LED構裝之分析量測與新型式開.pptVIP

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LED構裝之分析量測與新型式開.ppt

汽車電子學實習 期中報告 班級:車輛三甲 姓名:羅庭諭.林靖詠 學號99715038 LED構裝之分析量測與評估(一) 一、摘要 研究高功率晶片黏接基板型發光二極體構裝體與其模組於不同環境測試條件下之穩態與暫態熱傳行為及可靠度,並評估其LED晶片強度。 在可靠度測試與冷熱衝擊測試下,評估COP構裝體熱與光性之可靠度,利用有限元素法、計算流體力學、及熱電路法模型分析與計算, 配合LED 晶片溫度量測機、熱電偶及熱像儀溫度量測實驗,預測隨時間變化之溫度、流體及應力場。最後,使用點負載(Point-load Test,PLT)與線負載(Line-load Test,LLT)測試法,評估高功率LED晶片強度。 二、研究問題與目的 LED亮度會隨著功率增加而等比例地提高,且LED構裝體因體積小散熱面積有限,故LED構裝體在高功率操作下,LED晶片勢必會產生更多的熱而造成晶片溫度(Junction temperature,Tj為了亟需解決上述所論的問題。 利用有限元素法(ANSYS)、熱電路法(Thermal ResistanceCircuit,TRC)及三種溫度量測實驗:晶片溫度測試機、熱電偶及熱像儀量測,研究COP構裝體與其模組之穩態熱傳行為。 為了確保LED產品長時間使用上的品質,LED構裝體必需通過一系列具標準規範的可靠度測試。 LED晶片是在藍寶石基板上沈積多層氮化物材料,在高溫成長過程中若材料間晶格或熱膨脹係數不匹配,則會產生過大的熱應力造成晶片破壞; 在晶粒黏著製程中若施予適當的黏著力,勢必會產生過多的機械外力衝擊於晶片上造成晶片破壞。 對LED晶片強度作正確且有效地評估,將可作為製造者重要的設計依據,以提高整體LED構裝體可靠度。與整體熱阻值以達到最佳散熱設計。 在高溫高濕可靠度測試(Wet High Temperature Operating LifeTest,WHTOL Test)前後,評估COP構裝體之熱與機械可靠度,而在冷熱衝擊測試(Thermal Shock Test,TS Test)前後,評估COP構裝體之熱與光性可靠度。 利用ANSYS與計算流體力學軟體(CFdesign)配合即時溫度量測,研究COP模組之暫態熱流行為與暫態熱應力分佈。 點負載(Point-load Test,PLT)與線負載(Line-load Test,LLT)兩種晶片強度測試法,結合ANSYS模擬分析,評估高功率LED晶片強度,找出影響晶片強度控制因子。 圖一 (a)COP構裝體與 ( b) 其內部 (c ) 及COP模組之幾何與材料配置 研究試片為低成本低晶片溫度高功率COP 構裝體與其模組,如圖一所示,主要 包含透明模封膠Encapsulant (Silicone)、LED 晶片、藍寶石Sapphire基板(Chip Substrate)、黏晶膠(Die Attach)、鋁基板(Aluminum Substrate)、散熱膏 (Thermal Grease)及銅散熱塊(Heat Sink)。 三、成果 ◎COP 構裝體穩態溫場分析結果 在高功率1.47W 負載下,分別比較COP 構裝體於2D 及3D ANSYS 分析下之穩態溫場分佈,如圖二(a)、(b)所示。2D 及3D 模型可獲得相當一致的溫場分佈且各部位溫度值相當一致,說明2D ANSYS模型足以用來評估COP 構裝體之穩態熱傳行為。 進一步將LED晶片與表面溫度實驗、熱像儀、2DANSYS與3D TRC分析結果作比較,所獲之晶片相對於空氣之熱阻(Rj-air)、晶片相對於模封材之熱阻(Rj-silicone)、晶片相對於鋁板(Rj-Al sub)之熱阻,如圖三所示。由圖中可發現實驗與模擬分析下之各部位熱阻值相一致,皆落在實驗誤差範圍內,驗證ANSYS與TRC熱模型的有效性。 接著利用TRC 與ANSYS 熱模型,進行改變材料熱傳導係數(k)作參數設計,找出降低晶片溫度或減少材料成本的關鍵材料,如圖四所示。亦可利用熱模型進行改變材料幾何尺寸作參數設計,找出最佳幾何設計降低整體晶片溫度。 (a) (b) 圖 二 COP 構裝體整體溫場分佈, (a)2D 軸對稱與(b)3D 1/4 對稱ANSYS 分析結果 (Power=1 .47 W ,I=402 mA) 圖 三 COP構裝體各部位熱阻值的比較, 2D ANSYS、3D TRC、熱像儀與溫度實驗分析結 果(Power=1. 4 7W)

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