來源〔22〕

- 32 -

如表 3-3L4(23

)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 3-4LED 於各溫度下之 VFIM

Oven temperature () VF (V) 100uA

25 248x

40 246x

60 243x

80 239x

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 18: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 5 -

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

樣品照片

Power(Watt) 352 525 180 7

Luminous Flux

(lumens) 345 659 986 455

光效(lmw) 98 126 548 65

- 6 -

表 1-2 LED照明優點歸納表[23]

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 10000 ~

15000白熾燈為 1000 ~

2000

壽命可達 100000

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ldquo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

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

httpwwwledinsidecomtw10_reason_for_led_light_source_20080

1

- 7 -

第二章基礎理論

21 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(Conduction Band)而能量較低的能帶稱為

價電帶(Valence Band)以上兩者能帶間的距離不存在

任何電子與電洞稱為能隙(Energy Gap)[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

- 8 -

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 powerinput 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

22 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)

22-1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]

- 9 -

(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(Fourierrsquos 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 dn

dT (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 ( 2m )

dndT 單位長度之溫度變化量(溫度梯度)

K 熱傳導係數(thermal conductivity) Cm

W

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

- 10 -

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(dQdt) 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 = (dQdt) (LA)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

22-2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

(Newtonrsquos 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 = hA(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

- 11 -

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

22-3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

- 12 -

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

22-4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 jminuss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 jminusa 可分為三部分 R j-a = R j-s + R s-b + R b-a 因此如

何降低總熱阻 R jminusa 將能增加其散熱功能

- 13 -

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

23 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

- 14 -

231 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

- 15 -

232 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 BoardPCB)

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 036Wm)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 PCBMCPCB)

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 Wm ~ 3 Wm

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

- 16 -

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

233 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

234 驅動器

LED屬於低壓直流元件其正向導通電壓的一般約為 30V~34V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

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(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

235 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

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表 2-1 材料熱傳導係數 k值(單位 WmmiddotK) [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 58 804

環氧樹脂 --- 6

FR4-PCB板 --- 2

玻璃 076 138

電木 0233 ---

橡膠 013~023

空氣 --- 0024~0026

資料來源 httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

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表 2-2 LED產業照明專業術語[25]

專業術語 說明

光通量

(Luminous fluxΦ)

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 intensityI)

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

( KelvinK)

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

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

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表 2-3 LED燈泡主要規格項目

效能 廠牌 7W 燈泡

重量 (Weight) 105g plusmn 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 lmW暖光 55 lmW

光源壽命 (Rated Life(Ta=25)) 40000 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

資料來源自製

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圖 2-1 LED在不同工作溫度使用壽命趨勢圖[26]

資料來源httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

圖 2-2 LED封裝結構介紹[27]

資料來源httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

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圖 2-3 Power -LED- Assembly[28]

資料來源

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-

Power-LED-Assemblyhtml

圖 2-4 金屬芯基板結構圖

圖 2-5 導熱材料[29]

資料來源

httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

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圖 2-6 AC-DC恒流驅動器[30]

資料來源httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

圖 2-7散熱風扇[31]

資料來源httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

圖 2-8 熱管[32]

資料來源httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

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圖 2-9LED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

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

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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

31 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

311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

312一次一因子實驗法 (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

313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

以致形成太多實驗組合此方法的缺點為需要耗費大量的時間與金錢

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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

314田口式直交表實驗法 (Taguchirsquos 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(23

)直交表的定義在於3個因子(ABC)各具2水準(1

2)實驗次數為83行中各水準出現的頻率是相同的(各水準出現的次數一

樣12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(ldquobalanced) 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(23

)L8(27

)L12(211

)L16(215

)L32(231

)

(2)三水準的直交表L9(34

)L18(21

times37

)L27(313

)L36(211

times312

) L36(23

times

313

) L54(21

times325

)

(3)四水準的直交表L16(45

)L32(21

times49

)(4)五水準的直交表L25(56

)

L50(21

times511

)

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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

times31

)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

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32 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 01mAElectrical 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 voltageVj)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

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溫度 Ta的關係式3-1式表示〔4〕2-2式

-Kj=(dVjd 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 ndash 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 (25406080 )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 ndash Tj 之關係 (Kj)

如圖 3-5所示

當 LED持續在操作電流 IH(20mA)下啟動待穩定之後 (如30 min)

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

- 30 -

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

到該系統下 LED的 junction temperature圖 3-7推算實際 Tj

- 31 -

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

資料來源〔22〕

- 32 -

如表 3-3L4(23

)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 3-4LED 於各溫度下之 VFIM

Oven temperature () VF (V) 100uA

25 248x

40 246x

60 243x

80 239x

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 19: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 6 -

表 1-2 LED照明優點歸納表[23]

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 10000 ~

15000白熾燈為 1000 ~

2000

壽命可達 100000

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ldquo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

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

httpwwwledinsidecomtw10_reason_for_led_light_source_20080

1

- 7 -

第二章基礎理論

21 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(Conduction Band)而能量較低的能帶稱為

價電帶(Valence Band)以上兩者能帶間的距離不存在

任何電子與電洞稱為能隙(Energy Gap)[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

- 8 -

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 powerinput 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

22 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)

22-1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]

- 9 -

(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(Fourierrsquos 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 dn

dT (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 ( 2m )

dndT 單位長度之溫度變化量(溫度梯度)

K 熱傳導係數(thermal conductivity) Cm

W

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

- 10 -

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(dQdt) 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 = (dQdt) (LA)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

22-2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

(Newtonrsquos 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 = hA(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

- 11 -

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

22-3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

- 12 -

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

22-4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 jminuss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 jminusa 可分為三部分 R j-a = R j-s + R s-b + R b-a 因此如

何降低總熱阻 R jminusa 將能增加其散熱功能

- 13 -

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

23 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

- 14 -

231 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

- 15 -

232 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 BoardPCB)

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 036Wm)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 PCBMCPCB)

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 Wm ~ 3 Wm

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

- 16 -

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

233 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

234 驅動器

LED屬於低壓直流元件其正向導通電壓的一般約為 30V~34V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

- 17 -

(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

235 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

- 18 -

表 2-1 材料熱傳導係數 k值(單位 WmmiddotK) [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 58 804

環氧樹脂 --- 6

FR4-PCB板 --- 2

玻璃 076 138

電木 0233 ---

橡膠 013~023

空氣 --- 0024~0026

資料來源 httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

- 19 -

表 2-2 LED產業照明專業術語[25]

專業術語 說明

光通量

(Luminous fluxΦ)

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 intensityI)

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

( KelvinK)

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

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

- 20 -

表 2-3 LED燈泡主要規格項目

效能 廠牌 7W 燈泡

重量 (Weight) 105g plusmn 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 lmW暖光 55 lmW

光源壽命 (Rated Life(Ta=25)) 40000 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

資料來源自製

- 21 -

圖 2-1 LED在不同工作溫度使用壽命趨勢圖[26]

資料來源httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

圖 2-2 LED封裝結構介紹[27]

資料來源httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

- 22 -

圖 2-3 Power -LED- Assembly[28]

資料來源

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-

Power-LED-Assemblyhtml

圖 2-4 金屬芯基板結構圖

圖 2-5 導熱材料[29]

資料來源

httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

- 23 -

圖 2-6 AC-DC恒流驅動器[30]

資料來源httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

圖 2-7散熱風扇[31]

資料來源httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

圖 2-8 熱管[32]

資料來源httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 24 -

圖 2-9LED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

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

- 25 -

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

31 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

311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

312一次一因子實驗法 (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

313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

以致形成太多實驗組合此方法的缺點為需要耗費大量的時間與金錢

- 26 -

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

314田口式直交表實驗法 (Taguchirsquos 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(23

)直交表的定義在於3個因子(ABC)各具2水準(1

2)實驗次數為83行中各水準出現的頻率是相同的(各水準出現的次數一

樣12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(ldquobalanced) 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(23

)L8(27

)L12(211

)L16(215

)L32(231

)

(2)三水準的直交表L9(34

)L18(21

times37

)L27(313

)L36(211

times312

) L36(23

times

313

) L54(21

times325

)

(3)四水準的直交表L16(45

)L32(21

times49

)(4)五水準的直交表L25(56

)

L50(21

times511

)

- 27 -

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

times31

)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

- 28 -

32 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 01mAElectrical 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 voltageVj)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

- 29 -

溫度 Ta的關係式3-1式表示〔4〕2-2式

-Kj=(dVjd 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 ndash 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 (25406080 )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 ndash Tj 之關係 (Kj)

如圖 3-5所示

當 LED持續在操作電流 IH(20mA)下啟動待穩定之後 (如30 min)

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

- 30 -

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

到該系統下 LED的 junction temperature圖 3-7推算實際 Tj

- 31 -

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

資料來源〔22〕

- 32 -

如表 3-3L4(23

)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 3-4LED 於各溫度下之 VFIM

Oven temperature () VF (V) 100uA

25 248x

40 246x

60 243x

80 239x

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 20: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 7 -

第二章基礎理論

21 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(Conduction Band)而能量較低的能帶稱為

價電帶(Valence Band)以上兩者能帶間的距離不存在

任何電子與電洞稱為能隙(Energy Gap)[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

- 8 -

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 powerinput 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

22 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)

22-1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]

- 9 -

(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(Fourierrsquos 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 dn

dT (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 ( 2m )

dndT 單位長度之溫度變化量(溫度梯度)

K 熱傳導係數(thermal conductivity) Cm

W

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

- 10 -

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(dQdt) 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 = (dQdt) (LA)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

22-2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

(Newtonrsquos 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 = hA(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

- 11 -

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

22-3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

- 12 -

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

22-4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 jminuss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 jminusa 可分為三部分 R j-a = R j-s + R s-b + R b-a 因此如

何降低總熱阻 R jminusa 將能增加其散熱功能

- 13 -

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

23 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

- 14 -

231 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

- 15 -

232 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 BoardPCB)

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 036Wm)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 PCBMCPCB)

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 Wm ~ 3 Wm

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

- 16 -

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

233 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

234 驅動器

LED屬於低壓直流元件其正向導通電壓的一般約為 30V~34V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

- 17 -

(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

235 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

- 18 -

表 2-1 材料熱傳導係數 k值(單位 WmmiddotK) [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 58 804

環氧樹脂 --- 6

FR4-PCB板 --- 2

玻璃 076 138

電木 0233 ---

橡膠 013~023

空氣 --- 0024~0026

資料來源 httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

- 19 -

表 2-2 LED產業照明專業術語[25]

專業術語 說明

光通量

(Luminous fluxΦ)

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 intensityI)

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

( KelvinK)

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

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

- 20 -

表 2-3 LED燈泡主要規格項目

效能 廠牌 7W 燈泡

重量 (Weight) 105g plusmn 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 lmW暖光 55 lmW

光源壽命 (Rated Life(Ta=25)) 40000 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

資料來源自製

- 21 -

圖 2-1 LED在不同工作溫度使用壽命趨勢圖[26]

資料來源httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

圖 2-2 LED封裝結構介紹[27]

資料來源httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

- 22 -

圖 2-3 Power -LED- Assembly[28]

資料來源

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-

Power-LED-Assemblyhtml

圖 2-4 金屬芯基板結構圖

圖 2-5 導熱材料[29]

資料來源

httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

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圖 2-6 AC-DC恒流驅動器[30]

資料來源httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

圖 2-7散熱風扇[31]

資料來源httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

圖 2-8 熱管[32]

資料來源httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 24 -

圖 2-9LED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

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

- 25 -

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

31 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

311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

312一次一因子實驗法 (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

313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

以致形成太多實驗組合此方法的缺點為需要耗費大量的時間與金錢

- 26 -

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

314田口式直交表實驗法 (Taguchirsquos 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(23

)直交表的定義在於3個因子(ABC)各具2水準(1

2)實驗次數為83行中各水準出現的頻率是相同的(各水準出現的次數一

樣12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(ldquobalanced) 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(23

)L8(27

)L12(211

)L16(215

)L32(231

)

(2)三水準的直交表L9(34

)L18(21

times37

)L27(313

)L36(211

times312

) L36(23

times

313

) L54(21

times325

)

(3)四水準的直交表L16(45

)L32(21

times49

)(4)五水準的直交表L25(56

)

L50(21

times511

)

- 27 -

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

times31

)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

- 28 -

32 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 01mAElectrical 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 voltageVj)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

- 29 -

溫度 Ta的關係式3-1式表示〔4〕2-2式

-Kj=(dVjd 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 ndash 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 (25406080 )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 ndash Tj 之關係 (Kj)

如圖 3-5所示

當 LED持續在操作電流 IH(20mA)下啟動待穩定之後 (如30 min)

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

- 30 -

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

到該系統下 LED的 junction temperature圖 3-7推算實際 Tj

- 31 -

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

資料來源〔22〕

- 32 -

如表 3-3L4(23

)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 3-4LED 於各溫度下之 VFIM

Oven temperature () VF (V) 100uA

25 248x

40 246x

60 243x

80 239x

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 21: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 8 -

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 powerinput 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

22 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)

22-1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]

- 9 -

(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(Fourierrsquos 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 dn

dT (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 ( 2m )

dndT 單位長度之溫度變化量(溫度梯度)

K 熱傳導係數(thermal conductivity) Cm

W

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

- 10 -

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(dQdt) 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 = (dQdt) (LA)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

22-2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

(Newtonrsquos 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 = hA(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

- 11 -

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

22-3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

- 12 -

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

22-4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 jminuss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 jminusa 可分為三部分 R j-a = R j-s + R s-b + R b-a 因此如

何降低總熱阻 R jminusa 將能增加其散熱功能

- 13 -

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

23 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

- 14 -

231 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

- 15 -

232 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 BoardPCB)

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 036Wm)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 PCBMCPCB)

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 Wm ~ 3 Wm

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

- 16 -

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

233 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

234 驅動器

LED屬於低壓直流元件其正向導通電壓的一般約為 30V~34V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

- 17 -

(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

235 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

- 18 -

表 2-1 材料熱傳導係數 k值(單位 WmmiddotK) [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 58 804

環氧樹脂 --- 6

FR4-PCB板 --- 2

玻璃 076 138

電木 0233 ---

橡膠 013~023

空氣 --- 0024~0026

資料來源 httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

- 19 -

表 2-2 LED產業照明專業術語[25]

專業術語 說明

光通量

(Luminous fluxΦ)

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 intensityI)

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

( KelvinK)

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

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

- 20 -

表 2-3 LED燈泡主要規格項目

效能 廠牌 7W 燈泡

重量 (Weight) 105g plusmn 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 lmW暖光 55 lmW

光源壽命 (Rated Life(Ta=25)) 40000 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

資料來源自製

- 21 -

圖 2-1 LED在不同工作溫度使用壽命趨勢圖[26]

資料來源httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

圖 2-2 LED封裝結構介紹[27]

資料來源httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

- 22 -

圖 2-3 Power -LED- Assembly[28]

資料來源

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-

Power-LED-Assemblyhtml

圖 2-4 金屬芯基板結構圖

圖 2-5 導熱材料[29]

資料來源

httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

- 23 -

圖 2-6 AC-DC恒流驅動器[30]

資料來源httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

圖 2-7散熱風扇[31]

資料來源httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

圖 2-8 熱管[32]

資料來源httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 24 -

圖 2-9LED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

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

- 25 -

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

31 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

311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

312一次一因子實驗法 (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

313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

以致形成太多實驗組合此方法的缺點為需要耗費大量的時間與金錢

- 26 -

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

314田口式直交表實驗法 (Taguchirsquos 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(23

)直交表的定義在於3個因子(ABC)各具2水準(1

2)實驗次數為83行中各水準出現的頻率是相同的(各水準出現的次數一

樣12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(ldquobalanced) 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(23

)L8(27

)L12(211

)L16(215

)L32(231

)

(2)三水準的直交表L9(34

)L18(21

times37

)L27(313

)L36(211

times312

) L36(23

times

313

) L54(21

times325

)

(3)四水準的直交表L16(45

)L32(21

times49

)(4)五水準的直交表L25(56

)

L50(21

times511

)

- 27 -

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

times31

)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

- 28 -

32 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 01mAElectrical 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 voltageVj)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

- 29 -

溫度 Ta的關係式3-1式表示〔4〕2-2式

-Kj=(dVjd 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 ndash 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 (25406080 )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 ndash Tj 之關係 (Kj)

如圖 3-5所示

當 LED持續在操作電流 IH(20mA)下啟動待穩定之後 (如30 min)

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

- 30 -

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

到該系統下 LED的 junction temperature圖 3-7推算實際 Tj

- 31 -

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

資料來源〔22〕

- 32 -

如表 3-3L4(23

)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 3-4LED 於各溫度下之 VFIM

Oven temperature () VF (V) 100uA

25 248x

40 246x

60 243x

80 239x

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 22: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 9 -

(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(Fourierrsquos 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 dn

dT (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 ( 2m )

dndT 單位長度之溫度變化量(溫度梯度)

K 熱傳導係數(thermal conductivity) Cm

W

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

- 10 -

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(dQdt) 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 = (dQdt) (LA)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

22-2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

(Newtonrsquos 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 = hA(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

- 11 -

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

22-3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

- 12 -

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

22-4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 jminuss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 jminusa 可分為三部分 R j-a = R j-s + R s-b + R b-a 因此如

何降低總熱阻 R jminusa 將能增加其散熱功能

- 13 -

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

23 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

- 14 -

231 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

- 15 -

232 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 BoardPCB)

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 036Wm)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 PCBMCPCB)

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 Wm ~ 3 Wm

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

- 16 -

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

233 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

234 驅動器

LED屬於低壓直流元件其正向導通電壓的一般約為 30V~34V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

- 17 -

(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

235 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

- 18 -

表 2-1 材料熱傳導係數 k值(單位 WmmiddotK) [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 58 804

環氧樹脂 --- 6

FR4-PCB板 --- 2

玻璃 076 138

電木 0233 ---

橡膠 013~023

空氣 --- 0024~0026

資料來源 httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

- 19 -

表 2-2 LED產業照明專業術語[25]

專業術語 說明

光通量

(Luminous fluxΦ)

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 intensityI)

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

( KelvinK)

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

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

- 20 -

表 2-3 LED燈泡主要規格項目

效能 廠牌 7W 燈泡

重量 (Weight) 105g plusmn 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 lmW暖光 55 lmW

光源壽命 (Rated Life(Ta=25)) 40000 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

資料來源自製

- 21 -

圖 2-1 LED在不同工作溫度使用壽命趨勢圖[26]

資料來源httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

圖 2-2 LED封裝結構介紹[27]

資料來源httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

- 22 -

圖 2-3 Power -LED- Assembly[28]

資料來源

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-

Power-LED-Assemblyhtml

圖 2-4 金屬芯基板結構圖

圖 2-5 導熱材料[29]

資料來源

httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

- 23 -

圖 2-6 AC-DC恒流驅動器[30]

資料來源httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

圖 2-7散熱風扇[31]

資料來源httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

圖 2-8 熱管[32]

資料來源httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 24 -

圖 2-9LED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

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

- 25 -

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

31 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

311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

312一次一因子實驗法 (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

313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

以致形成太多實驗組合此方法的缺點為需要耗費大量的時間與金錢

- 26 -

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

314田口式直交表實驗法 (Taguchirsquos 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(23

)直交表的定義在於3個因子(ABC)各具2水準(1

2)實驗次數為83行中各水準出現的頻率是相同的(各水準出現的次數一

樣12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(ldquobalanced) 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(23

)L8(27

)L12(211

)L16(215

)L32(231

)

(2)三水準的直交表L9(34

)L18(21

times37

)L27(313

)L36(211

times312

) L36(23

times

313

) L54(21

times325

)

(3)四水準的直交表L16(45

)L32(21

times49

)(4)五水準的直交表L25(56

)

L50(21

times511

)

- 27 -

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

times31

)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

- 28 -

32 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 01mAElectrical 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 voltageVj)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

- 29 -

溫度 Ta的關係式3-1式表示〔4〕2-2式

-Kj=(dVjd 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 ndash 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 (25406080 )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 ndash Tj 之關係 (Kj)

如圖 3-5所示

當 LED持續在操作電流 IH(20mA)下啟動待穩定之後 (如30 min)

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

- 30 -

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

到該系統下 LED的 junction temperature圖 3-7推算實際 Tj

- 31 -

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

資料來源〔22〕

- 32 -

如表 3-3L4(23

)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 3-4LED 於各溫度下之 VFIM

Oven temperature () VF (V) 100uA

25 248x

40 246x

60 243x

80 239x

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 23: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 10 -

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(dQdt) 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 = (dQdt) (LA)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

22-2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

(Newtonrsquos 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 = hA(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

- 11 -

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

22-3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

- 12 -

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

22-4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 jminuss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 jminusa 可分為三部分 R j-a = R j-s + R s-b + R b-a 因此如

何降低總熱阻 R jminusa 將能增加其散熱功能

- 13 -

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

23 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

- 14 -

231 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

- 15 -

232 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 BoardPCB)

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 036Wm)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 PCBMCPCB)

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 Wm ~ 3 Wm

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

- 16 -

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

233 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

234 驅動器

LED屬於低壓直流元件其正向導通電壓的一般約為 30V~34V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

- 17 -

(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

235 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

- 18 -

表 2-1 材料熱傳導係數 k值(單位 WmmiddotK) [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 58 804

環氧樹脂 --- 6

FR4-PCB板 --- 2

玻璃 076 138

電木 0233 ---

橡膠 013~023

空氣 --- 0024~0026

資料來源 httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

- 19 -

表 2-2 LED產業照明專業術語[25]

專業術語 說明

光通量

(Luminous fluxΦ)

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 intensityI)

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

( KelvinK)

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

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

- 20 -

表 2-3 LED燈泡主要規格項目

效能 廠牌 7W 燈泡

重量 (Weight) 105g plusmn 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 lmW暖光 55 lmW

光源壽命 (Rated Life(Ta=25)) 40000 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

資料來源自製

- 21 -

圖 2-1 LED在不同工作溫度使用壽命趨勢圖[26]

資料來源httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

圖 2-2 LED封裝結構介紹[27]

資料來源httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

- 22 -

圖 2-3 Power -LED- Assembly[28]

資料來源

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-

Power-LED-Assemblyhtml

圖 2-4 金屬芯基板結構圖

圖 2-5 導熱材料[29]

資料來源

httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

- 23 -

圖 2-6 AC-DC恒流驅動器[30]

資料來源httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

圖 2-7散熱風扇[31]

資料來源httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

圖 2-8 熱管[32]

資料來源httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 24 -

圖 2-9LED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

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

- 25 -

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

31 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

311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

312一次一因子實驗法 (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

313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

以致形成太多實驗組合此方法的缺點為需要耗費大量的時間與金錢

- 26 -

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

314田口式直交表實驗法 (Taguchirsquos 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(23

)直交表的定義在於3個因子(ABC)各具2水準(1

2)實驗次數為83行中各水準出現的頻率是相同的(各水準出現的次數一

樣12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(ldquobalanced) 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(23

)L8(27

)L12(211

)L16(215

)L32(231

)

(2)三水準的直交表L9(34

)L18(21

times37

)L27(313

)L36(211

times312

) L36(23

times

313

) L54(21

times325

)

(3)四水準的直交表L16(45

)L32(21

times49

)(4)五水準的直交表L25(56

)

L50(21

times511

)

- 27 -

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

times31

)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

- 28 -

32 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 01mAElectrical 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 voltageVj)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

- 29 -

溫度 Ta的關係式3-1式表示〔4〕2-2式

-Kj=(dVjd 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 ndash 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 (25406080 )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 ndash Tj 之關係 (Kj)

如圖 3-5所示

當 LED持續在操作電流 IH(20mA)下啟動待穩定之後 (如30 min)

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

- 30 -

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

到該系統下 LED的 junction temperature圖 3-7推算實際 Tj

- 31 -

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

資料來源〔22〕

- 32 -

如表 3-3L4(23

)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 3-4LED 於各溫度下之 VFIM

Oven temperature () VF (V) 100uA

25 248x

40 246x

60 243x

80 239x

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

文獻參考

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Page 24: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 11 -

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

22-3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

- 12 -

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

22-4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 jminuss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 jminusa 可分為三部分 R j-a = R j-s + R s-b + R b-a 因此如

何降低總熱阻 R jminusa 將能增加其散熱功能

- 13 -

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

23 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

- 14 -

231 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

- 15 -

232 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 BoardPCB)

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 036Wm)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 PCBMCPCB)

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 Wm ~ 3 Wm

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

- 16 -

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

233 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

234 驅動器

LED屬於低壓直流元件其正向導通電壓的一般約為 30V~34V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

- 17 -

(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

235 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

- 18 -

表 2-1 材料熱傳導係數 k值(單位 WmmiddotK) [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 58 804

環氧樹脂 --- 6

FR4-PCB板 --- 2

玻璃 076 138

電木 0233 ---

橡膠 013~023

空氣 --- 0024~0026

資料來源 httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

- 19 -

表 2-2 LED產業照明專業術語[25]

專業術語 說明

光通量

(Luminous fluxΦ)

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 intensityI)

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

( KelvinK)

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

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

- 20 -

表 2-3 LED燈泡主要規格項目

效能 廠牌 7W 燈泡

重量 (Weight) 105g plusmn 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 lmW暖光 55 lmW

光源壽命 (Rated Life(Ta=25)) 40000 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

資料來源自製

- 21 -

圖 2-1 LED在不同工作溫度使用壽命趨勢圖[26]

資料來源httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

圖 2-2 LED封裝結構介紹[27]

資料來源httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

- 22 -

圖 2-3 Power -LED- Assembly[28]

資料來源

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-

Power-LED-Assemblyhtml

圖 2-4 金屬芯基板結構圖

圖 2-5 導熱材料[29]

資料來源

httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

- 23 -

圖 2-6 AC-DC恒流驅動器[30]

資料來源httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

圖 2-7散熱風扇[31]

資料來源httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

圖 2-8 熱管[32]

資料來源httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 24 -

圖 2-9LED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

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

- 25 -

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

31 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

311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

312一次一因子實驗法 (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

313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

以致形成太多實驗組合此方法的缺點為需要耗費大量的時間與金錢

- 26 -

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

314田口式直交表實驗法 (Taguchirsquos 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(23

)直交表的定義在於3個因子(ABC)各具2水準(1

2)實驗次數為83行中各水準出現的頻率是相同的(各水準出現的次數一

樣12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(ldquobalanced) 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(23

)L8(27

)L12(211

)L16(215

)L32(231

)

(2)三水準的直交表L9(34

)L18(21

times37

)L27(313

)L36(211

times312

) L36(23

times

313

) L54(21

times325

)

(3)四水準的直交表L16(45

)L32(21

times49

)(4)五水準的直交表L25(56

)

L50(21

times511

)

- 27 -

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

times31

)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

- 28 -

32 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 01mAElectrical 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 voltageVj)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

- 29 -

溫度 Ta的關係式3-1式表示〔4〕2-2式

-Kj=(dVjd 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 ndash 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 (25406080 )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 ndash Tj 之關係 (Kj)

如圖 3-5所示

當 LED持續在操作電流 IH(20mA)下啟動待穩定之後 (如30 min)

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

- 30 -

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

到該系統下 LED的 junction temperature圖 3-7推算實際 Tj

- 31 -

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

資料來源〔22〕

- 32 -

如表 3-3L4(23

)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 3-4LED 於各溫度下之 VFIM

Oven temperature () VF (V) 100uA

25 248x

40 246x

60 243x

80 239x

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 25: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 12 -

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

22-4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 jminuss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 jminusa 可分為三部分 R j-a = R j-s + R s-b + R b-a 因此如

何降低總熱阻 R jminusa 將能增加其散熱功能

- 13 -

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

23 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

- 14 -

231 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

- 15 -

232 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 BoardPCB)

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 036Wm)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 PCBMCPCB)

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 Wm ~ 3 Wm

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

- 16 -

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

233 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

234 驅動器

LED屬於低壓直流元件其正向導通電壓的一般約為 30V~34V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

- 17 -

(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

235 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

- 18 -

表 2-1 材料熱傳導係數 k值(單位 WmmiddotK) [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 58 804

環氧樹脂 --- 6

FR4-PCB板 --- 2

玻璃 076 138

電木 0233 ---

橡膠 013~023

空氣 --- 0024~0026

資料來源 httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

- 19 -

表 2-2 LED產業照明專業術語[25]

專業術語 說明

光通量

(Luminous fluxΦ)

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 intensityI)

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

( KelvinK)

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

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

- 20 -

表 2-3 LED燈泡主要規格項目

效能 廠牌 7W 燈泡

重量 (Weight) 105g plusmn 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 lmW暖光 55 lmW

光源壽命 (Rated Life(Ta=25)) 40000 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

資料來源自製

- 21 -

圖 2-1 LED在不同工作溫度使用壽命趨勢圖[26]

資料來源httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

圖 2-2 LED封裝結構介紹[27]

資料來源httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

- 22 -

圖 2-3 Power -LED- Assembly[28]

資料來源

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-

Power-LED-Assemblyhtml

圖 2-4 金屬芯基板結構圖

圖 2-5 導熱材料[29]

資料來源

httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

- 23 -

圖 2-6 AC-DC恒流驅動器[30]

資料來源httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

圖 2-7散熱風扇[31]

資料來源httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

圖 2-8 熱管[32]

資料來源httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 24 -

圖 2-9LED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

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

- 25 -

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

31 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

311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

312一次一因子實驗法 (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

313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

以致形成太多實驗組合此方法的缺點為需要耗費大量的時間與金錢

- 26 -

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

314田口式直交表實驗法 (Taguchirsquos 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(23

)直交表的定義在於3個因子(ABC)各具2水準(1

2)實驗次數為83行中各水準出現的頻率是相同的(各水準出現的次數一

樣12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(ldquobalanced) 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(23

)L8(27

)L12(211

)L16(215

)L32(231

)

(2)三水準的直交表L9(34

)L18(21

times37

)L27(313

)L36(211

times312

) L36(23

times

313

) L54(21

times325

)

(3)四水準的直交表L16(45

)L32(21

times49

)(4)五水準的直交表L25(56

)

L50(21

times511

)

- 27 -

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

times31

)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

- 28 -

32 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 01mAElectrical 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 voltageVj)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

- 29 -

溫度 Ta的關係式3-1式表示〔4〕2-2式

-Kj=(dVjd 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 ndash 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 (25406080 )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 ndash Tj 之關係 (Kj)

如圖 3-5所示

當 LED持續在操作電流 IH(20mA)下啟動待穩定之後 (如30 min)

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

- 30 -

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

到該系統下 LED的 junction temperature圖 3-7推算實際 Tj

- 31 -

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

資料來源〔22〕

- 32 -

如表 3-3L4(23

)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 3-4LED 於各溫度下之 VFIM

Oven temperature () VF (V) 100uA

25 248x

40 246x

60 243x

80 239x

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 26: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 13 -

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

23 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

- 14 -

231 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

- 15 -

232 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 BoardPCB)

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 036Wm)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 PCBMCPCB)

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 Wm ~ 3 Wm

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

- 16 -

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

233 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

234 驅動器

LED屬於低壓直流元件其正向導通電壓的一般約為 30V~34V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

- 17 -

(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

235 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

- 18 -

表 2-1 材料熱傳導係數 k值(單位 WmmiddotK) [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 58 804

環氧樹脂 --- 6

FR4-PCB板 --- 2

玻璃 076 138

電木 0233 ---

橡膠 013~023

空氣 --- 0024~0026

資料來源 httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

- 19 -

表 2-2 LED產業照明專業術語[25]

專業術語 說明

光通量

(Luminous fluxΦ)

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 intensityI)

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

( KelvinK)

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

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

- 20 -

表 2-3 LED燈泡主要規格項目

效能 廠牌 7W 燈泡

重量 (Weight) 105g plusmn 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 lmW暖光 55 lmW

光源壽命 (Rated Life(Ta=25)) 40000 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

資料來源自製

- 21 -

圖 2-1 LED在不同工作溫度使用壽命趨勢圖[26]

資料來源httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

圖 2-2 LED封裝結構介紹[27]

資料來源httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

- 22 -

圖 2-3 Power -LED- Assembly[28]

資料來源

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-

Power-LED-Assemblyhtml

圖 2-4 金屬芯基板結構圖

圖 2-5 導熱材料[29]

資料來源

httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

- 23 -

圖 2-6 AC-DC恒流驅動器[30]

資料來源httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

圖 2-7散熱風扇[31]

資料來源httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

圖 2-8 熱管[32]

資料來源httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 24 -

圖 2-9LED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

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

- 25 -

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

31 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

311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

312一次一因子實驗法 (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

313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

以致形成太多實驗組合此方法的缺點為需要耗費大量的時間與金錢

- 26 -

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

314田口式直交表實驗法 (Taguchirsquos 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(23

)直交表的定義在於3個因子(ABC)各具2水準(1

2)實驗次數為83行中各水準出現的頻率是相同的(各水準出現的次數一

樣12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(ldquobalanced) 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(23

)L8(27

)L12(211

)L16(215

)L32(231

)

(2)三水準的直交表L9(34

)L18(21

times37

)L27(313

)L36(211

times312

) L36(23

times

313

) L54(21

times325

)

(3)四水準的直交表L16(45

)L32(21

times49

)(4)五水準的直交表L25(56

)

L50(21

times511

)

- 27 -

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

times31

)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

- 28 -

32 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 01mAElectrical 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 voltageVj)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

- 29 -

溫度 Ta的關係式3-1式表示〔4〕2-2式

-Kj=(dVjd 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 ndash 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 (25406080 )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 ndash Tj 之關係 (Kj)

如圖 3-5所示

當 LED持續在操作電流 IH(20mA)下啟動待穩定之後 (如30 min)

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

- 30 -

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

到該系統下 LED的 junction temperature圖 3-7推算實際 Tj

- 31 -

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

資料來源〔22〕

- 32 -

如表 3-3L4(23

)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 3-4LED 於各溫度下之 VFIM

Oven temperature () VF (V) 100uA

25 248x

40 246x

60 243x

80 239x

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

文獻參考

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Page 27: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 14 -

231 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

- 15 -

232 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 BoardPCB)

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 036Wm)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 PCBMCPCB)

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 Wm ~ 3 Wm

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

- 16 -

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

233 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

234 驅動器

LED屬於低壓直流元件其正向導通電壓的一般約為 30V~34V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

- 17 -

(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

235 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

- 18 -

表 2-1 材料熱傳導係數 k值(單位 WmmiddotK) [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 58 804

環氧樹脂 --- 6

FR4-PCB板 --- 2

玻璃 076 138

電木 0233 ---

橡膠 013~023

空氣 --- 0024~0026

資料來源 httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

- 19 -

表 2-2 LED產業照明專業術語[25]

專業術語 說明

光通量

(Luminous fluxΦ)

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 intensityI)

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

( KelvinK)

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

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

- 20 -

表 2-3 LED燈泡主要規格項目

效能 廠牌 7W 燈泡

重量 (Weight) 105g plusmn 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 lmW暖光 55 lmW

光源壽命 (Rated Life(Ta=25)) 40000 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

資料來源自製

- 21 -

圖 2-1 LED在不同工作溫度使用壽命趨勢圖[26]

資料來源httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

圖 2-2 LED封裝結構介紹[27]

資料來源httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

- 22 -

圖 2-3 Power -LED- Assembly[28]

資料來源

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-

Power-LED-Assemblyhtml

圖 2-4 金屬芯基板結構圖

圖 2-5 導熱材料[29]

資料來源

httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

- 23 -

圖 2-6 AC-DC恒流驅動器[30]

資料來源httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

圖 2-7散熱風扇[31]

資料來源httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

圖 2-8 熱管[32]

資料來源httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 24 -

圖 2-9LED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

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

- 25 -

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

31 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

311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

312一次一因子實驗法 (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

313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

以致形成太多實驗組合此方法的缺點為需要耗費大量的時間與金錢

- 26 -

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

314田口式直交表實驗法 (Taguchirsquos 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(23

)直交表的定義在於3個因子(ABC)各具2水準(1

2)實驗次數為83行中各水準出現的頻率是相同的(各水準出現的次數一

樣12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(ldquobalanced) 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(23

)L8(27

)L12(211

)L16(215

)L32(231

)

(2)三水準的直交表L9(34

)L18(21

times37

)L27(313

)L36(211

times312

) L36(23

times

313

) L54(21

times325

)

(3)四水準的直交表L16(45

)L32(21

times49

)(4)五水準的直交表L25(56

)

L50(21

times511

)

- 27 -

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

times31

)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

- 28 -

32 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 01mAElectrical 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 voltageVj)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

- 29 -

溫度 Ta的關係式3-1式表示〔4〕2-2式

-Kj=(dVjd 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 ndash 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 (25406080 )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 ndash Tj 之關係 (Kj)

如圖 3-5所示

當 LED持續在操作電流 IH(20mA)下啟動待穩定之後 (如30 min)

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

- 30 -

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

到該系統下 LED的 junction temperature圖 3-7推算實際 Tj

- 31 -

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

資料來源〔22〕

- 32 -

如表 3-3L4(23

)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 3-4LED 於各溫度下之 VFIM

Oven temperature () VF (V) 100uA

25 248x

40 246x

60 243x

80 239x

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 28: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 15 -

232 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 BoardPCB)

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 036Wm)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 PCBMCPCB)

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 Wm ~ 3 Wm

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

- 16 -

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

233 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

234 驅動器

LED屬於低壓直流元件其正向導通電壓的一般約為 30V~34V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

- 17 -

(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

235 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

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表 2-1 材料熱傳導係數 k值(單位 WmmiddotK) [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 58 804

環氧樹脂 --- 6

FR4-PCB板 --- 2

玻璃 076 138

電木 0233 ---

橡膠 013~023

空氣 --- 0024~0026

資料來源 httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

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表 2-2 LED產業照明專業術語[25]

專業術語 說明

光通量

(Luminous fluxΦ)

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 intensityI)

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

( KelvinK)

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

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

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表 2-3 LED燈泡主要規格項目

效能 廠牌 7W 燈泡

重量 (Weight) 105g plusmn 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 lmW暖光 55 lmW

光源壽命 (Rated Life(Ta=25)) 40000 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

資料來源自製

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圖 2-1 LED在不同工作溫度使用壽命趨勢圖[26]

資料來源httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

圖 2-2 LED封裝結構介紹[27]

資料來源httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

- 22 -

圖 2-3 Power -LED- Assembly[28]

資料來源

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-

Power-LED-Assemblyhtml

圖 2-4 金屬芯基板結構圖

圖 2-5 導熱材料[29]

資料來源

httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

- 23 -

圖 2-6 AC-DC恒流驅動器[30]

資料來源httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

圖 2-7散熱風扇[31]

資料來源httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

圖 2-8 熱管[32]

資料來源httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 24 -

圖 2-9LED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

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

- 25 -

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

31 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

311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

312一次一因子實驗法 (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

313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

以致形成太多實驗組合此方法的缺點為需要耗費大量的時間與金錢

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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

314田口式直交表實驗法 (Taguchirsquos 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(23

)直交表的定義在於3個因子(ABC)各具2水準(1

2)實驗次數為83行中各水準出現的頻率是相同的(各水準出現的次數一

樣12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(ldquobalanced) 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(23

)L8(27

)L12(211

)L16(215

)L32(231

)

(2)三水準的直交表L9(34

)L18(21

times37

)L27(313

)L36(211

times312

) L36(23

times

313

) L54(21

times325

)

(3)四水準的直交表L16(45

)L32(21

times49

)(4)五水準的直交表L25(56

)

L50(21

times511

)

- 27 -

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

times31

)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

- 28 -

32 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 01mAElectrical 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 voltageVj)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

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溫度 Ta的關係式3-1式表示〔4〕2-2式

-Kj=(dVjd 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 ndash 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 (25406080 )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 ndash Tj 之關係 (Kj)

如圖 3-5所示

當 LED持續在操作電流 IH(20mA)下啟動待穩定之後 (如30 min)

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

- 30 -

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

到該系統下 LED的 junction temperature圖 3-7推算實際 Tj

- 31 -

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

資料來源〔22〕

- 32 -

如表 3-3L4(23

)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 3-4LED 於各溫度下之 VFIM

Oven temperature () VF (V) 100uA

25 248x

40 246x

60 243x

80 239x

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

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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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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[25]gt wwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

[26]gt httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

[27]gt httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

[28]gt

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-P

ower-LED-Assemblyhtml

[29]gt httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

[30]gt httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

[31]gt httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

[32]gt httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 82 -

[33]gt

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

[34]gt

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-junction-temperat

ure-of-leds-with-thermal-management-materials

[35]gt

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184h

tml

[36]gt

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

Page 29: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 16 -

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

233 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

234 驅動器

LED屬於低壓直流元件其正向導通電壓的一般約為 30V~34V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

- 17 -

(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

235 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

- 18 -

表 2-1 材料熱傳導係數 k值(單位 WmmiddotK) [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 58 804

環氧樹脂 --- 6

FR4-PCB板 --- 2

玻璃 076 138

電木 0233 ---

橡膠 013~023

空氣 --- 0024~0026

資料來源 httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

- 19 -

表 2-2 LED產業照明專業術語[25]

專業術語 說明

光通量

(Luminous fluxΦ)

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 intensityI)

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

( KelvinK)

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

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

- 20 -

表 2-3 LED燈泡主要規格項目

效能 廠牌 7W 燈泡

重量 (Weight) 105g plusmn 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 lmW暖光 55 lmW

光源壽命 (Rated Life(Ta=25)) 40000 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

資料來源自製

- 21 -

圖 2-1 LED在不同工作溫度使用壽命趨勢圖[26]

資料來源httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

圖 2-2 LED封裝結構介紹[27]

資料來源httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

- 22 -

圖 2-3 Power -LED- Assembly[28]

資料來源

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-

Power-LED-Assemblyhtml

圖 2-4 金屬芯基板結構圖

圖 2-5 導熱材料[29]

資料來源

httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

- 23 -

圖 2-6 AC-DC恒流驅動器[30]

資料來源httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

圖 2-7散熱風扇[31]

資料來源httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

圖 2-8 熱管[32]

資料來源httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 24 -

圖 2-9LED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

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

- 25 -

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

31 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

311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

312一次一因子實驗法 (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

313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

以致形成太多實驗組合此方法的缺點為需要耗費大量的時間與金錢

- 26 -

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

314田口式直交表實驗法 (Taguchirsquos 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(23

)直交表的定義在於3個因子(ABC)各具2水準(1

2)實驗次數為83行中各水準出現的頻率是相同的(各水準出現的次數一

樣12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(ldquobalanced) 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(23

)L8(27

)L12(211

)L16(215

)L32(231

)

(2)三水準的直交表L9(34

)L18(21

times37

)L27(313

)L36(211

times312

) L36(23

times

313

) L54(21

times325

)

(3)四水準的直交表L16(45

)L32(21

times49

)(4)五水準的直交表L25(56

)

L50(21

times511

)

- 27 -

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

times31

)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

- 28 -

32 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 01mAElectrical 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 voltageVj)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

- 29 -

溫度 Ta的關係式3-1式表示〔4〕2-2式

-Kj=(dVjd 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 ndash 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 (25406080 )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 ndash Tj 之關係 (Kj)

如圖 3-5所示

當 LED持續在操作電流 IH(20mA)下啟動待穩定之後 (如30 min)

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

- 30 -

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

到該系統下 LED的 junction temperature圖 3-7推算實際 Tj

- 31 -

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

資料來源〔22〕

- 32 -

如表 3-3L4(23

)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 3-4LED 於各溫度下之 VFIM

Oven temperature () VF (V) 100uA

25 248x

40 246x

60 243x

80 239x

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

文獻參考

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tml

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Page 30: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 17 -

(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

235 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

- 18 -

表 2-1 材料熱傳導係數 k值(單位 WmmiddotK) [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 58 804

環氧樹脂 --- 6

FR4-PCB板 --- 2

玻璃 076 138

電木 0233 ---

橡膠 013~023

空氣 --- 0024~0026

資料來源 httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

- 19 -

表 2-2 LED產業照明專業術語[25]

專業術語 說明

光通量

(Luminous fluxΦ)

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 intensityI)

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

( KelvinK)

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

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

- 20 -

表 2-3 LED燈泡主要規格項目

效能 廠牌 7W 燈泡

重量 (Weight) 105g plusmn 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 lmW暖光 55 lmW

光源壽命 (Rated Life(Ta=25)) 40000 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

資料來源自製

- 21 -

圖 2-1 LED在不同工作溫度使用壽命趨勢圖[26]

資料來源httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

圖 2-2 LED封裝結構介紹[27]

資料來源httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

- 22 -

圖 2-3 Power -LED- Assembly[28]

資料來源

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-

Power-LED-Assemblyhtml

圖 2-4 金屬芯基板結構圖

圖 2-5 導熱材料[29]

資料來源

httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

- 23 -

圖 2-6 AC-DC恒流驅動器[30]

資料來源httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

圖 2-7散熱風扇[31]

資料來源httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

圖 2-8 熱管[32]

資料來源httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 24 -

圖 2-9LED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

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

- 25 -

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

31 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

311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

312一次一因子實驗法 (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

313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

以致形成太多實驗組合此方法的缺點為需要耗費大量的時間與金錢

- 26 -

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

314田口式直交表實驗法 (Taguchirsquos 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(23

)直交表的定義在於3個因子(ABC)各具2水準(1

2)實驗次數為83行中各水準出現的頻率是相同的(各水準出現的次數一

樣12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(ldquobalanced) 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(23

)L8(27

)L12(211

)L16(215

)L32(231

)

(2)三水準的直交表L9(34

)L18(21

times37

)L27(313

)L36(211

times312

) L36(23

times

313

) L54(21

times325

)

(3)四水準的直交表L16(45

)L32(21

times49

)(4)五水準的直交表L25(56

)

L50(21

times511

)

- 27 -

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

times31

)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

- 28 -

32 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 01mAElectrical 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 voltageVj)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

- 29 -

溫度 Ta的關係式3-1式表示〔4〕2-2式

-Kj=(dVjd 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 ndash 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 (25406080 )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 ndash Tj 之關係 (Kj)

如圖 3-5所示

當 LED持續在操作電流 IH(20mA)下啟動待穩定之後 (如30 min)

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

- 30 -

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

到該系統下 LED的 junction temperature圖 3-7推算實際 Tj

- 31 -

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

資料來源〔22〕

- 32 -

如表 3-3L4(23

)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 3-4LED 於各溫度下之 VFIM

Oven temperature () VF (V) 100uA

25 248x

40 246x

60 243x

80 239x

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

文獻參考

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tml

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Page 31: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 18 -

表 2-1 材料熱傳導係數 k值(單位 WmmiddotK) [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 58 804

環氧樹脂 --- 6

FR4-PCB板 --- 2

玻璃 076 138

電木 0233 ---

橡膠 013~023

空氣 --- 0024~0026

資料來源 httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

- 19 -

表 2-2 LED產業照明專業術語[25]

專業術語 說明

光通量

(Luminous fluxΦ)

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 intensityI)

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

( KelvinK)

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

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

- 20 -

表 2-3 LED燈泡主要規格項目

效能 廠牌 7W 燈泡

重量 (Weight) 105g plusmn 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 lmW暖光 55 lmW

光源壽命 (Rated Life(Ta=25)) 40000 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

資料來源自製

- 21 -

圖 2-1 LED在不同工作溫度使用壽命趨勢圖[26]

資料來源httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

圖 2-2 LED封裝結構介紹[27]

資料來源httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

- 22 -

圖 2-3 Power -LED- Assembly[28]

資料來源

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-

Power-LED-Assemblyhtml

圖 2-4 金屬芯基板結構圖

圖 2-5 導熱材料[29]

資料來源

httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

- 23 -

圖 2-6 AC-DC恒流驅動器[30]

資料來源httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

圖 2-7散熱風扇[31]

資料來源httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

圖 2-8 熱管[32]

資料來源httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 24 -

圖 2-9LED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

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

- 25 -

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

31 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

311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

312一次一因子實驗法 (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

313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

以致形成太多實驗組合此方法的缺點為需要耗費大量的時間與金錢

- 26 -

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

314田口式直交表實驗法 (Taguchirsquos 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(23

)直交表的定義在於3個因子(ABC)各具2水準(1

2)實驗次數為83行中各水準出現的頻率是相同的(各水準出現的次數一

樣12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(ldquobalanced) 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(23

)L8(27

)L12(211

)L16(215

)L32(231

)

(2)三水準的直交表L9(34

)L18(21

times37

)L27(313

)L36(211

times312

) L36(23

times

313

) L54(21

times325

)

(3)四水準的直交表L16(45

)L32(21

times49

)(4)五水準的直交表L25(56

)

L50(21

times511

)

- 27 -

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

times31

)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

- 28 -

32 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 01mAElectrical 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 voltageVj)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

- 29 -

溫度 Ta的關係式3-1式表示〔4〕2-2式

-Kj=(dVjd 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 ndash 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 (25406080 )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 ndash Tj 之關係 (Kj)

如圖 3-5所示

當 LED持續在操作電流 IH(20mA)下啟動待穩定之後 (如30 min)

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

- 30 -

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

到該系統下 LED的 junction temperature圖 3-7推算實際 Tj

- 31 -

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

資料來源〔22〕

- 32 -

如表 3-3L4(23

)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 3-4LED 於各溫度下之 VFIM

Oven temperature () VF (V) 100uA

25 248x

40 246x

60 243x

80 239x

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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tml

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Page 32: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 19 -

表 2-2 LED產業照明專業術語[25]

專業術語 說明

光通量

(Luminous fluxΦ)

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 intensityI)

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

( KelvinK)

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

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

- 20 -

表 2-3 LED燈泡主要規格項目

效能 廠牌 7W 燈泡

重量 (Weight) 105g plusmn 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 lmW暖光 55 lmW

光源壽命 (Rated Life(Ta=25)) 40000 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

資料來源自製

- 21 -

圖 2-1 LED在不同工作溫度使用壽命趨勢圖[26]

資料來源httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

圖 2-2 LED封裝結構介紹[27]

資料來源httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

- 22 -

圖 2-3 Power -LED- Assembly[28]

資料來源

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-

Power-LED-Assemblyhtml

圖 2-4 金屬芯基板結構圖

圖 2-5 導熱材料[29]

資料來源

httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

- 23 -

圖 2-6 AC-DC恒流驅動器[30]

資料來源httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

圖 2-7散熱風扇[31]

資料來源httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

圖 2-8 熱管[32]

資料來源httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 24 -

圖 2-9LED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

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

- 25 -

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

31 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

311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

312一次一因子實驗法 (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

313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

以致形成太多實驗組合此方法的缺點為需要耗費大量的時間與金錢

- 26 -

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

314田口式直交表實驗法 (Taguchirsquos 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(23

)直交表的定義在於3個因子(ABC)各具2水準(1

2)實驗次數為83行中各水準出現的頻率是相同的(各水準出現的次數一

樣12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(ldquobalanced) 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(23

)L8(27

)L12(211

)L16(215

)L32(231

)

(2)三水準的直交表L9(34

)L18(21

times37

)L27(313

)L36(211

times312

) L36(23

times

313

) L54(21

times325

)

(3)四水準的直交表L16(45

)L32(21

times49

)(4)五水準的直交表L25(56

)

L50(21

times511

)

- 27 -

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

times31

)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

- 28 -

32 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 01mAElectrical 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 voltageVj)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

- 29 -

溫度 Ta的關係式3-1式表示〔4〕2-2式

-Kj=(dVjd 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 ndash 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 (25406080 )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 ndash Tj 之關係 (Kj)

如圖 3-5所示

當 LED持續在操作電流 IH(20mA)下啟動待穩定之後 (如30 min)

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

- 30 -

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

到該系統下 LED的 junction temperature圖 3-7推算實際 Tj

- 31 -

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

資料來源〔22〕

- 32 -

如表 3-3L4(23

)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 3-4LED 於各溫度下之 VFIM

Oven temperature () VF (V) 100uA

25 248x

40 246x

60 243x

80 239x

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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tml

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Page 33: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 20 -

表 2-3 LED燈泡主要規格項目

效能 廠牌 7W 燈泡

重量 (Weight) 105g plusmn 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 lmW暖光 55 lmW

光源壽命 (Rated Life(Ta=25)) 40000 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

資料來源自製

- 21 -

圖 2-1 LED在不同工作溫度使用壽命趨勢圖[26]

資料來源httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

圖 2-2 LED封裝結構介紹[27]

資料來源httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

- 22 -

圖 2-3 Power -LED- Assembly[28]

資料來源

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-

Power-LED-Assemblyhtml

圖 2-4 金屬芯基板結構圖

圖 2-5 導熱材料[29]

資料來源

httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

- 23 -

圖 2-6 AC-DC恒流驅動器[30]

資料來源httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

圖 2-7散熱風扇[31]

資料來源httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

圖 2-8 熱管[32]

資料來源httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 24 -

圖 2-9LED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

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

- 25 -

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

31 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

311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

312一次一因子實驗法 (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

313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

以致形成太多實驗組合此方法的缺點為需要耗費大量的時間與金錢

- 26 -

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

314田口式直交表實驗法 (Taguchirsquos 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(23

)直交表的定義在於3個因子(ABC)各具2水準(1

2)實驗次數為83行中各水準出現的頻率是相同的(各水準出現的次數一

樣12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(ldquobalanced) 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(23

)L8(27

)L12(211

)L16(215

)L32(231

)

(2)三水準的直交表L9(34

)L18(21

times37

)L27(313

)L36(211

times312

) L36(23

times

313

) L54(21

times325

)

(3)四水準的直交表L16(45

)L32(21

times49

)(4)五水準的直交表L25(56

)

L50(21

times511

)

- 27 -

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

times31

)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

- 28 -

32 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 01mAElectrical 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 voltageVj)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

- 29 -

溫度 Ta的關係式3-1式表示〔4〕2-2式

-Kj=(dVjd 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 ndash 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 (25406080 )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 ndash Tj 之關係 (Kj)

如圖 3-5所示

當 LED持續在操作電流 IH(20mA)下啟動待穩定之後 (如30 min)

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

- 30 -

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

到該系統下 LED的 junction temperature圖 3-7推算實際 Tj

- 31 -

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

資料來源〔22〕

- 32 -

如表 3-3L4(23

)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 3-4LED 於各溫度下之 VFIM

Oven temperature () VF (V) 100uA

25 248x

40 246x

60 243x

80 239x

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 34: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 21 -

圖 2-1 LED在不同工作溫度使用壽命趨勢圖[26]

資料來源httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

圖 2-2 LED封裝結構介紹[27]

資料來源httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

- 22 -

圖 2-3 Power -LED- Assembly[28]

資料來源

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-

Power-LED-Assemblyhtml

圖 2-4 金屬芯基板結構圖

圖 2-5 導熱材料[29]

資料來源

httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

- 23 -

圖 2-6 AC-DC恒流驅動器[30]

資料來源httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

圖 2-7散熱風扇[31]

資料來源httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

圖 2-8 熱管[32]

資料來源httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 24 -

圖 2-9LED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

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

- 25 -

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

31 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

311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

312一次一因子實驗法 (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

313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

以致形成太多實驗組合此方法的缺點為需要耗費大量的時間與金錢

- 26 -

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

314田口式直交表實驗法 (Taguchirsquos 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(23

)直交表的定義在於3個因子(ABC)各具2水準(1

2)實驗次數為83行中各水準出現的頻率是相同的(各水準出現的次數一

樣12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(ldquobalanced) 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(23

)L8(27

)L12(211

)L16(215

)L32(231

)

(2)三水準的直交表L9(34

)L18(21

times37

)L27(313

)L36(211

times312

) L36(23

times

313

) L54(21

times325

)

(3)四水準的直交表L16(45

)L32(21

times49

)(4)五水準的直交表L25(56

)

L50(21

times511

)

- 27 -

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

times31

)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

- 28 -

32 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 01mAElectrical 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 voltageVj)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

- 29 -

溫度 Ta的關係式3-1式表示〔4〕2-2式

-Kj=(dVjd 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 ndash 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 (25406080 )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 ndash Tj 之關係 (Kj)

如圖 3-5所示

當 LED持續在操作電流 IH(20mA)下啟動待穩定之後 (如30 min)

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

- 30 -

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

到該系統下 LED的 junction temperature圖 3-7推算實際 Tj

- 31 -

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

資料來源〔22〕

- 32 -

如表 3-3L4(23

)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 3-4LED 於各溫度下之 VFIM

Oven temperature () VF (V) 100uA

25 248x

40 246x

60 243x

80 239x

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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tml

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Page 35: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 22 -

圖 2-3 Power -LED- Assembly[28]

資料來源

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-

Power-LED-Assemblyhtml

圖 2-4 金屬芯基板結構圖

圖 2-5 導熱材料[29]

資料來源

httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

- 23 -

圖 2-6 AC-DC恒流驅動器[30]

資料來源httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

圖 2-7散熱風扇[31]

資料來源httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

圖 2-8 熱管[32]

資料來源httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 24 -

圖 2-9LED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

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

- 25 -

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

31 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

311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

312一次一因子實驗法 (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

313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

以致形成太多實驗組合此方法的缺點為需要耗費大量的時間與金錢

- 26 -

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

314田口式直交表實驗法 (Taguchirsquos 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(23

)直交表的定義在於3個因子(ABC)各具2水準(1

2)實驗次數為83行中各水準出現的頻率是相同的(各水準出現的次數一

樣12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(ldquobalanced) 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(23

)L8(27

)L12(211

)L16(215

)L32(231

)

(2)三水準的直交表L9(34

)L18(21

times37

)L27(313

)L36(211

times312

) L36(23

times

313

) L54(21

times325

)

(3)四水準的直交表L16(45

)L32(21

times49

)(4)五水準的直交表L25(56

)

L50(21

times511

)

- 27 -

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

times31

)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

- 28 -

32 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 01mAElectrical 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 voltageVj)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

- 29 -

溫度 Ta的關係式3-1式表示〔4〕2-2式

-Kj=(dVjd 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 ndash 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 (25406080 )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 ndash Tj 之關係 (Kj)

如圖 3-5所示

當 LED持續在操作電流 IH(20mA)下啟動待穩定之後 (如30 min)

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

- 30 -

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

到該系統下 LED的 junction temperature圖 3-7推算實際 Tj

- 31 -

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

資料來源〔22〕

- 32 -

如表 3-3L4(23

)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 3-4LED 於各溫度下之 VFIM

Oven temperature () VF (V) 100uA

25 248x

40 246x

60 243x

80 239x

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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tml

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Page 36: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 23 -

圖 2-6 AC-DC恒流驅動器[30]

資料來源httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

圖 2-7散熱風扇[31]

資料來源httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

圖 2-8 熱管[32]

資料來源httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 24 -

圖 2-9LED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

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

- 25 -

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

31 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

311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

312一次一因子實驗法 (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

313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

以致形成太多實驗組合此方法的缺點為需要耗費大量的時間與金錢

- 26 -

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

314田口式直交表實驗法 (Taguchirsquos 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(23

)直交表的定義在於3個因子(ABC)各具2水準(1

2)實驗次數為83行中各水準出現的頻率是相同的(各水準出現的次數一

樣12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(ldquobalanced) 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(23

)L8(27

)L12(211

)L16(215

)L32(231

)

(2)三水準的直交表L9(34

)L18(21

times37

)L27(313

)L36(211

times312

) L36(23

times

313

) L54(21

times325

)

(3)四水準的直交表L16(45

)L32(21

times49

)(4)五水準的直交表L25(56

)

L50(21

times511

)

- 27 -

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

times31

)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

- 28 -

32 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 01mAElectrical 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 voltageVj)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

- 29 -

溫度 Ta的關係式3-1式表示〔4〕2-2式

-Kj=(dVjd 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 ndash 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 (25406080 )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 ndash Tj 之關係 (Kj)

如圖 3-5所示

當 LED持續在操作電流 IH(20mA)下啟動待穩定之後 (如30 min)

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

- 30 -

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

到該系統下 LED的 junction temperature圖 3-7推算實際 Tj

- 31 -

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

資料來源〔22〕

- 32 -

如表 3-3L4(23

)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 3-4LED 於各溫度下之 VFIM

Oven temperature () VF (V) 100uA

25 248x

40 246x

60 243x

80 239x

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

文獻參考

[1] 經濟部標準檢驗局九十七年度專案成果報告「節約能源產業產品標

準安全及性能檢測技術先期研究及導入委辦計劃」

[2] 伊東新太郎著鄭振東譯「LED淺說光電技術入門」

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Page 37: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 24 -

圖 2-9LED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

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73c8789ampno=328

- 25 -

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

31 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

311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

312一次一因子實驗法 (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

313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

以致形成太多實驗組合此方法的缺點為需要耗費大量的時間與金錢

- 26 -

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

314田口式直交表實驗法 (Taguchirsquos 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(23

)直交表的定義在於3個因子(ABC)各具2水準(1

2)實驗次數為83行中各水準出現的頻率是相同的(各水準出現的次數一

樣12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(ldquobalanced) 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(23

)L8(27

)L12(211

)L16(215

)L32(231

)

(2)三水準的直交表L9(34

)L18(21

times37

)L27(313

)L36(211

times312

) L36(23

times

313

) L54(21

times325

)

(3)四水準的直交表L16(45

)L32(21

times49

)(4)五水準的直交表L25(56

)

L50(21

times511

)

- 27 -

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

times31

)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

- 28 -

32 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 01mAElectrical 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 voltageVj)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

- 29 -

溫度 Ta的關係式3-1式表示〔4〕2-2式

-Kj=(dVjd 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 ndash 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 (25406080 )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 ndash Tj 之關係 (Kj)

如圖 3-5所示

當 LED持續在操作電流 IH(20mA)下啟動待穩定之後 (如30 min)

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

- 30 -

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

到該系統下 LED的 junction temperature圖 3-7推算實際 Tj

- 31 -

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

資料來源〔22〕

- 32 -

如表 3-3L4(23

)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 3-4LED 於各溫度下之 VFIM

Oven temperature () VF (V) 100uA

25 248x

40 246x

60 243x

80 239x

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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- 82 -

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Page 38: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 25 -

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

31 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

311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

312一次一因子實驗法 (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

313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

以致形成太多實驗組合此方法的缺點為需要耗費大量的時間與金錢

- 26 -

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

314田口式直交表實驗法 (Taguchirsquos 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(23

)直交表的定義在於3個因子(ABC)各具2水準(1

2)實驗次數為83行中各水準出現的頻率是相同的(各水準出現的次數一

樣12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(ldquobalanced) 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(23

)L8(27

)L12(211

)L16(215

)L32(231

)

(2)三水準的直交表L9(34

)L18(21

times37

)L27(313

)L36(211

times312

) L36(23

times

313

) L54(21

times325

)

(3)四水準的直交表L16(45

)L32(21

times49

)(4)五水準的直交表L25(56

)

L50(21

times511

)

- 27 -

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

times31

)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

- 28 -

32 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 01mAElectrical 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 voltageVj)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

- 29 -

溫度 Ta的關係式3-1式表示〔4〕2-2式

-Kj=(dVjd 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 ndash 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 (25406080 )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 ndash Tj 之關係 (Kj)

如圖 3-5所示

當 LED持續在操作電流 IH(20mA)下啟動待穩定之後 (如30 min)

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

- 30 -

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

到該系統下 LED的 junction temperature圖 3-7推算實際 Tj

- 31 -

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

資料來源〔22〕

- 32 -

如表 3-3L4(23

)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 3-4LED 於各溫度下之 VFIM

Oven temperature () VF (V) 100uA

25 248x

40 246x

60 243x

80 239x

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 39: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 26 -

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

314田口式直交表實驗法 (Taguchirsquos 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(23

)直交表的定義在於3個因子(ABC)各具2水準(1

2)實驗次數為83行中各水準出現的頻率是相同的(各水準出現的次數一

樣12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(ldquobalanced) 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(23

)L8(27

)L12(211

)L16(215

)L32(231

)

(2)三水準的直交表L9(34

)L18(21

times37

)L27(313

)L36(211

times312

) L36(23

times

313

) L54(21

times325

)

(3)四水準的直交表L16(45

)L32(21

times49

)(4)五水準的直交表L25(56

)

L50(21

times511

)

- 27 -

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

times31

)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

- 28 -

32 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 01mAElectrical 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 voltageVj)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

- 29 -

溫度 Ta的關係式3-1式表示〔4〕2-2式

-Kj=(dVjd 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 ndash 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 (25406080 )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 ndash Tj 之關係 (Kj)

如圖 3-5所示

當 LED持續在操作電流 IH(20mA)下啟動待穩定之後 (如30 min)

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

- 30 -

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

到該系統下 LED的 junction temperature圖 3-7推算實際 Tj

- 31 -

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

資料來源〔22〕

- 32 -

如表 3-3L4(23

)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 3-4LED 於各溫度下之 VFIM

Oven temperature () VF (V) 100uA

25 248x

40 246x

60 243x

80 239x

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 40: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 27 -

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

times31

)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

- 28 -

32 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 01mAElectrical 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 voltageVj)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

- 29 -

溫度 Ta的關係式3-1式表示〔4〕2-2式

-Kj=(dVjd 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 ndash 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 (25406080 )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 ndash Tj 之關係 (Kj)

如圖 3-5所示

當 LED持續在操作電流 IH(20mA)下啟動待穩定之後 (如30 min)

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

- 30 -

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

到該系統下 LED的 junction temperature圖 3-7推算實際 Tj

- 31 -

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

資料來源〔22〕

- 32 -

如表 3-3L4(23

)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 3-4LED 於各溫度下之 VFIM

Oven temperature () VF (V) 100uA

25 248x

40 246x

60 243x

80 239x

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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tml

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httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

Page 41: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 28 -

32 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 01mAElectrical 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 voltageVj)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

- 29 -

溫度 Ta的關係式3-1式表示〔4〕2-2式

-Kj=(dVjd 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 ndash 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 (25406080 )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 ndash Tj 之關係 (Kj)

如圖 3-5所示

當 LED持續在操作電流 IH(20mA)下啟動待穩定之後 (如30 min)

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

- 30 -

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

到該系統下 LED的 junction temperature圖 3-7推算實際 Tj

- 31 -

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

資料來源〔22〕

- 32 -

如表 3-3L4(23

)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 3-4LED 於各溫度下之 VFIM

Oven temperature () VF (V) 100uA

25 248x

40 246x

60 243x

80 239x

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 42: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 29 -

溫度 Ta的關係式3-1式表示〔4〕2-2式

-Kj=(dVjd 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 ndash 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 (25406080 )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 ndash Tj 之關係 (Kj)

如圖 3-5所示

當 LED持續在操作電流 IH(20mA)下啟動待穩定之後 (如30 min)

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

- 30 -

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

到該系統下 LED的 junction temperature圖 3-7推算實際 Tj

- 31 -

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

資料來源〔22〕

- 32 -

如表 3-3L4(23

)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 3-4LED 於各溫度下之 VFIM

Oven temperature () VF (V) 100uA

25 248x

40 246x

60 243x

80 239x

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 43: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 30 -

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

到該系統下 LED的 junction temperature圖 3-7推算實際 Tj

- 31 -

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

資料來源〔22〕

- 32 -

如表 3-3L4(23

)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 3-4LED 於各溫度下之 VFIM

Oven temperature () VF (V) 100uA

25 248x

40 246x

60 243x

80 239x

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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tml

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Page 44: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 31 -

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

資料來源〔22〕

- 32 -

如表 3-3L4(23

)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 3-4LED 於各溫度下之 VFIM

Oven temperature () VF (V) 100uA

25 248x

40 246x

60 243x

80 239x

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 45: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 32 -

如表 3-3L4(23

)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 3-4LED 於各溫度下之 VFIM

Oven temperature () VF (V) 100uA

25 248x

40 246x

60 243x

80 239x

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

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15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

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18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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tml

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Page 46: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 33 -

圖 3-1 Thermal Management of LED[34]

資料來源

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-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

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184ht

ml

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 47: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 34 -

圖 3-3 Keithley (2400 series) [36]

資料來源

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

圖 3-4溫度擷取器 Center 309

如圖 3-5LED 溫度與 VF 100 μA 之關係

y = -63767x + 16121

0

20

40

60

80

100

120

2350 2375 2400 2425 2450 2475 2500VF (V) 100 uA

Te

mp

era

ture

(

)

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 48: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 35 -

圖 3-6LED 操作電流與時間關係圖

圖 3-7推算實際 Tj

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 49: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 36 -

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 04W(驅動電性 33~34V120mA ) 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 165~17V)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

此實驗的導熱材料為發熱源與散熱器的中間傳遞介質選用導熱係

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 50: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 37 -

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 28Wmk鴻酉公司代理的導熱膠 -型號為

SR-8200導熱係數為 10Wmk 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 31 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 51: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 38 -

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

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Exp12FR4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 amp 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(00006A) VF讀值為小數點下3位此時環境溫度 (Ta)

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 52: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 39 -

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 (406080

)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 amp 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 amp 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 amp Vf 關係方程式

y = -00073x + 12576Kj=-00073ΔVf1=12576

(2) Exp2 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1255Kj=-00067ΔVf1= 1255

(3) Exp3 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00066x + 12591Kj=-00066ΔVf1= 12591

(4) Exp4 Ta amp Vf 關係方程式

y =-00062x + 12564Kj=-00062ΔVf1=12564

(5) Exp5 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12615Kj=-00068ΔVf1=12615

(6) Exp6 Ta amp Vf 關係方程式

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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ower-LED-Assemblyhtml

[29]gt httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

[30]gt httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

[31]gt httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

[32]gt httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 82 -

[33]gt

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

[34]gt

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-junction-temperat

ure-of-leds-with-thermal-management-materials

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httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184h

tml

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httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

Page 53: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 40 -

y = -00074x + 12584Kj=-00074ΔVf1=12584

(7) Exp7 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12616Kj=-00067ΔVf1= 12616

(8) Exp8 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00068x + 12614Kj=-00068ΔVf1= 12614

(9) Exp9 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00071x + 12577Kj=-00071ΔVf1=12577

(10) Exp10 Ta amp Vf 關係方程式

y = -0007x + 12656Kj=-0007ΔVf1=12656

(11) Exp11 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 12651Kj=-00067ΔVf1=12651

(12) Exp12 Ta amp Vf 關係方程式

y = -00067x + 1261Kj=-00067ΔVf1=1261

4-2-3 TSP實際量測與紀錄

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 54: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 41 -

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(00006A)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 (036A)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(00006A)時間設定(delay time)同樣為 0ms

4-2-3-3第三段設定量測電流 IM(00006A)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

4-2-3-4LED 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 amp 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 ampΔt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 (036A)時相當於Ttime (ms)為零時的 Tj值 得到以下

多項式

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 55: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 42 -

(1) Exp1-Tj多項式

TExp1 Tj = -29894x3 + 11924x2 - 17283x + 94944

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =94944

(2) Exp2-Tj多項式

Exp2 Tj = -49422x3 + 18552x2 - 24803x + 13161

當 time= x=0時帶入多項式求得=Tj =13161

(3) Exp3-Tj多項式

Exp3 Tj= -42966x3 + 16166x2 - 21656x + 10356

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj= 10356

(4) Exp4-Tj多項式

Exp4 Tj = -41289x3 + 16797x2 - 24319x + 14556

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =14556

(5) Exp5-Tj多項式

Exp5 Tj = -3454x3 + 14896x2 - 23051x + 18123

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =18123

(6) Exp6-Tj多項式

Exp6 Tj = -2567x3 + 10537x2 - 15895x + 98332

當 time= x=0時帶入多項式求得 y =Tj =98332

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 56: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 43 -

(7) Exp7-Tj多項式

Exp7 Tj = -3815x3 + 15533x2 - 2296x + 17378

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=17378

(8) Exp8-Tj多項式

Exp8 Tj = -41834x3 + 15666x2 - 20912x + 106

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =106

(9) Exp9-Tj多項式

Exp9 Tj = -20379x3 + 94496x2 - 16546x + 12666

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=12666

(10) Exp10-Tj多項式

Exp10 Tj = -3945x3 + 1603x2 - 25576x + 21503

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj=21503

(11) Exp11-Tj多項式

Exp11 Tj = -19078x3 + 10753x2 - 21406x + 21205

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =21205

(12) Exp12-Tj多項式

Exp12 Tj = -40154x3 + 15339x2 - 21796x + 12867

當 time= x=0時帶入多項式求得 Tj =12867

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 57: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 44 -

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=949

Ranking2

Exp6 FR4雙層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=983

Ranking3

Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1036

Ranking4

Exp8 FR4雙層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1060

Ranking5

Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼Tj=1267

Ranking6

Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼Tj=1287

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 58: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 45 -

Ranking7

Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼Tj=1316

Ranking8

Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1456

Ranking9

Exp7 FR4雙層電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼Tj=1738

Ranking10

Exp5 FR4雙層電路基板導熱膠-工程塑膠外殼Tj=1812

Ranking11

Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼Tj=2121

Ranking12

Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼Tj=2150

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 59: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 46 -

表 4-1導熱貼片-型號為 30G-TL導熱係數

表 4-2導熱膠 -型號為 SR-8200導熱係數

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 60: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 47 -

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

FR4單層電路基

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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 61: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 48 -

表 4-5各實驗模組於各溫度下 Ta amp Vf 對照表(IM=00006A)

Ta() Exp1 Vf (V) Exp2 Vf (V) Exp3 Vf (V) Exp4 Vf (V)

232 12405 123972 12426 12418

420 12274 122534 12331 12298

622 12124 121536 12182 12202

815 11982 11993 12047 12048

Ta() Exp5 Vf (V) Exp6 Vf (V) Exp7 Vf (V) Exp8 Vf (V)

23 12442 12404 12456 12447

416 12348 12289 12335 1235

602 12217 1214 1224 12201

789 12062 11993 12073 12075

Ta() Exp9 Vf (V) Exp10 Vf (V) Exp11 Vf (V) Exp12 Vf (V)

257 12385 12468 12478 12425

414 12286 12369 12362 1234

628 12151 12242 12263 12202

809 11986 12076 12093 12052

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 62: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 49 -

表 4-6 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp1

Ta 232 Kj -00073 ΔVf1 12576

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

0 NA 0 NA 124316 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 168596 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 123629 -02131 2919 5239

3 Δt2 17965 0019 120751 -05009 6862 9182

4 Δt3 1796509 0028 120781 -04979 6821 9141

5 Δt4 1796519 0038 120882 -04878 6682 9002

6 Δt5 1796527 0046 120949 -04811 6590 8910

7 Δt6 1796536 0055 121006 -04754 6512 8832

8 Δt7 1796546 0065 121036 -04724 6471 8791

9 Δt8 1796555 0074 121072 -04688 6422 8742

10 Δt9 1796564 0083 121096 -04664 6389 8709

11 Δt10 1796573 0092 121114 -04646 6364 8684

12 Δt11 1796583 0102 121124 -04636 6351 8671

13 Δt12 1796592 0111 121142 -04618 6326 8646

14 Δt13 1796602 0121 121161 -04599 6300 8620

15 Δt14 179661 0129 121169 -04591 6289 8609

16 Δt15 1796619 0138 121187 -04573 6264 8584

17 Δt16 1796629 0148 121198 -04562 6249 8569

18 Δt17 1796638 0157 121207 -04553 6237 8557

19 Δt18 1796647 0166 121208 -04552 6236 8556

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 63: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 50 -

表 4-7 Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp2

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1255

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

0 NA 0 NA 1244972 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1663072 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 1208828 -046172 6891 9341

3 Δt2 1796784 0018 1185932 -069068 10309 12759

4 Δt3 1796794 0028 1186802 -068198 10179 12629

5 Δt4 1796804 0038 1187794 -067206 10031 12481

6 Δt5 1796813 0047 1188838 -066162 9875 12325

7 Δt6 1796822 0056 1189492 -065508 9777 12227

8 Δt7 1796832 0066 1189792 -065208 9733 12183

9 Δt8 1796841 0075 1189844 -065156 9725 12175

10 Δt9 1796851 0085 1190512 -064488 9625 12075

11 Δt10 179686 0094 1190598 -064402 9612 12062

12 Δt11 1796869 0103 1190678 -064322 9600 12050

13 Δt12 1796879 0113 1190834 -064166 9577 12027

14 Δt13 1796889 0123 1191052 -063948 9544 11994

15 Δt14 1796897 0131 1191188 -063812 9524 11974

16 Δt15 1796907 0141 1191224 -063776 9519 11969

17 Δt16 1796917 0151 1191576 -063424 9466 11916

18 Δt17 1796926 016 1191554 -063446 9470 11920

19 Δt18 1796936 017 1191746 -063254 9441 11891

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 64: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 51 -

表 4-8 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp3

Ta 254 Kj -00066 ΔVf1 12591

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

0 NA 0 NA 12445 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16873 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 12347 -0244 3697 6237

3 Δt2 1796784 0018 12098 -0493 7470 10010

4 Δt3 1796794 0028 12105 -0486 7364 9904

5 Δt4 1796803 0037 12116 -0475 7197 9737

6 Δt5 1796813 0047 12123 -0468 7091 9631

7 Δt6 1796822 0056 12128 -0463 7015 9555

8 Δt7 1796831 0065 12131 -046 6970 9510

9 Δt8 1796841 0075 12134 -0457 6924 9464

10 Δt9 1796851 0085 12136 -0455 6894 9434

11 Δt10 1796859 0093 12138 -0453 6864 9404

12 Δt11 1796869 0103 12139 -0452 6848 9388

13 Δt12 1796878 0112 12141 -045 6818 9358

14 Δt13 1796888 0122 12143 -0448 6788 9328

15 Δt14 1796897 0131 12143 -0448 6788 9328

16 Δt15 1796906 014 12144 -0447 6773 9313

17 Δt16 1796916 015 12147 -0444 6727 9267

18 Δt17 1796926 016 12147 -0444 6727 9267

19 Δt18 1796936 017 12148 -0443 6712 9252

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 65: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 52 -

表 4-9 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 VF ampΔt關係表

Exp4

Ta 245 Kj -00062 ΔVf1 12564

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

0 NA 0 NA 12437 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16619 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12103 -0461 7435 9885

3 Δt2 1796784 0018 11839 -0725 11694 14144

4 Δt3 1796794 0028 11845 -0719 11597 14047

5 Δt4 1796804 0038 11856 -0708 11419 13869

6 Δt5 1796813 0047 11866 -0698 11258 13708

7 Δt6 1796822 0056 11871 -0693 11177 13627

8 Δt7 1796832 0066 11875 -0689 11113 13563

9 Δt8 1796841 0075 11879 -0685 11048 13498

10 Δt9 1796851 0085 11882 -0682 11000 13450

11 Δt10 179686 0094 11884 -068 10968 13418

12 Δt11 1796869 0103 11885 -0679 10952 13402

13 Δt12 1796879 0113 11887 -0677 10919 13369

14 Δt13 1796889 0123 11889 -0675 10887 13337

15 Δt14 1796897 0131 1189 -0674 10871 13321

16 Δt15 1796907 0141 11892 -0672 10839 13289

17 Δt16 1796917 0151 11892 -0672 10839 13289

18 Δt17 1796926 016 11893 -0671 10823 13273

19 Δt18 1796936 017 11894 -067 10806 13256

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 66: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 53 -

表 4-10 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp5

Ta 252 Kj -00068 ΔVf1 12615

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

0 NA 0 NA 12466 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 1645 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0008 11882 -0733 10779 13299

3 Δt2 1796784 0018 11582 -1033 15191 17711

4 Δt3 1796794 0028 11586 -1029 15132 17652

5 Δt4 1796803 0037 11599 -1016 14941 17461

6 Δt5 1796813 0047 11608 -1007 14809 17329

7 Δt6 1796822 0056 11615 -1 14706 17226

8 Δt7 1796831 0065 11621 -0994 14618 17138

9 Δt8 1796841 0075 11625 -099 14559 17079

10 Δt9 1796851 0085 11628 -0987 14515 17035

11 Δt10 1796859 0093 11631 -0984 14471 16991

12 Δt11 1796869 0103 11633 -0982 14441 16961

13 Δt12 1796879 0113 11636 -0979 14397 16917

14 Δt13 1796888 0122 11637 -0978 14382 16902

15 Δt14 1796897 0131 11638 -0977 14368 16888

16 Δt15 1796907 0141 11639 -0976 14353 16873

17 Δt16 1796916 015 11641 -0974 14324 16844

18 Δt17 1796926 016 11642 -0973 14309 16829

19 Δt18 1796936 017 11643 -0972 14294 16814

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 67: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 54 -

表 4-11 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp6

Ta 232 Kj -00074 ΔVf1 12584

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

0 NA 0 NA 124351 NA NA NA

1 NA 179648 NA 168534 NA NA NA

2 Δt1 1796489 0009 123508 -02332 3151 5471

3 Δt2 1796499 0019 120505 -05335 7209 9529

4 Δt3 1796508 0028 120511 -05329 7201 9521

5 Δt4 1796518 0038 120613 -05227 7064 9384

6 Δt5 1796526 0046 120687 -05153 6964 9284

7 Δt6 1796536 0056 120741 -05099 6891 9211

8 Δt7 1796545 0065 120777 -05063 6842 9162

9 Δt8 1796554 0074 120801 -05039 6809 9129

10 Δt9 1796563 0083 120828 -05012 6773 9093

11 Δt10 1796572 0092 12085 -0499 6743 9063

12 Δt11 1796582 0102 120864 -04976 6724 9044

13 Δt12 1796591 0111 120875 -04965 6709 9029

14 Δt13 1796601 0121 120901 -04939 6674 8994

15 Δt14 1796609 0129 120906 -04934 6668 8988

16 Δt15 1796618 0138 120919 -04921 6650 8970

17 Δt16 1796628 0148 120935 -04905 6628 8948

18 Δt17 1796637 0157 120944 -04896 6616 8936

19 Δt18 1796646 0166 120948 -04892 6611 8931

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 68: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 55 -

表 4-12 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp7

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12616

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

0 NA 0 NA 12422 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16467 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11933 -0683 10194 12714

3 Δt2 1796783 0018 11648 -0968 14448 16968

4 Δt3 1796792 0027 11651 -0965 14403 16923

5 Δt4 1796802 0037 11663 -0953 14224 16744

6 Δt5 1796811 0046 11672 -0944 14090 16610

7 Δt6 179682 0055 1168 -0936 13970 16490

8 Δt7 1796829 0064 11684 -0932 13910 16430

9 Δt8 1796839 0074 11689 -0927 13836 16356

10 Δt9 1796849 0084 11691 -0925 13806 16326

11 Δt10 1796857 0092 11693 -0923 13776 16296

12 Δt11 1796867 0102 11695 -0921 13746 16266

13 Δt12 1796876 0111 11698 -0918 13701 16221

14 Δt13 1796886 0121 117 -0916 13672 16192

15 Δt14 1796895 013 11701 -0915 13657 16177

16 Δt15 1796904 0139 11702 -0914 13642 16162

17 Δt16 1796913 0148 11703 -0913 13627 16147

18 Δt17 1796923 0158 11705 -0911 13597 16117

19 Δt18 1796932 0167 11706 -091 13582 16102

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 69: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 56 -

表 4-13 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

VF ampΔt關係表

Exp8

Ta 256 Kj -00068 ΔVf1 12614

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

0 NA 0 NA 12488 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16884 NA NA NA

2 Δt1 1796774 0009 12349 -0265 3897 6457

3 Δt2 1796784 0019 12091 -0523 7691 10251

4 Δt3 1796793 0028 12098 -0516 7588 10148

5 Δt4 1796803 0038 12108 -0506 7441 10001

6 Δt5 1796813 0048 12114 -05 7353 9913

7 Δt6 1796821 0056 1212 -0494 7265 9825

8 Δt7 1796831 0066 12123 -0491 7221 9781

9 Δt8 1796841 0076 12126 -0488 7176 9736

10 Δt9 179685 0085 12128 -0486 7147 9707

11 Δt10 1796859 0094 1213 -0484 7118 9678

12 Δt11 1796869 0104 12132 -0482 7088 9648

13 Δt12 1796878 0113 12133 -0481 7074 9634

14 Δt13 1796888 0123 12133 -0481 7074 9634

15 Δt14 1796897 0132 12135 -0479 7044 9604

16 Δt15 1796906 0141 12136 -0478 7029 9589

17 Δt16 1796916 0151 12138 -0476 7000 9560

18 Δt17 1796925 016 12139 -0475 6985 9545

19 Δt18 1796935 017 1214 -0474 6971 9531

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 70: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 57 -

表 4-14 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp9

Ta 257 Kj -00071 ΔVf1 12577

point Δt Time(ms) time (ms) ΔVf2 ΔVf ΔTj Tj

0 NA 0 NA 124304 NA NA NA

1 NA 1796481 NA 16771 NA NA NA

2 Δt1 179649 0009 12191 -0386 5437 8007

3 Δt2 1796499 0018 118835 -06935 9768 12338

4 Δt3 1796509 0028 118829 -06941 9776 12346

5 Δt4 1796518 0037 118932 -06838 9631 12201

6 Δt5 1796527 0046 119019 -06751 9508 12078

7 Δt6 1796536 0055 11908 -0669 9423 11993

8 Δt7 1796546 0065 119131 -06639 9351 11921

9 Δt8 1796555 0074 119176 -06594 9287 11857

10 Δt9 1796563 0082 1192 -0657 9254 11824

11 Δt10 1796573 0092 119226 -06544 9217 11787

12 Δt11 1796582 0101 119249 -06521 9185 11755

13 Δt12 1796592 0111 119274 -06496 9149 11719

14 Δt13 1796601 012 119295 -06475 9120 11690

15 Δt14 1796609 0128 119308 -06462 9101 11671

16 Δt15 1796619 0138 119323 -06447 9080 11650

17 Δt16 1796628 0147 119335 -06435 9063 11633

18 Δt17 1796638 0157 119345 -06425 9049 11619

19 Δt18 1796646 0165 119375 -06395 9007 11577

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-P

ower-LED-Assemblyhtml

[29]gt httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

[30]gt httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

[31]gt httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

[32]gt httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 82 -

[33]gt

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

[34]gt

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-junction-temperat

ure-of-leds-with-thermal-management-materials

[35]gt

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184h

tml

[36]gt

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

Page 71: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 58 -

表 4-15 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp10

Ta 252 Kj -0007 ΔVf1 12656

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

0 NA 0 NA 12514 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16442 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11702 -0954 13629 16149

3 Δt2 1796783 0018 11365 -1291 18443 20963

4 Δt3 1796792 0027 11362 -1294 18486 21006

5 Δt4 1796802 0037 11371 -1285 18357 20877

6 Δt5 1796811 0046 11389 -1267 18100 20620

7 Δt6 179682 0055 11395 -1261 18014 20534

8 Δt7 1796829 0064 11406 -125 17857 20377

9 Δt8 1796839 0074 11407 -1249 17843 20363

10 Δt9 1796848 0083 11417 -1239 17700 20220

11 Δt10 1796857 0092 11424 -1232 17600 20120

12 Δt11 1796866 0101 11426 -123 17571 20091

13 Δt12 1796876 0111 11427 -1229 17557 20077

14 Δt13 1796885 012 11426 -123 17571 20091

15 Δt14 1796895 013 11427 -1229 17557 20077

16 Δt15 1796903 0138 11431 -1225 17500 20020

17 Δt16 1796913 0148 11433 -1223 17471 19991

18 Δt17 1796923 0158 11437 -1219 17414 19934

19 Δt18 1796932 0167 11447 -1209 17271 19791

- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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- 59 -

表 4-16 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

VF ampΔt關係表

Exp11

Ta 252 Kj -00067 ΔVf1 12651

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

0 NA 0 NA 12462 NA NA NA

1 NA 1796765 NA 16452 NA NA NA

2 Δt1 1796773 0008 11756 -0895 13358 15878

3 Δt2 1796783 0018 11428 -1223 18254 20774

4 Δt3 1796792 0027 11427 -1224 18269 20789

5 Δt4 1796802 0037 1144 -1211 18075 20595

6 Δt5 1796811 0046 11451 -12 17910 20430

7 Δt6 179682 0055 11459 -1192 17791 20311

8 Δt7 1796829 0064 11467 -1184 17672 20192

9 Δt8 1796839 0074 11472 -1179 17597 20117

10 Δt9 1796848 0083 11477 -1174 17522 20042

11 Δt10 1796857 0092 1148 -1171 17478 19998

12 Δt11 1796866 0101 11483 -1168 17433 19953

13 Δt12 1796876 0111 11487 -1164 17373 19893

14 Δt13 1796885 012 11489 -1162 17343 19863

15 Δt14 1796895 013 11491 -116 17313 19833

16 Δt15 1796903 0138 11493 -1158 17284 19804

17 Δt16 1796913 0148 11495 -1156 17254 19774

18 Δt17 1796923 0158 11496 -1155 17239 19759

19 Δt18 1796932 0167 11498 -1153 17209 19729

- 60 -

表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

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Page 73: 國 立 交 通 大 學 · 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

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表 4-17 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 VF ampΔt關係表

Exp12

Ta 245 Kj -00067 ΔVf1 1261

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

0 NA 0 NA 12453 NA NA NA

1 NA 1796766 NA 16814 NA NA NA

2 Δt1 1796775 0009 12212 -0398 5940 8390

3 Δt2 1796784 0018 11937 -0673 10045 12495

4 Δt3 1796794 0028 11942 -0668 9970 12420

5 Δt4 1796804 0038 11954 -0656 9791 12241

6 Δt5 1796813 0047 11962 -0648 9672 12122

7 Δt6 1796822 0056 11967 -0643 9597 12047

8 Δt7 1796832 0066 11972 -0638 9522 11972

9 Δt8 1796841 0075 11976 -0634 9463 11913

10 Δt9 1796851 0085 11978 -0632 9433 11883

11 Δt10 179686 0094 1198 -063 9403 11853

12 Δt11 1796869 0103 11982 -0628 9373 11823

13 Δt12 1796879 0113 11984 -0626 9343 11793

14 Δt13 1796889 0123 11987 -0623 9299 11749

15 Δt14 1796897 0131 11987 -0623 9299 11749

16 Δt15 1796907 0141 1199 -062 9254 11704

17 Δt16 1796917 0151 11991 -0619 9239 11689

18 Δt17 1796926 016 11993 -0617 9209 11659

19 Δt18 1796936 017 11995 -0615 9179 11629

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圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

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圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

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圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

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圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

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係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

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圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

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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

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

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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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

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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

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

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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

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

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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

圖 4-28 Exp10FR4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

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圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

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4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

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Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

文獻參考

[1] 經濟部標準檢驗局九十七年度專案成果報告「節約能源產業產品標

準安全及性能檢測技術先期研究及導入委辦計劃」

[2] 伊東新太郎著鄭振東譯「LED淺說光電技術入門」

[3] 陳建隆 編著全華圖書發行「發光二極體之原理與製程」

[4] 陳義宏「發光二極體接面溫度量測」國立交通大學電子物理研究

所碩士論文2004

[5] 林神江「LED介面溫度量測之研究」國立臺灣科技大學機械工程

系碩士論文2011

[6] 李佩璇「高功率發光二極體之亮度特性」國立成功大學工程科學

系碩博士論文2011

[7] 陳少宇「LED模組之熱分析」國立成功大學工程科學系碩博士

論文2006

[8] 葉建男「大功率 LED散熱系統研究」義守大學機械與自動化工程

學系碩博士論文2011

[9] 林旻賢「高功率 LED的散熱方式與溫度量測分析」國立交通大學

平面顯示技術碩士學位學程碩博士論文2010

[10] 紀偉豪「高功率發光二極體照明模組之散熱特性分析」國立清

華大學動力機械工程學系碩士論文2009

- 80 -

[11]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt 淺談 LED照明技術缺點

2007-10-04

httpwwwledinsidecomtwled_light_source_issue_200710

[12]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt 淺談 LED燈飾產品基本組成

2008-03-26

httpwwwledinsidecomtwled_light_basic_com_200803

[13]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt LED產業照明專業術語與測光

公式2007-10-25

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

[14] gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt LED鋁基板的特點結構與作

用2008-09-01

httpwwwledinsidecomtwled_al_substrate_200809

[15]gt江志宏IT電子產業專區gt熱傳導專區

httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

[16]gt Japanese Journal of Applied Physics Vol 44 No 10 2005

pp 7260ndash7266「SELECTED TOPICS in APPLIED PHYSICS III」

[17]gt 技術文件「弘凱光電大功率熱管理」

httpwwwbrightekledcomadminproductsUploadFiles2008121

11956907pdf

- 81 -

[18]gt 黃子軒「利用反應曲面法配合基因演算法分析陣列式高功率 LED

構裝散熱之最佳設計」國 立 成 功 大 學工 程 科 學 系碩博士論文

2009

[19]gt 丁志華戴寶通「田口實驗計畫法簡介(I)」國家毫微米元件實

驗室httpwwwndlorgtwchtndlcommP8_38_3_2pdf

[20]gt 張明毅「田口方法簡介」宜蘭大學生機系 20031024

httpwwwecaantuedutwweifangsysEng田口田口方法

[21]gt 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

機械與機電工程系碩博士論文2007

[22]gt 李輝煌著高立圖書發行「田口方法」

[23] gthttpwwwledinsidecomtw10_reason_for_led_light_source_200801

[24]gt wwwksoncomtwchinesestudy_25htm

[25]gt wwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

[26]gt httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

[27]gt httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

[28]gt

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-P

ower-LED-Assemblyhtml

[29]gt httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

[30]gt httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

[31]gt httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

[32]gt httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 82 -

[33]gt

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

[34]gt

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-junction-temperat

ure-of-leds-with-thermal-management-materials

[35]gt

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184h

tml

[36]gt

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

Page 74: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 61 -

圖 4-1 LED型式(5630)

httpwwwu-peccomtwproduct_infophpd=94

圖 4-2 3種不同製程參數的電路基板

Al-MCPCB FR4 雙層板鋪銅 FR4 單層板

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

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第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

文獻參考

[1] 經濟部標準檢驗局九十七年度專案成果報告「節約能源產業產品標

準安全及性能檢測技術先期研究及導入委辦計劃」

[2] 伊東新太郎著鄭振東譯「LED淺說光電技術入門」

[3] 陳建隆 編著全華圖書發行「發光二極體之原理與製程」

[4] 陳義宏「發光二極體接面溫度量測」國立交通大學電子物理研究

所碩士論文2004

[5] 林神江「LED介面溫度量測之研究」國立臺灣科技大學機械工程

系碩士論文2011

[6] 李佩璇「高功率發光二極體之亮度特性」國立成功大學工程科學

系碩博士論文2011

[7] 陳少宇「LED模組之熱分析」國立成功大學工程科學系碩博士

論文2006

[8] 葉建男「大功率 LED散熱系統研究」義守大學機械與自動化工程

學系碩博士論文2011

[9] 林旻賢「高功率 LED的散熱方式與溫度量測分析」國立交通大學

平面顯示技術碩士學位學程碩博士論文2010

[10] 紀偉豪「高功率發光二極體照明模組之散熱特性分析」國立清

華大學動力機械工程學系碩士論文2009

- 80 -

[11]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt 淺談 LED照明技術缺點

2007-10-04

httpwwwledinsidecomtwled_light_source_issue_200710

[12]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt 淺談 LED燈飾產品基本組成

2008-03-26

httpwwwledinsidecomtwled_light_basic_com_200803

[13]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt LED產業照明專業術語與測光

公式2007-10-25

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

[14] gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt LED鋁基板的特點結構與作

用2008-09-01

httpwwwledinsidecomtwled_al_substrate_200809

[15]gt江志宏IT電子產業專區gt熱傳導專區

httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

[16]gt Japanese Journal of Applied Physics Vol 44 No 10 2005

pp 7260ndash7266「SELECTED TOPICS in APPLIED PHYSICS III」

[17]gt 技術文件「弘凱光電大功率熱管理」

httpwwwbrightekledcomadminproductsUploadFiles2008121

11956907pdf

- 81 -

[18]gt 黃子軒「利用反應曲面法配合基因演算法分析陣列式高功率 LED

構裝散熱之最佳設計」國 立 成 功 大 學工 程 科 學 系碩博士論文

2009

[19]gt 丁志華戴寶通「田口實驗計畫法簡介(I)」國家毫微米元件實

驗室httpwwwndlorgtwchtndlcommP8_38_3_2pdf

[20]gt 張明毅「田口方法簡介」宜蘭大學生機系 20031024

httpwwwecaantuedutwweifangsysEng田口田口方法

[21]gt 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

機械與機電工程系碩博士論文2007

[22]gt 李輝煌著高立圖書發行「田口方法」

[23] gthttpwwwledinsidecomtw10_reason_for_led_light_source_200801

[24]gt wwwksoncomtwchinesestudy_25htm

[25]gt wwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

[26]gt httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

[27]gt httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

[28]gt

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-P

ower-LED-Assemblyhtml

[29]gt httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

[30]gt httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

[31]gt httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

[32]gt httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 82 -

[33]gt

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

[34]gt

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-junction-temperat

ure-of-leds-with-thermal-management-materials

[35]gt

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184h

tml

[36]gt

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

Page 75: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 62 -

圖 4-3 導熱貼片 30G-TL示意圖

圖 4-4 導熱膠 SR-8200示意圖

圖 4- 5散熱外殼示意圖

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

文獻參考

[1] 經濟部標準檢驗局九十七年度專案成果報告「節約能源產業產品標

準安全及性能檢測技術先期研究及導入委辦計劃」

[2] 伊東新太郎著鄭振東譯「LED淺說光電技術入門」

[3] 陳建隆 編著全華圖書發行「發光二極體之原理與製程」

[4] 陳義宏「發光二極體接面溫度量測」國立交通大學電子物理研究

所碩士論文2004

[5] 林神江「LED介面溫度量測之研究」國立臺灣科技大學機械工程

系碩士論文2011

[6] 李佩璇「高功率發光二極體之亮度特性」國立成功大學工程科學

系碩博士論文2011

[7] 陳少宇「LED模組之熱分析」國立成功大學工程科學系碩博士

論文2006

[8] 葉建男「大功率 LED散熱系統研究」義守大學機械與自動化工程

學系碩博士論文2011

[9] 林旻賢「高功率 LED的散熱方式與溫度量測分析」國立交通大學

平面顯示技術碩士學位學程碩博士論文2010

[10] 紀偉豪「高功率發光二極體照明模組之散熱特性分析」國立清

華大學動力機械工程學系碩士論文2009

- 80 -

[11]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt 淺談 LED照明技術缺點

2007-10-04

httpwwwledinsidecomtwled_light_source_issue_200710

[12]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt 淺談 LED燈飾產品基本組成

2008-03-26

httpwwwledinsidecomtwled_light_basic_com_200803

[13]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt LED產業照明專業術語與測光

公式2007-10-25

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

[14] gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt LED鋁基板的特點結構與作

用2008-09-01

httpwwwledinsidecomtwled_al_substrate_200809

[15]gt江志宏IT電子產業專區gt熱傳導專區

httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

[16]gt Japanese Journal of Applied Physics Vol 44 No 10 2005

pp 7260ndash7266「SELECTED TOPICS in APPLIED PHYSICS III」

[17]gt 技術文件「弘凱光電大功率熱管理」

httpwwwbrightekledcomadminproductsUploadFiles2008121

11956907pdf

- 81 -

[18]gt 黃子軒「利用反應曲面法配合基因演算法分析陣列式高功率 LED

構裝散熱之最佳設計」國 立 成 功 大 學工 程 科 學 系碩博士論文

2009

[19]gt 丁志華戴寶通「田口實驗計畫法簡介(I)」國家毫微米元件實

驗室httpwwwndlorgtwchtndlcommP8_38_3_2pdf

[20]gt 張明毅「田口方法簡介」宜蘭大學生機系 20031024

httpwwwecaantuedutwweifangsysEng田口田口方法

[21]gt 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

機械與機電工程系碩博士論文2007

[22]gt 李輝煌著高立圖書發行「田口方法」

[23] gthttpwwwledinsidecomtw10_reason_for_led_light_source_200801

[24]gt wwwksoncomtwchinesestudy_25htm

[25]gt wwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

[26]gt httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

[27]gt httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

[28]gt

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-P

ower-LED-Assemblyhtml

[29]gt httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

[30]gt httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

[31]gt httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

[32]gt httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 82 -

[33]gt

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

[34]gt

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-junction-temperat

ure-of-leds-with-thermal-management-materials

[35]gt

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184h

tml

[36]gt

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

Page 76: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 63 -

圖 4-6實驗模組

圖 4-7 Exp1鋁電路基板(Al)導熱貼片金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-8Exp2鋁電路基板(Al)導熱貼片工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

Aluminum-Heat sink Plastic-Heat sink

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

文獻參考

[1] 經濟部標準檢驗局九十七年度專案成果報告「節約能源產業產品標

準安全及性能檢測技術先期研究及導入委辦計劃」

[2] 伊東新太郎著鄭振東譯「LED淺說光電技術入門」

[3] 陳建隆 編著全華圖書發行「發光二極體之原理與製程」

[4] 陳義宏「發光二極體接面溫度量測」國立交通大學電子物理研究

所碩士論文2004

[5] 林神江「LED介面溫度量測之研究」國立臺灣科技大學機械工程

系碩士論文2011

[6] 李佩璇「高功率發光二極體之亮度特性」國立成功大學工程科學

系碩博士論文2011

[7] 陳少宇「LED模組之熱分析」國立成功大學工程科學系碩博士

論文2006

[8] 葉建男「大功率 LED散熱系統研究」義守大學機械與自動化工程

學系碩博士論文2011

[9] 林旻賢「高功率 LED的散熱方式與溫度量測分析」國立交通大學

平面顯示技術碩士學位學程碩博士論文2010

[10] 紀偉豪「高功率發光二極體照明模組之散熱特性分析」國立清

華大學動力機械工程學系碩士論文2009

- 80 -

[11]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt 淺談 LED照明技術缺點

2007-10-04

httpwwwledinsidecomtwled_light_source_issue_200710

[12]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt 淺談 LED燈飾產品基本組成

2008-03-26

httpwwwledinsidecomtwled_light_basic_com_200803

[13]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt LED產業照明專業術語與測光

公式2007-10-25

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

[14] gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt LED鋁基板的特點結構與作

用2008-09-01

httpwwwledinsidecomtwled_al_substrate_200809

[15]gt江志宏IT電子產業專區gt熱傳導專區

httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

[16]gt Japanese Journal of Applied Physics Vol 44 No 10 2005

pp 7260ndash7266「SELECTED TOPICS in APPLIED PHYSICS III」

[17]gt 技術文件「弘凱光電大功率熱管理」

httpwwwbrightekledcomadminproductsUploadFiles2008121

11956907pdf

- 81 -

[18]gt 黃子軒「利用反應曲面法配合基因演算法分析陣列式高功率 LED

構裝散熱之最佳設計」國 立 成 功 大 學工 程 科 學 系碩博士論文

2009

[19]gt 丁志華戴寶通「田口實驗計畫法簡介(I)」國家毫微米元件實

驗室httpwwwndlorgtwchtndlcommP8_38_3_2pdf

[20]gt 張明毅「田口方法簡介」宜蘭大學生機系 20031024

httpwwwecaantuedutwweifangsysEng田口田口方法

[21]gt 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

機械與機電工程系碩博士論文2007

[22]gt 李輝煌著高立圖書發行「田口方法」

[23] gthttpwwwledinsidecomtw10_reason_for_led_light_source_200801

[24]gt wwwksoncomtwchinesestudy_25htm

[25]gt wwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

[26]gt httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

[27]gt httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

[28]gt

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-P

ower-LED-Assemblyhtml

[29]gt httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

[30]gt httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

[31]gt httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

[32]gt httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 82 -

[33]gt

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

[34]gt

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-junction-temperat

ure-of-leds-with-thermal-management-materials

[35]gt

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184h

tml

[36]gt

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

Page 77: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 64 -

圖 4-9 Exp3鋁電路基板(Al)導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-10 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關係方程

圖 4-11 Exp5 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-工程塑膠外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

- 65 -

圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

文獻參考

[1] 經濟部標準檢驗局九十七年度專案成果報告「節約能源產業產品標

準安全及性能檢測技術先期研究及導入委辦計劃」

[2] 伊東新太郎著鄭振東譯「LED淺說光電技術入門」

[3] 陳建隆 編著全華圖書發行「發光二極體之原理與製程」

[4] 陳義宏「發光二極體接面溫度量測」國立交通大學電子物理研究

所碩士論文2004

[5] 林神江「LED介面溫度量測之研究」國立臺灣科技大學機械工程

系碩士論文2011

[6] 李佩璇「高功率發光二極體之亮度特性」國立成功大學工程科學

系碩博士論文2011

[7] 陳少宇「LED模組之熱分析」國立成功大學工程科學系碩博士

論文2006

[8] 葉建男「大功率 LED散熱系統研究」義守大學機械與自動化工程

學系碩博士論文2011

[9] 林旻賢「高功率 LED的散熱方式與溫度量測分析」國立交通大學

平面顯示技術碩士學位學程碩博士論文2010

[10] 紀偉豪「高功率發光二極體照明模組之散熱特性分析」國立清

華大學動力機械工程學系碩士論文2009

- 80 -

[11]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt 淺談 LED照明技術缺點

2007-10-04

httpwwwledinsidecomtwled_light_source_issue_200710

[12]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt 淺談 LED燈飾產品基本組成

2008-03-26

httpwwwledinsidecomtwled_light_basic_com_200803

[13]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt LED產業照明專業術語與測光

公式2007-10-25

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

[14] gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt LED鋁基板的特點結構與作

用2008-09-01

httpwwwledinsidecomtwled_al_substrate_200809

[15]gt江志宏IT電子產業專區gt熱傳導專區

httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

[16]gt Japanese Journal of Applied Physics Vol 44 No 10 2005

pp 7260ndash7266「SELECTED TOPICS in APPLIED PHYSICS III」

[17]gt 技術文件「弘凱光電大功率熱管理」

httpwwwbrightekledcomadminproductsUploadFiles2008121

11956907pdf

- 81 -

[18]gt 黃子軒「利用反應曲面法配合基因演算法分析陣列式高功率 LED

構裝散熱之最佳設計」國 立 成 功 大 學工 程 科 學 系碩博士論文

2009

[19]gt 丁志華戴寶通「田口實驗計畫法簡介(I)」國家毫微米元件實

驗室httpwwwndlorgtwchtndlcommP8_38_3_2pdf

[20]gt 張明毅「田口方法簡介」宜蘭大學生機系 20031024

httpwwwecaantuedutwweifangsysEng田口田口方法

[21]gt 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

機械與機電工程系碩博士論文2007

[22]gt 李輝煌著高立圖書發行「田口方法」

[23] gthttpwwwledinsidecomtw10_reason_for_led_light_source_200801

[24]gt wwwksoncomtwchinesestudy_25htm

[25]gt wwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

[26]gt httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

[27]gt httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

[28]gt

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-P

ower-LED-Assemblyhtml

[29]gt httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

[30]gt httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

[31]gt httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

[32]gt httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 82 -

[33]gt

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

[34]gt

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-junction-temperat

ure-of-leds-with-thermal-management-materials

[35]gt

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184h

tml

[36]gt

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

Page 78: 國 立 交 通 大 學 · 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

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圖 4-12 Exp6 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

係方程圖

圖 4-13 Exp7 FR4雙層鋪銅電路基板導熱貼片-工程塑膠外殼 Ta amp Vf

關係方程圖

圖 4-14 Exp8 FR4雙層鋪銅電路基板導熱膠-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

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第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

文獻參考

[1] 經濟部標準檢驗局九十七年度專案成果報告「節約能源產業產品標

準安全及性能檢測技術先期研究及導入委辦計劃」

[2] 伊東新太郎著鄭振東譯「LED淺說光電技術入門」

[3] 陳建隆 編著全華圖書發行「發光二極體之原理與製程」

[4] 陳義宏「發光二極體接面溫度量測」國立交通大學電子物理研究

所碩士論文2004

[5] 林神江「LED介面溫度量測之研究」國立臺灣科技大學機械工程

系碩士論文2011

[6] 李佩璇「高功率發光二極體之亮度特性」國立成功大學工程科學

系碩博士論文2011

[7] 陳少宇「LED模組之熱分析」國立成功大學工程科學系碩博士

論文2006

[8] 葉建男「大功率 LED散熱系統研究」義守大學機械與自動化工程

學系碩博士論文2011

[9] 林旻賢「高功率 LED的散熱方式與溫度量測分析」國立交通大學

平面顯示技術碩士學位學程碩博士論文2010

[10] 紀偉豪「高功率發光二極體照明模組之散熱特性分析」國立清

華大學動力機械工程學系碩士論文2009

- 80 -

[11]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt 淺談 LED照明技術缺點

2007-10-04

httpwwwledinsidecomtwled_light_source_issue_200710

[12]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt 淺談 LED燈飾產品基本組成

2008-03-26

httpwwwledinsidecomtwled_light_basic_com_200803

[13]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt LED產業照明專業術語與測光

公式2007-10-25

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

[14] gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt LED鋁基板的特點結構與作

用2008-09-01

httpwwwledinsidecomtwled_al_substrate_200809

[15]gt江志宏IT電子產業專區gt熱傳導專區

httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

[16]gt Japanese Journal of Applied Physics Vol 44 No 10 2005

pp 7260ndash7266「SELECTED TOPICS in APPLIED PHYSICS III」

[17]gt 技術文件「弘凱光電大功率熱管理」

httpwwwbrightekledcomadminproductsUploadFiles2008121

11956907pdf

- 81 -

[18]gt 黃子軒「利用反應曲面法配合基因演算法分析陣列式高功率 LED

構裝散熱之最佳設計」國 立 成 功 大 學工 程 科 學 系碩博士論文

2009

[19]gt 丁志華戴寶通「田口實驗計畫法簡介(I)」國家毫微米元件實

驗室httpwwwndlorgtwchtndlcommP8_38_3_2pdf

[20]gt 張明毅「田口方法簡介」宜蘭大學生機系 20031024

httpwwwecaantuedutwweifangsysEng田口田口方法

[21]gt 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

機械與機電工程系碩博士論文2007

[22]gt 李輝煌著高立圖書發行「田口方法」

[23] gthttpwwwledinsidecomtw10_reason_for_led_light_source_200801

[24]gt wwwksoncomtwchinesestudy_25htm

[25]gt wwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

[26]gt httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

[27]gt httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

[28]gt

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-P

ower-LED-Assemblyhtml

[29]gt httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

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[31]gt httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

[32]gt httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 82 -

[33]gt

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

[34]gt

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-junction-temperat

ure-of-leds-with-thermal-management-materials

[35]gt

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184h

tml

[36]gt

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

Page 79: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 66 -

係方程圖

圖 4-15 Exp9 FR4單層電路基板導熱貼片-金屬鋁外殼 Ta amp Vf 關係方

程圖

圖 4-16 Exp10FR4單層電路基板導熱膠工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

文獻參考

[1] 經濟部標準檢驗局九十七年度專案成果報告「節約能源產業產品標

準安全及性能檢測技術先期研究及導入委辦計劃」

[2] 伊東新太郎著鄭振東譯「LED淺說光電技術入門」

[3] 陳建隆 編著全華圖書發行「發光二極體之原理與製程」

[4] 陳義宏「發光二極體接面溫度量測」國立交通大學電子物理研究

所碩士論文2004

[5] 林神江「LED介面溫度量測之研究」國立臺灣科技大學機械工程

系碩士論文2011

[6] 李佩璇「高功率發光二極體之亮度特性」國立成功大學工程科學

系碩博士論文2011

[7] 陳少宇「LED模組之熱分析」國立成功大學工程科學系碩博士

論文2006

[8] 葉建男「大功率 LED散熱系統研究」義守大學機械與自動化工程

學系碩博士論文2011

[9] 林旻賢「高功率 LED的散熱方式與溫度量測分析」國立交通大學

平面顯示技術碩士學位學程碩博士論文2010

[10] 紀偉豪「高功率發光二極體照明模組之散熱特性分析」國立清

華大學動力機械工程學系碩士論文2009

- 80 -

[11]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt 淺談 LED照明技術缺點

2007-10-04

httpwwwledinsidecomtwled_light_source_issue_200710

[12]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt 淺談 LED燈飾產品基本組成

2008-03-26

httpwwwledinsidecomtwled_light_basic_com_200803

[13]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt LED產業照明專業術語與測光

公式2007-10-25

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

[14] gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt LED鋁基板的特點結構與作

用2008-09-01

httpwwwledinsidecomtwled_al_substrate_200809

[15]gt江志宏IT電子產業專區gt熱傳導專區

httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

[16]gt Japanese Journal of Applied Physics Vol 44 No 10 2005

pp 7260ndash7266「SELECTED TOPICS in APPLIED PHYSICS III」

[17]gt 技術文件「弘凱光電大功率熱管理」

httpwwwbrightekledcomadminproductsUploadFiles2008121

11956907pdf

- 81 -

[18]gt 黃子軒「利用反應曲面法配合基因演算法分析陣列式高功率 LED

構裝散熱之最佳設計」國 立 成 功 大 學工 程 科 學 系碩博士論文

2009

[19]gt 丁志華戴寶通「田口實驗計畫法簡介(I)」國家毫微米元件實

驗室httpwwwndlorgtwchtndlcommP8_38_3_2pdf

[20]gt 張明毅「田口方法簡介」宜蘭大學生機系 20031024

httpwwwecaantuedutwweifangsysEng田口田口方法

[21]gt 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

機械與機電工程系碩博士論文2007

[22]gt 李輝煌著高立圖書發行「田口方法」

[23] gthttpwwwledinsidecomtw10_reason_for_led_light_source_200801

[24]gt wwwksoncomtwchinesestudy_25htm

[25]gt wwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

[26]gt httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

[27]gt httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

[28]gt

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-P

ower-LED-Assemblyhtml

[29]gt httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

[30]gt httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

[31]gt httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

[32]gt httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 82 -

[33]gt

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

[34]gt

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-junction-temperat

ure-of-leds-with-thermal-management-materials

[35]gt

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184h

tml

[36]gt

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

Page 80: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 67 -

圖 4-17 Exp11FR4單層電路基板導熱貼片工程塑膠外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

圖 4-18 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Ta amp Vf 關係方程圖

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

文獻參考

[1] 經濟部標準檢驗局九十七年度專案成果報告「節約能源產業產品標

準安全及性能檢測技術先期研究及導入委辦計劃」

[2] 伊東新太郎著鄭振東譯「LED淺說光電技術入門」

[3] 陳建隆 編著全華圖書發行「發光二極體之原理與製程」

[4] 陳義宏「發光二極體接面溫度量測」國立交通大學電子物理研究

所碩士論文2004

[5] 林神江「LED介面溫度量測之研究」國立臺灣科技大學機械工程

系碩士論文2011

[6] 李佩璇「高功率發光二極體之亮度特性」國立成功大學工程科學

系碩博士論文2011

[7] 陳少宇「LED模組之熱分析」國立成功大學工程科學系碩博士

論文2006

[8] 葉建男「大功率 LED散熱系統研究」義守大學機械與自動化工程

學系碩博士論文2011

[9] 林旻賢「高功率 LED的散熱方式與溫度量測分析」國立交通大學

平面顯示技術碩士學位學程碩博士論文2010

[10] 紀偉豪「高功率發光二極體照明模組之散熱特性分析」國立清

華大學動力機械工程學系碩士論文2009

- 80 -

[11]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt 淺談 LED照明技術缺點

2007-10-04

httpwwwledinsidecomtwled_light_source_issue_200710

[12]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt 淺談 LED燈飾產品基本組成

2008-03-26

httpwwwledinsidecomtwled_light_basic_com_200803

[13]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt LED產業照明專業術語與測光

公式2007-10-25

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

[14] gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt LED鋁基板的特點結構與作

用2008-09-01

httpwwwledinsidecomtwled_al_substrate_200809

[15]gt江志宏IT電子產業專區gt熱傳導專區

httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

[16]gt Japanese Journal of Applied Physics Vol 44 No 10 2005

pp 7260ndash7266「SELECTED TOPICS in APPLIED PHYSICS III」

[17]gt 技術文件「弘凱光電大功率熱管理」

httpwwwbrightekledcomadminproductsUploadFiles2008121

11956907pdf

- 81 -

[18]gt 黃子軒「利用反應曲面法配合基因演算法分析陣列式高功率 LED

構裝散熱之最佳設計」國 立 成 功 大 學工 程 科 學 系碩博士論文

2009

[19]gt 丁志華戴寶通「田口實驗計畫法簡介(I)」國家毫微米元件實

驗室httpwwwndlorgtwchtndlcommP8_38_3_2pdf

[20]gt 張明毅「田口方法簡介」宜蘭大學生機系 20031024

httpwwwecaantuedutwweifangsysEng田口田口方法

[21]gt 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

機械與機電工程系碩博士論文2007

[22]gt 李輝煌著高立圖書發行「田口方法」

[23] gthttpwwwledinsidecomtw10_reason_for_led_light_source_200801

[24]gt wwwksoncomtwchinesestudy_25htm

[25]gt wwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

[26]gt httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

[27]gt httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

[28]gt

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-P

ower-LED-Assemblyhtml

[29]gt httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

[30]gt httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

[31]gt httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

[32]gt httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 82 -

[33]gt

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

[34]gt

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-junction-temperat

ure-of-leds-with-thermal-management-materials

[35]gt

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184h

tml

[36]gt

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

Page 81: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 68 -

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

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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

文獻參考

[1] 經濟部標準檢驗局九十七年度專案成果報告「節約能源產業產品標

準安全及性能檢測技術先期研究及導入委辦計劃」

[2] 伊東新太郎著鄭振東譯「LED淺說光電技術入門」

[3] 陳建隆 編著全華圖書發行「發光二極體之原理與製程」

[4] 陳義宏「發光二極體接面溫度量測」國立交通大學電子物理研究

所碩士論文2004

[5] 林神江「LED介面溫度量測之研究」國立臺灣科技大學機械工程

系碩士論文2011

[6] 李佩璇「高功率發光二極體之亮度特性」國立成功大學工程科學

系碩博士論文2011

[7] 陳少宇「LED模組之熱分析」國立成功大學工程科學系碩博士

論文2006

[8] 葉建男「大功率 LED散熱系統研究」義守大學機械與自動化工程

學系碩博士論文2011

[9] 林旻賢「高功率 LED的散熱方式與溫度量測分析」國立交通大學

平面顯示技術碩士學位學程碩博士論文2010

[10] 紀偉豪「高功率發光二極體照明模組之散熱特性分析」國立清

華大學動力機械工程學系碩士論文2009

- 80 -

[11]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt 淺談 LED照明技術缺點

2007-10-04

httpwwwledinsidecomtwled_light_source_issue_200710

[12]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt 淺談 LED燈飾產品基本組成

2008-03-26

httpwwwledinsidecomtwled_light_basic_com_200803

[13]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt LED產業照明專業術語與測光

公式2007-10-25

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

[14] gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt LED鋁基板的特點結構與作

用2008-09-01

httpwwwledinsidecomtwled_al_substrate_200809

[15]gt江志宏IT電子產業專區gt熱傳導專區

httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

[16]gt Japanese Journal of Applied Physics Vol 44 No 10 2005

pp 7260ndash7266「SELECTED TOPICS in APPLIED PHYSICS III」

[17]gt 技術文件「弘凱光電大功率熱管理」

httpwwwbrightekledcomadminproductsUploadFiles2008121

11956907pdf

- 81 -

[18]gt 黃子軒「利用反應曲面法配合基因演算法分析陣列式高功率 LED

構裝散熱之最佳設計」國 立 成 功 大 學工 程 科 學 系碩博士論文

2009

[19]gt 丁志華戴寶通「田口實驗計畫法簡介(I)」國家毫微米元件實

驗室httpwwwndlorgtwchtndlcommP8_38_3_2pdf

[20]gt 張明毅「田口方法簡介」宜蘭大學生機系 20031024

httpwwwecaantuedutwweifangsysEng田口田口方法

[21]gt 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

機械與機電工程系碩博士論文2007

[22]gt 李輝煌著高立圖書發行「田口方法」

[23] gthttpwwwledinsidecomtw10_reason_for_led_light_source_200801

[24]gt wwwksoncomtwchinesestudy_25htm

[25]gt wwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

[26]gt httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

[27]gt httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

[28]gt

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-P

ower-LED-Assemblyhtml

[29]gt httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

[30]gt httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

[31]gt httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

[32]gt httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 82 -

[33]gt

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

[34]gt

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-junction-temperat

ure-of-leds-with-thermal-management-materials

[35]gt

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184h

tml

[36]gt

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

Page 82: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 69 -

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

圖 4-22 Exp4鋁電路基板(Al)導熱膠-工程塑膠外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

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第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

文獻參考

[1] 經濟部標準檢驗局九十七年度專案成果報告「節約能源產業產品標

準安全及性能檢測技術先期研究及導入委辦計劃」

[2] 伊東新太郎著鄭振東譯「LED淺說光電技術入門」

[3] 陳建隆 編著全華圖書發行「發光二極體之原理與製程」

[4] 陳義宏「發光二極體接面溫度量測」國立交通大學電子物理研究

所碩士論文2004

[5] 林神江「LED介面溫度量測之研究」國立臺灣科技大學機械工程

系碩士論文2011

[6] 李佩璇「高功率發光二極體之亮度特性」國立成功大學工程科學

系碩博士論文2011

[7] 陳少宇「LED模組之熱分析」國立成功大學工程科學系碩博士

論文2006

[8] 葉建男「大功率 LED散熱系統研究」義守大學機械與自動化工程

學系碩博士論文2011

[9] 林旻賢「高功率 LED的散熱方式與溫度量測分析」國立交通大學

平面顯示技術碩士學位學程碩博士論文2010

[10] 紀偉豪「高功率發光二極體照明模組之散熱特性分析」國立清

華大學動力機械工程學系碩士論文2009

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[11]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt 淺談 LED照明技術缺點

2007-10-04

httpwwwledinsidecomtwled_light_source_issue_200710

[12]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt 淺談 LED燈飾產品基本組成

2008-03-26

httpwwwledinsidecomtwled_light_basic_com_200803

[13]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt LED產業照明專業術語與測光

公式2007-10-25

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

[14] gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt LED鋁基板的特點結構與作

用2008-09-01

httpwwwledinsidecomtwled_al_substrate_200809

[15]gt江志宏IT電子產業專區gt熱傳導專區

httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

[16]gt Japanese Journal of Applied Physics Vol 44 No 10 2005

pp 7260ndash7266「SELECTED TOPICS in APPLIED PHYSICS III」

[17]gt 技術文件「弘凱光電大功率熱管理」

httpwwwbrightekledcomadminproductsUploadFiles2008121

11956907pdf

- 81 -

[18]gt 黃子軒「利用反應曲面法配合基因演算法分析陣列式高功率 LED

構裝散熱之最佳設計」國 立 成 功 大 學工 程 科 學 系碩博士論文

2009

[19]gt 丁志華戴寶通「田口實驗計畫法簡介(I)」國家毫微米元件實

驗室httpwwwndlorgtwchtndlcommP8_38_3_2pdf

[20]gt 張明毅「田口方法簡介」宜蘭大學生機系 20031024

httpwwwecaantuedutwweifangsysEng田口田口方法

[21]gt 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

機械與機電工程系碩博士論文2007

[22]gt 李輝煌著高立圖書發行「田口方法」

[23] gthttpwwwledinsidecomtw10_reason_for_led_light_source_200801

[24]gt wwwksoncomtwchinesestudy_25htm

[25]gt wwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

[26]gt httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

[27]gt httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

[28]gt

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-P

ower-LED-Assemblyhtml

[29]gt httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

[30]gt httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

[31]gt httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

[32]gt httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 82 -

[33]gt

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

[34]gt

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-junction-temperat

ure-of-leds-with-thermal-management-materials

[35]gt

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184h

tml

[36]gt

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

Page 83: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 70 -

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

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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

文獻參考

[1] 經濟部標準檢驗局九十七年度專案成果報告「節約能源產業產品標

準安全及性能檢測技術先期研究及導入委辦計劃」

[2] 伊東新太郎著鄭振東譯「LED淺說光電技術入門」

[3] 陳建隆 編著全華圖書發行「發光二極體之原理與製程」

[4] 陳義宏「發光二極體接面溫度量測」國立交通大學電子物理研究

所碩士論文2004

[5] 林神江「LED介面溫度量測之研究」國立臺灣科技大學機械工程

系碩士論文2011

[6] 李佩璇「高功率發光二極體之亮度特性」國立成功大學工程科學

系碩博士論文2011

[7] 陳少宇「LED模組之熱分析」國立成功大學工程科學系碩博士

論文2006

[8] 葉建男「大功率 LED散熱系統研究」義守大學機械與自動化工程

學系碩博士論文2011

[9] 林旻賢「高功率 LED的散熱方式與溫度量測分析」國立交通大學

平面顯示技術碩士學位學程碩博士論文2010

[10] 紀偉豪「高功率發光二極體照明模組之散熱特性分析」國立清

華大學動力機械工程學系碩士論文2009

- 80 -

[11]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt 淺談 LED照明技術缺點

2007-10-04

httpwwwledinsidecomtwled_light_source_issue_200710

[12]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt 淺談 LED燈飾產品基本組成

2008-03-26

httpwwwledinsidecomtwled_light_basic_com_200803

[13]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt LED產業照明專業術語與測光

公式2007-10-25

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

[14] gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt LED鋁基板的特點結構與作

用2008-09-01

httpwwwledinsidecomtwled_al_substrate_200809

[15]gt江志宏IT電子產業專區gt熱傳導專區

httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

[16]gt Japanese Journal of Applied Physics Vol 44 No 10 2005

pp 7260ndash7266「SELECTED TOPICS in APPLIED PHYSICS III」

[17]gt 技術文件「弘凱光電大功率熱管理」

httpwwwbrightekledcomadminproductsUploadFiles2008121

11956907pdf

- 81 -

[18]gt 黃子軒「利用反應曲面法配合基因演算法分析陣列式高功率 LED

構裝散熱之最佳設計」國 立 成 功 大 學工 程 科 學 系碩博士論文

2009

[19]gt 丁志華戴寶通「田口實驗計畫法簡介(I)」國家毫微米元件實

驗室httpwwwndlorgtwchtndlcommP8_38_3_2pdf

[20]gt 張明毅「田口方法簡介」宜蘭大學生機系 20031024

httpwwwecaantuedutwweifangsysEng田口田口方法

[21]gt 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

機械與機電工程系碩博士論文2007

[22]gt 李輝煌著高立圖書發行「田口方法」

[23] gthttpwwwledinsidecomtw10_reason_for_led_light_source_200801

[24]gt wwwksoncomtwchinesestudy_25htm

[25]gt wwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

[26]gt httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

[27]gt httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

[28]gt

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-P

ower-LED-Assemblyhtml

[29]gt httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

[30]gt httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

[31]gt httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

[32]gt httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 82 -

[33]gt

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

[34]gt

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-junction-temperat

ure-of-leds-with-thermal-management-materials

[35]gt

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184h

tml

[36]gt

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

Page 84: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 71 -

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

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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

文獻參考

[1] 經濟部標準檢驗局九十七年度專案成果報告「節約能源產業產品標

準安全及性能檢測技術先期研究及導入委辦計劃」

[2] 伊東新太郎著鄭振東譯「LED淺說光電技術入門」

[3] 陳建隆 編著全華圖書發行「發光二極體之原理與製程」

[4] 陳義宏「發光二極體接面溫度量測」國立交通大學電子物理研究

所碩士論文2004

[5] 林神江「LED介面溫度量測之研究」國立臺灣科技大學機械工程

系碩士論文2011

[6] 李佩璇「高功率發光二極體之亮度特性」國立成功大學工程科學

系碩博士論文2011

[7] 陳少宇「LED模組之熱分析」國立成功大學工程科學系碩博士

論文2006

[8] 葉建男「大功率 LED散熱系統研究」義守大學機械與自動化工程

學系碩博士論文2011

[9] 林旻賢「高功率 LED的散熱方式與溫度量測分析」國立交通大學

平面顯示技術碩士學位學程碩博士論文2010

[10] 紀偉豪「高功率發光二極體照明模組之散熱特性分析」國立清

華大學動力機械工程學系碩士論文2009

- 80 -

[11]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt 淺談 LED照明技術缺點

2007-10-04

httpwwwledinsidecomtwled_light_source_issue_200710

[12]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt 淺談 LED燈飾產品基本組成

2008-03-26

httpwwwledinsidecomtwled_light_basic_com_200803

[13]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt LED產業照明專業術語與測光

公式2007-10-25

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

[14] gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt LED鋁基板的特點結構與作

用2008-09-01

httpwwwledinsidecomtwled_al_substrate_200809

[15]gt江志宏IT電子產業專區gt熱傳導專區

httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

[16]gt Japanese Journal of Applied Physics Vol 44 No 10 2005

pp 7260ndash7266「SELECTED TOPICS in APPLIED PHYSICS III」

[17]gt 技術文件「弘凱光電大功率熱管理」

httpwwwbrightekledcomadminproductsUploadFiles2008121

11956907pdf

- 81 -

[18]gt 黃子軒「利用反應曲面法配合基因演算法分析陣列式高功率 LED

構裝散熱之最佳設計」國 立 成 功 大 學工 程 科 學 系碩博士論文

2009

[19]gt 丁志華戴寶通「田口實驗計畫法簡介(I)」國家毫微米元件實

驗室httpwwwndlorgtwchtndlcommP8_38_3_2pdf

[20]gt 張明毅「田口方法簡介」宜蘭大學生機系 20031024

httpwwwecaantuedutwweifangsysEng田口田口方法

[21]gt 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

機械與機電工程系碩博士論文2007

[22]gt 李輝煌著高立圖書發行「田口方法」

[23] gthttpwwwledinsidecomtw10_reason_for_led_light_source_200801

[24]gt wwwksoncomtwchinesestudy_25htm

[25]gt wwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

[26]gt httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

[27]gt httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

[28]gt

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-P

ower-LED-Assemblyhtml

[29]gt httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

[30]gt httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

[31]gt httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

[32]gt httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 82 -

[33]gt

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

[34]gt

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-junction-temperat

ure-of-leds-with-thermal-management-materials

[35]gt

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184h

tml

[36]gt

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

Page 85: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 72 -

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

圖 4-28 Exp10FR4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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

文獻參考

[1] 經濟部標準檢驗局九十七年度專案成果報告「節約能源產業產品標

準安全及性能檢測技術先期研究及導入委辦計劃」

[2] 伊東新太郎著鄭振東譯「LED淺說光電技術入門」

[3] 陳建隆 編著全華圖書發行「發光二極體之原理與製程」

[4] 陳義宏「發光二極體接面溫度量測」國立交通大學電子物理研究

所碩士論文2004

[5] 林神江「LED介面溫度量測之研究」國立臺灣科技大學機械工程

系碩士論文2011

[6] 李佩璇「高功率發光二極體之亮度特性」國立成功大學工程科學

系碩博士論文2011

[7] 陳少宇「LED模組之熱分析」國立成功大學工程科學系碩博士

論文2006

[8] 葉建男「大功率 LED散熱系統研究」義守大學機械與自動化工程

學系碩博士論文2011

[9] 林旻賢「高功率 LED的散熱方式與溫度量測分析」國立交通大學

平面顯示技術碩士學位學程碩博士論文2010

[10] 紀偉豪「高功率發光二極體照明模組之散熱特性分析」國立清

華大學動力機械工程學系碩士論文2009

- 80 -

[11]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt 淺談 LED照明技術缺點

2007-10-04

httpwwwledinsidecomtwled_light_source_issue_200710

[12]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt 淺談 LED燈飾產品基本組成

2008-03-26

httpwwwledinsidecomtwled_light_basic_com_200803

[13]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt LED產業照明專業術語與測光

公式2007-10-25

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

[14] gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt LED鋁基板的特點結構與作

用2008-09-01

httpwwwledinsidecomtwled_al_substrate_200809

[15]gt江志宏IT電子產業專區gt熱傳導專區

httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

[16]gt Japanese Journal of Applied Physics Vol 44 No 10 2005

pp 7260ndash7266「SELECTED TOPICS in APPLIED PHYSICS III」

[17]gt 技術文件「弘凱光電大功率熱管理」

httpwwwbrightekledcomadminproductsUploadFiles2008121

11956907pdf

- 81 -

[18]gt 黃子軒「利用反應曲面法配合基因演算法分析陣列式高功率 LED

構裝散熱之最佳設計」國 立 成 功 大 學工 程 科 學 系碩博士論文

2009

[19]gt 丁志華戴寶通「田口實驗計畫法簡介(I)」國家毫微米元件實

驗室httpwwwndlorgtwchtndlcommP8_38_3_2pdf

[20]gt 張明毅「田口方法簡介」宜蘭大學生機系 20031024

httpwwwecaantuedutwweifangsysEng田口田口方法

[21]gt 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

機械與機電工程系碩博士論文2007

[22]gt 李輝煌著高立圖書發行「田口方法」

[23] gthttpwwwledinsidecomtw10_reason_for_led_light_source_200801

[24]gt wwwksoncomtwchinesestudy_25htm

[25]gt wwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

[26]gt httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

[27]gt httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

[28]gt

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-P

ower-LED-Assemblyhtml

[29]gt httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

[30]gt httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

[31]gt httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

[32]gt httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 82 -

[33]gt

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

[34]gt

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-junction-temperat

ure-of-leds-with-thermal-management-materials

[35]gt

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184h

tml

[36]gt

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

Page 86: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 73 -

圖 4-29 Exp11FR4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

圖 4-30 Exp12FR4單層電路基板導熱膠-金屬鋁外殼

Tj與Ttime趨勢預測曲線圖

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

文獻參考

[1] 經濟部標準檢驗局九十七年度專案成果報告「節約能源產業產品標

準安全及性能檢測技術先期研究及導入委辦計劃」

[2] 伊東新太郎著鄭振東譯「LED淺說光電技術入門」

[3] 陳建隆 編著全華圖書發行「發光二極體之原理與製程」

[4] 陳義宏「發光二極體接面溫度量測」國立交通大學電子物理研究

所碩士論文2004

[5] 林神江「LED介面溫度量測之研究」國立臺灣科技大學機械工程

系碩士論文2011

[6] 李佩璇「高功率發光二極體之亮度特性」國立成功大學工程科學

系碩博士論文2011

[7] 陳少宇「LED模組之熱分析」國立成功大學工程科學系碩博士

論文2006

[8] 葉建男「大功率 LED散熱系統研究」義守大學機械與自動化工程

學系碩博士論文2011

[9] 林旻賢「高功率 LED的散熱方式與溫度量測分析」國立交通大學

平面顯示技術碩士學位學程碩博士論文2010

[10] 紀偉豪「高功率發光二極體照明模組之散熱特性分析」國立清

華大學動力機械工程學系碩士論文2009

- 80 -

[11]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt 淺談 LED照明技術缺點

2007-10-04

httpwwwledinsidecomtwled_light_source_issue_200710

[12]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt 淺談 LED燈飾產品基本組成

2008-03-26

httpwwwledinsidecomtwled_light_basic_com_200803

[13]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt LED產業照明專業術語與測光

公式2007-10-25

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

[14] gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt LED鋁基板的特點結構與作

用2008-09-01

httpwwwledinsidecomtwled_al_substrate_200809

[15]gt江志宏IT電子產業專區gt熱傳導專區

httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

[16]gt Japanese Journal of Applied Physics Vol 44 No 10 2005

pp 7260ndash7266「SELECTED TOPICS in APPLIED PHYSICS III」

[17]gt 技術文件「弘凱光電大功率熱管理」

httpwwwbrightekledcomadminproductsUploadFiles2008121

11956907pdf

- 81 -

[18]gt 黃子軒「利用反應曲面法配合基因演算法分析陣列式高功率 LED

構裝散熱之最佳設計」國 立 成 功 大 學工 程 科 學 系碩博士論文

2009

[19]gt 丁志華戴寶通「田口實驗計畫法簡介(I)」國家毫微米元件實

驗室httpwwwndlorgtwchtndlcommP8_38_3_2pdf

[20]gt 張明毅「田口方法簡介」宜蘭大學生機系 20031024

httpwwwecaantuedutwweifangsysEng田口田口方法

[21]gt 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

機械與機電工程系碩博士論文2007

[22]gt 李輝煌著高立圖書發行「田口方法」

[23] gthttpwwwledinsidecomtw10_reason_for_led_light_source_200801

[24]gt wwwksoncomtwchinesestudy_25htm

[25]gt wwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

[26]gt httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

[27]gt httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

[28]gt

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-P

ower-LED-Assemblyhtml

[29]gt httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

[30]gt httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

[31]gt httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

[32]gt httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 82 -

[33]gt

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

[34]gt

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-junction-temperat

ure-of-leds-with-thermal-management-materials

[35]gt

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184h

tml

[36]gt

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

Page 87: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 74 -

4-31 Tj量測推算值總表

Exp A電路基板 B導熱介質 C外殼材質 Tj推算值

()

Ranking

1 鋁基板 導熱貼片 金屬鋁 949 1

6 FR4雙面基板 導熱貼片 金屬鋁 983 2

3 鋁基板 導熱膠 金屬鋁 1036 3

8 FR4雙面基板 導熱膠 金屬鋁 1060 4

9 FR4單層基板 導熱貼片 金屬鋁 1267 5

12 FR4單層基板 導熱膠 金屬鋁 1287 6

2 鋁基板 導熱貼片 工程塑膠 1316 7

4 鋁基板 導熱膠 工程塑膠 1456 8

7 FR4雙面基板 導熱貼片 工程塑膠 1738 9

5 FR4雙面基板 導熱膠 工程塑膠 1812 10

11 FR4單層基板 導熱貼片 工程塑膠 2121 11

10 FR4單層基板 導熱膠 工程塑膠 2150 12

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

文獻參考

[1] 經濟部標準檢驗局九十七年度專案成果報告「節約能源產業產品標

準安全及性能檢測技術先期研究及導入委辦計劃」

[2] 伊東新太郎著鄭振東譯「LED淺說光電技術入門」

[3] 陳建隆 編著全華圖書發行「發光二極體之原理與製程」

[4] 陳義宏「發光二極體接面溫度量測」國立交通大學電子物理研究

所碩士論文2004

[5] 林神江「LED介面溫度量測之研究」國立臺灣科技大學機械工程

系碩士論文2011

[6] 李佩璇「高功率發光二極體之亮度特性」國立成功大學工程科學

系碩博士論文2011

[7] 陳少宇「LED模組之熱分析」國立成功大學工程科學系碩博士

論文2006

[8] 葉建男「大功率 LED散熱系統研究」義守大學機械與自動化工程

學系碩博士論文2011

[9] 林旻賢「高功率 LED的散熱方式與溫度量測分析」國立交通大學

平面顯示技術碩士學位學程碩博士論文2010

[10] 紀偉豪「高功率發光二極體照明模組之散熱特性分析」國立清

華大學動力機械工程學系碩士論文2009

- 80 -

[11]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt 淺談 LED照明技術缺點

2007-10-04

httpwwwledinsidecomtwled_light_source_issue_200710

[12]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt 淺談 LED燈飾產品基本組成

2008-03-26

httpwwwledinsidecomtwled_light_basic_com_200803

[13]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt LED產業照明專業術語與測光

公式2007-10-25

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

[14] gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt LED鋁基板的特點結構與作

用2008-09-01

httpwwwledinsidecomtwled_al_substrate_200809

[15]gt江志宏IT電子產業專區gt熱傳導專區

httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

[16]gt Japanese Journal of Applied Physics Vol 44 No 10 2005

pp 7260ndash7266「SELECTED TOPICS in APPLIED PHYSICS III」

[17]gt 技術文件「弘凱光電大功率熱管理」

httpwwwbrightekledcomadminproductsUploadFiles2008121

11956907pdf

- 81 -

[18]gt 黃子軒「利用反應曲面法配合基因演算法分析陣列式高功率 LED

構裝散熱之最佳設計」國 立 成 功 大 學工 程 科 學 系碩博士論文

2009

[19]gt 丁志華戴寶通「田口實驗計畫法簡介(I)」國家毫微米元件實

驗室httpwwwndlorgtwchtndlcommP8_38_3_2pdf

[20]gt 張明毅「田口方法簡介」宜蘭大學生機系 20031024

httpwwwecaantuedutwweifangsysEng田口田口方法

[21]gt 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

機械與機電工程系碩博士論文2007

[22]gt 李輝煌著高立圖書發行「田口方法」

[23] gthttpwwwledinsidecomtw10_reason_for_led_light_source_200801

[24]gt wwwksoncomtwchinesestudy_25htm

[25]gt wwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

[26]gt httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

[27]gt httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

[28]gt

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-P

ower-LED-Assemblyhtml

[29]gt httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

[30]gt httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

[31]gt httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

[32]gt httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 82 -

[33]gt

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

[34]gt

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-junction-temperat

ure-of-leds-with-thermal-management-materials

[35]gt

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184h

tml

[36]gt

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

Page 88: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 75 -

第五章 實驗因子對模組效應分析

51 電路基板板材影響效應

電路基板板材在整個模組中頇立即將 LED 熱源往整個系統作

傳導避免 LED 積熱時間過長影響壽命因此在材質選擇上將

高導熱係數參數列為優先的考量

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 B」與「實驗因

子 C」固定的條件下鋁基板與 FR4雙層基板的組合比較兩者溫差分

別為【1比 6】溫差 34【3比 8】溫差 24

而鋁基板與 FR4單層基板的組合比較兩者溫差分別為 【1比 9】溫

差 317【3比 12】溫差 251

鋁基板主要基材為鋁(鋁的導熱係數約為 K=237Wmk)相對其

導熱效率相當佳通常是 LED Hight power(3W 以上) 產品在設計初

期時優先的選項

FR4雙面板主要基材為玻纖材質(絕緣強導熱較差)一般製

程上會在正反兩面鋪1盎司的銅層(導電導熱極佳)而在兩者材質

間有導熱黏著劑作結合雖然基材的導熱係數僅 K=2Wmk但因銅的

導熱係數高達 K=401Wmk相對其導熱效率相當佳 FR4雙面板正反兩

面有銅層作熱傳導與鋁基板溫差最高lt5效果無明顯差異

FR4單層基板材料與 FR4雙面板極相似差異在於僅有正面鋪1

盎司的銅層作熱傳導 反面無銅層作熱傳導與整個模組系統熱傳遞

會較差與鋁基板材溫差卻有最低gt25 效果有明顯差異

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

文獻參考

[1] 經濟部標準檢驗局九十七年度專案成果報告「節約能源產業產品標

準安全及性能檢測技術先期研究及導入委辦計劃」

[2] 伊東新太郎著鄭振東譯「LED淺說光電技術入門」

[3] 陳建隆 編著全華圖書發行「發光二極體之原理與製程」

[4] 陳義宏「發光二極體接面溫度量測」國立交通大學電子物理研究

所碩士論文2004

[5] 林神江「LED介面溫度量測之研究」國立臺灣科技大學機械工程

系碩士論文2011

[6] 李佩璇「高功率發光二極體之亮度特性」國立成功大學工程科學

系碩博士論文2011

[7] 陳少宇「LED模組之熱分析」國立成功大學工程科學系碩博士

論文2006

[8] 葉建男「大功率 LED散熱系統研究」義守大學機械與自動化工程

學系碩博士論文2011

[9] 林旻賢「高功率 LED的散熱方式與溫度量測分析」國立交通大學

平面顯示技術碩士學位學程碩博士論文2010

[10] 紀偉豪「高功率發光二極體照明模組之散熱特性分析」國立清

華大學動力機械工程學系碩士論文2009

- 80 -

[11]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt 淺談 LED照明技術缺點

2007-10-04

httpwwwledinsidecomtwled_light_source_issue_200710

[12]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt 淺談 LED燈飾產品基本組成

2008-03-26

httpwwwledinsidecomtwled_light_basic_com_200803

[13]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt LED產業照明專業術語與測光

公式2007-10-25

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

[14] gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt LED鋁基板的特點結構與作

用2008-09-01

httpwwwledinsidecomtwled_al_substrate_200809

[15]gt江志宏IT電子產業專區gt熱傳導專區

httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

[16]gt Japanese Journal of Applied Physics Vol 44 No 10 2005

pp 7260ndash7266「SELECTED TOPICS in APPLIED PHYSICS III」

[17]gt 技術文件「弘凱光電大功率熱管理」

httpwwwbrightekledcomadminproductsUploadFiles2008121

11956907pdf

- 81 -

[18]gt 黃子軒「利用反應曲面法配合基因演算法分析陣列式高功率 LED

構裝散熱之最佳設計」國 立 成 功 大 學工 程 科 學 系碩博士論文

2009

[19]gt 丁志華戴寶通「田口實驗計畫法簡介(I)」國家毫微米元件實

驗室httpwwwndlorgtwchtndlcommP8_38_3_2pdf

[20]gt 張明毅「田口方法簡介」宜蘭大學生機系 20031024

httpwwwecaantuedutwweifangsysEng田口田口方法

[21]gt 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

機械與機電工程系碩博士論文2007

[22]gt 李輝煌著高立圖書發行「田口方法」

[23] gthttpwwwledinsidecomtw10_reason_for_led_light_source_200801

[24]gt wwwksoncomtwchinesestudy_25htm

[25]gt wwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

[26]gt httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

[27]gt httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

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httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-P

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[30]gt httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

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[32]gt httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 82 -

[33]gt

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

[34]gt

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-junction-temperat

ure-of-leds-with-thermal-management-materials

[35]gt

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184h

tml

[36]gt

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

Page 89: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 76 -

52 導熱材料影響效應

LED及散熱片表面並非平坦兩者作貼合時的縫隙藉由具有可變形

的導熱材料來填補以增進熱傳效率

因導熱貼片30G-TL的導熱係數(K=28Wmk)高於導熱膠SR-8200的導熱

係數(K=10Wmk)故使用導熱貼片的實驗組別效果較佳

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗因子

C」固定的條件下導熱貼片 30G-TL與導熱膠 SR-8200的組合比較兩

者溫差分別為【1比 3】溫差 86【4比 2】溫差 14【6比 8】

溫差 77【7比 5】溫差 74【9比 12】溫差 2【11比 10】

溫差 3

導熱貼片與導熱膠的組合比較兩者溫差最低有 2顯示只要填

補空隙就可達到相同效果

- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

文獻參考

[1] 經濟部標準檢驗局九十七年度專案成果報告「節約能源產業產品標

準安全及性能檢測技術先期研究及導入委辦計劃」

[2] 伊東新太郎著鄭振東譯「LED淺說光電技術入門」

[3] 陳建隆 編著全華圖書發行「發光二極體之原理與製程」

[4] 陳義宏「發光二極體接面溫度量測」國立交通大學電子物理研究

所碩士論文2004

[5] 林神江「LED介面溫度量測之研究」國立臺灣科技大學機械工程

系碩士論文2011

[6] 李佩璇「高功率發光二極體之亮度特性」國立成功大學工程科學

系碩博士論文2011

[7] 陳少宇「LED模組之熱分析」國立成功大學工程科學系碩博士

論文2006

[8] 葉建男「大功率 LED散熱系統研究」義守大學機械與自動化工程

學系碩博士論文2011

[9] 林旻賢「高功率 LED的散熱方式與溫度量測分析」國立交通大學

平面顯示技術碩士學位學程碩博士論文2010

[10] 紀偉豪「高功率發光二極體照明模組之散熱特性分析」國立清

華大學動力機械工程學系碩士論文2009

- 80 -

[11]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt 淺談 LED照明技術缺點

2007-10-04

httpwwwledinsidecomtwled_light_source_issue_200710

[12]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt 淺談 LED燈飾產品基本組成

2008-03-26

httpwwwledinsidecomtwled_light_basic_com_200803

[13]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt LED產業照明專業術語與測光

公式2007-10-25

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

[14] gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt LED鋁基板的特點結構與作

用2008-09-01

httpwwwledinsidecomtwled_al_substrate_200809

[15]gt江志宏IT電子產業專區gt熱傳導專區

httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

[16]gt Japanese Journal of Applied Physics Vol 44 No 10 2005

pp 7260ndash7266「SELECTED TOPICS in APPLIED PHYSICS III」

[17]gt 技術文件「弘凱光電大功率熱管理」

httpwwwbrightekledcomadminproductsUploadFiles2008121

11956907pdf

- 81 -

[18]gt 黃子軒「利用反應曲面法配合基因演算法分析陣列式高功率 LED

構裝散熱之最佳設計」國 立 成 功 大 學工 程 科 學 系碩博士論文

2009

[19]gt 丁志華戴寶通「田口實驗計畫法簡介(I)」國家毫微米元件實

驗室httpwwwndlorgtwchtndlcommP8_38_3_2pdf

[20]gt 張明毅「田口方法簡介」宜蘭大學生機系 20031024

httpwwwecaantuedutwweifangsysEng田口田口方法

[21]gt 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

機械與機電工程系碩博士論文2007

[22]gt 李輝煌著高立圖書發行「田口方法」

[23] gthttpwwwledinsidecomtw10_reason_for_led_light_source_200801

[24]gt wwwksoncomtwchinesestudy_25htm

[25]gt wwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

[26]gt httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

[27]gt httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

[28]gt

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-P

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[29]gt httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

[30]gt httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

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[32]gt httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 82 -

[33]gt

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

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ure-of-leds-with-thermal-management-materials

[35]gt

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184h

tml

[36]gt

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

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- 77 -

53 外殼影響效應

外殼為模組系統中具有熱對流功效的因子本實驗所選用的 AL-散熱

外殼材質為 JIS編號 ADC-12屬於鑄鋁錠的元素其導熱係數 K約 96Wmk

而以工程塑膠為材質散熱外殼其導熱係數 K約 6Wmk

由 4-31 Tj量測推算值總表發現在「實驗因子 A」與「實驗

因子 B」相同的條件下金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的組合比較兩者

溫差分別為【1比 2】溫差 367【3比 4】溫差 42【6比 7】溫

差 754【8比 5】溫差 752【9比 11】溫差 854【12比

10】溫差 864

金屬鋁外殼與工程塑膠外殼的溫差最高達 864效果較前兩

項因子有顯著影響

- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

文獻參考

[1] 經濟部標準檢驗局九十七年度專案成果報告「節約能源產業產品標

準安全及性能檢測技術先期研究及導入委辦計劃」

[2] 伊東新太郎著鄭振東譯「LED淺說光電技術入門」

[3] 陳建隆 編著全華圖書發行「發光二極體之原理與製程」

[4] 陳義宏「發光二極體接面溫度量測」國立交通大學電子物理研究

所碩士論文2004

[5] 林神江「LED介面溫度量測之研究」國立臺灣科技大學機械工程

系碩士論文2011

[6] 李佩璇「高功率發光二極體之亮度特性」國立成功大學工程科學

系碩博士論文2011

[7] 陳少宇「LED模組之熱分析」國立成功大學工程科學系碩博士

論文2006

[8] 葉建男「大功率 LED散熱系統研究」義守大學機械與自動化工程

學系碩博士論文2011

[9] 林旻賢「高功率 LED的散熱方式與溫度量測分析」國立交通大學

平面顯示技術碩士學位學程碩博士論文2010

[10] 紀偉豪「高功率發光二極體照明模組之散熱特性分析」國立清

華大學動力機械工程學系碩士論文2009

- 80 -

[11]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt 淺談 LED照明技術缺點

2007-10-04

httpwwwledinsidecomtwled_light_source_issue_200710

[12]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt 淺談 LED燈飾產品基本組成

2008-03-26

httpwwwledinsidecomtwled_light_basic_com_200803

[13]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt LED產業照明專業術語與測光

公式2007-10-25

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

[14] gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt LED鋁基板的特點結構與作

用2008-09-01

httpwwwledinsidecomtwled_al_substrate_200809

[15]gt江志宏IT電子產業專區gt熱傳導專區

httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

[16]gt Japanese Journal of Applied Physics Vol 44 No 10 2005

pp 7260ndash7266「SELECTED TOPICS in APPLIED PHYSICS III」

[17]gt 技術文件「弘凱光電大功率熱管理」

httpwwwbrightekledcomadminproductsUploadFiles2008121

11956907pdf

- 81 -

[18]gt 黃子軒「利用反應曲面法配合基因演算法分析陣列式高功率 LED

構裝散熱之最佳設計」國 立 成 功 大 學工 程 科 學 系碩博士論文

2009

[19]gt 丁志華戴寶通「田口實驗計畫法簡介(I)」國家毫微米元件實

驗室httpwwwndlorgtwchtndlcommP8_38_3_2pdf

[20]gt 張明毅「田口方法簡介」宜蘭大學生機系 20031024

httpwwwecaantuedutwweifangsysEng田口田口方法

[21]gt 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

機械與機電工程系碩博士論文2007

[22]gt 李輝煌著高立圖書發行「田口方法」

[23] gthttpwwwledinsidecomtw10_reason_for_led_light_source_200801

[24]gt wwwksoncomtwchinesestudy_25htm

[25]gt wwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

[26]gt httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

[27]gt httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

[28]gt

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-P

ower-LED-Assemblyhtml

[29]gt httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

[30]gt httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

[31]gt httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

[32]gt httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 82 -

[33]gt

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

[34]gt

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-junction-temperat

ure-of-leds-with-thermal-management-materials

[35]gt

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184h

tml

[36]gt

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

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- 78 -

第六章 結論

目前在LED照明產品的設計上常以導熱係數作為選用材料的參考依

據以改善散熱的現象電路基板是最接近LED的主要結構其主要功能之

一是迅速將熱遠離LED

鋁基板傳導的效率雖較 FR4雙面基板佳但兩者在 Tj溫度差距lt5

時考量其他干擾因素的條件下FR4雙面基板的熱傳導效率已相當

接近鋁基板

FR4 可以使用其他-疊構金屬材質的製程以提高散熱效果

方向 1 板材 PAD 噴錫以增加與 LED-PAD 的相容性

方向 2改變鋪銅層的單位(盎司)增加高導熱材質的比例

方向 3調整黏著劑結合的參數以提高導熱效能

本次的實驗雖然選擇不同導熱參數來作比較但因導熱貼片為固體

型導熱膠為液態型兩者的相形不同比較的基準仍有些差異導熱材

料功能在於電路基板與散熱外殼之間的傳遞介質導熱係數並非極大值就

是最佳畢竟散熱效果頇視整個系統的架構而定

承上所述外殼在模組系統中必頇作熱對流的功效金屬鋁外殼熱傳效

率高可迅速將熱量由內部的傳導模式轉成外部的對流模式 工程塑膠

熱傳效應雖然較低但因其同時具有導熱與絕緣的特性在未來規範定案

時金屬外殼是必頇與其作搭配使用

- 79 -

文獻參考

[1] 經濟部標準檢驗局九十七年度專案成果報告「節約能源產業產品標

準安全及性能檢測技術先期研究及導入委辦計劃」

[2] 伊東新太郎著鄭振東譯「LED淺說光電技術入門」

[3] 陳建隆 編著全華圖書發行「發光二極體之原理與製程」

[4] 陳義宏「發光二極體接面溫度量測」國立交通大學電子物理研究

所碩士論文2004

[5] 林神江「LED介面溫度量測之研究」國立臺灣科技大學機械工程

系碩士論文2011

[6] 李佩璇「高功率發光二極體之亮度特性」國立成功大學工程科學

系碩博士論文2011

[7] 陳少宇「LED模組之熱分析」國立成功大學工程科學系碩博士

論文2006

[8] 葉建男「大功率 LED散熱系統研究」義守大學機械與自動化工程

學系碩博士論文2011

[9] 林旻賢「高功率 LED的散熱方式與溫度量測分析」國立交通大學

平面顯示技術碩士學位學程碩博士論文2010

[10] 紀偉豪「高功率發光二極體照明模組之散熱特性分析」國立清

華大學動力機械工程學系碩士論文2009

- 80 -

[11]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt 淺談 LED照明技術缺點

2007-10-04

httpwwwledinsidecomtwled_light_source_issue_200710

[12]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt 淺談 LED燈飾產品基本組成

2008-03-26

httpwwwledinsidecomtwled_light_basic_com_200803

[13]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt LED產業照明專業術語與測光

公式2007-10-25

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

[14] gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt LED鋁基板的特點結構與作

用2008-09-01

httpwwwledinsidecomtwled_al_substrate_200809

[15]gt江志宏IT電子產業專區gt熱傳導專區

httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

[16]gt Japanese Journal of Applied Physics Vol 44 No 10 2005

pp 7260ndash7266「SELECTED TOPICS in APPLIED PHYSICS III」

[17]gt 技術文件「弘凱光電大功率熱管理」

httpwwwbrightekledcomadminproductsUploadFiles2008121

11956907pdf

- 81 -

[18]gt 黃子軒「利用反應曲面法配合基因演算法分析陣列式高功率 LED

構裝散熱之最佳設計」國 立 成 功 大 學工 程 科 學 系碩博士論文

2009

[19]gt 丁志華戴寶通「田口實驗計畫法簡介(I)」國家毫微米元件實

驗室httpwwwndlorgtwchtndlcommP8_38_3_2pdf

[20]gt 張明毅「田口方法簡介」宜蘭大學生機系 20031024

httpwwwecaantuedutwweifangsysEng田口田口方法

[21]gt 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

機械與機電工程系碩博士論文2007

[22]gt 李輝煌著高立圖書發行「田口方法」

[23] gthttpwwwledinsidecomtw10_reason_for_led_light_source_200801

[24]gt wwwksoncomtwchinesestudy_25htm

[25]gt wwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

[26]gt httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

[27]gt httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

[28]gt

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-P

ower-LED-Assemblyhtml

[29]gt httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

[30]gt httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

[31]gt httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

[32]gt httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 82 -

[33]gt

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

[34]gt

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-junction-temperat

ure-of-leds-with-thermal-management-materials

[35]gt

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184h

tml

[36]gt

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

Page 92: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 79 -

文獻參考

[1] 經濟部標準檢驗局九十七年度專案成果報告「節約能源產業產品標

準安全及性能檢測技術先期研究及導入委辦計劃」

[2] 伊東新太郎著鄭振東譯「LED淺說光電技術入門」

[3] 陳建隆 編著全華圖書發行「發光二極體之原理與製程」

[4] 陳義宏「發光二極體接面溫度量測」國立交通大學電子物理研究

所碩士論文2004

[5] 林神江「LED介面溫度量測之研究」國立臺灣科技大學機械工程

系碩士論文2011

[6] 李佩璇「高功率發光二極體之亮度特性」國立成功大學工程科學

系碩博士論文2011

[7] 陳少宇「LED模組之熱分析」國立成功大學工程科學系碩博士

論文2006

[8] 葉建男「大功率 LED散熱系統研究」義守大學機械與自動化工程

學系碩博士論文2011

[9] 林旻賢「高功率 LED的散熱方式與溫度量測分析」國立交通大學

平面顯示技術碩士學位學程碩博士論文2010

[10] 紀偉豪「高功率發光二極體照明模組之散熱特性分析」國立清

華大學動力機械工程學系碩士論文2009

- 80 -

[11]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt 淺談 LED照明技術缺點

2007-10-04

httpwwwledinsidecomtwled_light_source_issue_200710

[12]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt 淺談 LED燈飾產品基本組成

2008-03-26

httpwwwledinsidecomtwled_light_basic_com_200803

[13]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt LED產業照明專業術語與測光

公式2007-10-25

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

[14] gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt LED鋁基板的特點結構與作

用2008-09-01

httpwwwledinsidecomtwled_al_substrate_200809

[15]gt江志宏IT電子產業專區gt熱傳導專區

httpwwwksoncomtwchinesestudy_25htm

[16]gt Japanese Journal of Applied Physics Vol 44 No 10 2005

pp 7260ndash7266「SELECTED TOPICS in APPLIED PHYSICS III」

[17]gt 技術文件「弘凱光電大功率熱管理」

httpwwwbrightekledcomadminproductsUploadFiles2008121

11956907pdf

- 81 -

[18]gt 黃子軒「利用反應曲面法配合基因演算法分析陣列式高功率 LED

構裝散熱之最佳設計」國 立 成 功 大 學工 程 科 學 系碩博士論文

2009

[19]gt 丁志華戴寶通「田口實驗計畫法簡介(I)」國家毫微米元件實

驗室httpwwwndlorgtwchtndlcommP8_38_3_2pdf

[20]gt 張明毅「田口方法簡介」宜蘭大學生機系 20031024

httpwwwecaantuedutwweifangsysEng田口田口方法

[21]gt 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

機械與機電工程系碩博士論文2007

[22]gt 李輝煌著高立圖書發行「田口方法」

[23] gthttpwwwledinsidecomtw10_reason_for_led_light_source_200801

[24]gt wwwksoncomtwchinesestudy_25htm

[25]gt wwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

[26]gt httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

[27]gt httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

[28]gt

httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-P

ower-LED-Assemblyhtml

[29]gt httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

httpbig5hisuppliercomproductdetail-315643html

[30]gt httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

[31]gt httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

[32]gt httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 82 -

[33]gt

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

[34]gt

httpwwwfobsuncomblog201104controlling-junction-temperat

ure-of-leds-with-thermal-management-materials

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httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184h

tml

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httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

Page 93: 國 立 交 通 大 學 · 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

- 80 -

[11]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt 淺談 LED照明技術缺點

2007-10-04

httpwwwledinsidecomtwled_light_source_issue_200710

[12]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt 淺談 LED燈飾產品基本組成

2008-03-26

httpwwwledinsidecomtwled_light_basic_com_200803

[13]gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt LED產業照明專業術語與測光

公式2007-10-25

httpwwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

[14] gt產業資訊 LED insidegt技術專欄 gt LED鋁基板的特點結構與作

用2008-09-01

httpwwwledinsidecomtwled_al_substrate_200809

[15]gt江志宏IT電子產業專區gt熱傳導專區

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[16]gt Japanese Journal of Applied Physics Vol 44 No 10 2005

pp 7260ndash7266「SELECTED TOPICS in APPLIED PHYSICS III」

[17]gt 技術文件「弘凱光電大功率熱管理」

httpwwwbrightekledcomadminproductsUploadFiles2008121

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- 81 -

[18]gt 黃子軒「利用反應曲面法配合基因演算法分析陣列式高功率 LED

構裝散熱之最佳設計」國 立 成 功 大 學工 程 科 學 系碩博士論文

2009

[19]gt 丁志華戴寶通「田口實驗計畫法簡介(I)」國家毫微米元件實

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[20]gt 張明毅「田口方法簡介」宜蘭大學生機系 20031024

httpwwwecaantuedutwweifangsysEng田口田口方法

[21]gt 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

機械與機電工程系碩博士論文2007

[22]gt 李輝煌著高立圖書發行「田口方法」

[23] gthttpwwwledinsidecomtw10_reason_for_led_light_source_200801

[24]gt wwwksoncomtwchinesestudy_25htm

[25]gt wwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

[26]gt httpwwwnchuedutw~acenderdmpspeaker961224pdf

[27]gt httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

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httprenatecenmade-in-chinacomofferbMrENKwYbAhQSell-P

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[30]gt httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

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- 82 -

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[18]gt 黃子軒「利用反應曲面法配合基因演算法分析陣列式高功率 LED

構裝散熱之最佳設計」國 立 成 功 大 學工 程 科 學 系碩博士論文

2009

[19]gt 丁志華戴寶通「田口實驗計畫法簡介(I)」國家毫微米元件實

驗室httpwwwndlorgtwchtndlcommP8_38_3_2pdf

[20]gt 張明毅「田口方法簡介」宜蘭大學生機系 20031024

httpwwwecaantuedutwweifangsysEng田口田口方法

[21]gt 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

機械與機電工程系碩博士論文2007

[22]gt 李輝煌著高立圖書發行「田口方法」

[23] gthttpwwwledinsidecomtw10_reason_for_led_light_source_200801

[24]gt wwwksoncomtwchinesestudy_25htm

[25]gt wwwledinsidecomtwglossary_of_led_light_industry

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[27]gt httpwwwdwtbjcomnewsdetail-1750html

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[29]gt httpwwwck365cnsell20101020sell_info_219745html

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[30]gt httpwwwled-yxcomproducts-showaspid=4

[31]gt httpwwwchinaswitchcombuyofferdetail106731html

[32]gt httpwwwpcpopcomdoc0269269055shtml

- 82 -

[33]gt

httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

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httpwwwfobsuncomblog201104controlling-junction-temperat

ure-of-leds-with-thermal-management-materials

[35]gt

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tml

[36]gt

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php

Page 95: 國 立 交 通 大 學 · 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

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httpwwwliteoncomPageaspxid=bbce52a8-1c1c-422f-8911-2e8a7

73c8789ampno=328

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httpwwwfobsuncomblog201104controlling-junction-temperat

ure-of-leds-with-thermal-management-materials

[35]gt

httpwwwcenscomcenshtmlzhproductproduct_main_93184h

tml

[36]gt

httpwwwtestequipmentconnectioncom470Keithley_2400php