LED封裝暫態熱傳量測｜國立中央大學博碩士論文系統

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研究生：	劉韋志 Wei-chih Liu
論文名稱：	LED封裝暫態熱傳量測 Transient thermal measurement for LED package
指導教授：	楊宗勳 Tsung-hsun Yang 劉正毓 Cheng-yi Liu
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	理學院 - 光電科學與工程學系 Department of Optics and Photonics
畢業學年度：	99
語文別：	中文
論文頁數：	80
中文關鍵詞：	發光二極體、接面溫度、暫態熱傳量測系統
外文關鍵詞：	Light-emitting diodes(LEDs), thermal transient measurement system, junction temperature
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近幾年在高功率LED快速發展之下，LED工作時所產生龐大熱量對晶片的影響，已是當前急需解決的重大問題之一。如何評估LED封裝結構與模組系統的散熱能力，進而解決其熱累積的問題，發展一套可靠的熱阻量測系統是絕對必要的課題。目前已有數種不同的熱阻量測系統被提出，但尚未有一套可被完全接受的方法。本論文建構一套LED封裝暫態熱傳量測系統，並利用此系統來量測(1)不同的散熱膏厚度與(2)改變散熱銅基板幾何形狀對於LED晶片接面溫度對時間的響應，進而分析與探討LED封裝結構中熱傳導的行為。

The thermal management of high-power LEDs is a very important issue. A measurement system is designed to measure the transient behavior of the junction temperature of LEDs with a continuous direct current input. The thermal transient measurement system can be used to investigate the characteristics of the thermal transfer in LED package. In this work, we investigated the effect of the dimensions size of Cu substrates and the thickness of the thermal paste on the heat dissipation.

目錄
中文摘要…………………………………………………………………I
英文摘要 ………………………………………………………………II
目錄……………………………………………………………………III
圖目錄 …………………………………………………………………VI
表目錄……………………………………………………………………X
第一章	 序論…………………………………………………………… 1
第二章	 文獻回顧……………………………………………………… 3
2-1 接面溫度量測方法……………………………………… 3
2-1.1顯微拉曼光譜(Micro-Raman Spectroscopy)……3
2-1.2光致發光法(Photo-luminescence)………………3
2-1.3電致發光法(Electro-luminescence)……………4
2-1.4 非接觸法(Non-contact Method) ………………4
2-1.5向列液晶法(Nematic Liquid Crystal, NCL) …4
2-1.6高能量斜率法(High-Energy Slope Method)……5
2-1.7順向偏壓法(Forward Voltage Method)…………5
2-2 熱阻量測方法 ……………………………………………8
2-2.1標準量測方法………………………………………8
2-2.2脈衝順向偏壓方法 ………………………………11
2-2.3 TEC Temperature-Controlled法………………13
2-2.4 暫態熱阻量測方法  ……………………………14
第三章	 實驗方法與步驟………………………………………………16
3-1 量測接面溫度隨時間響應之實驗步驟…………………16
3-1.1 量測TSP特性……………………………………16
3-1.2 量測順向偏壓隨時間的響應……………………19
3-1.3 計算接面溫度隨時間的響應……………………21
3-2 散熱膏厚度變化對於接面溫度隨時間響應之量測……23
3-3 改變銅基板幾何尺寸對接面溫度隨時間響應之量測…24
3-4 實驗儀器…………………………………………………25
3-4.1 Keithley 2400……………………………………25
3-4.2 TEC控溫系統 ……………………………………26
3-4.3 NI PXI-4130 Source Measure Unit(SMU) ……27
3-4.4 PXI-4065 digital multimeter (DMM) ………28
第四章	結果與討論 ……………………………………………………29
4-1 LED封裝結構之熱傳遞分析………………………………29
4-1.2 LED封裝結構之熱暫態傳導分析 ………………31
4-2 散熱膏厚度之熱傳遞分析 ………………………………33
4-3 銅基板幾何尺寸之熱傳遞分析 …………………………40
4-3.1 銅基板直徑變化之熱傳遞分析…………………41
4-3.2 銅基板厚度變化之熱傳遞分析…………………52
第五章 結論……………………………………………………………61
參考文獻 ………………………………………………………………63
圖目錄
圖2-2.1 TSP特性圖……………………………………………………9
圖2-2.2 電源切換式接面溫度量測示意圖 …………………………10
圖2-2.3 相同Vf下DC與pulse結果比較……………………………12
圖2-2.4 NIST提出的LED熱阻量測流程示意圖……………………14
圖2-2.5 暫態熱阻量測的理論基礎與運算流程 ……………………15
圖3-1.1 量測TSP實驗架構圖 ………………………………………17
圖3-1.2 封裝體溫度(接面溫度)與順向偏壓的關係圖 ……………18
圖3-1.3 順向偏壓隨時間之暫態量測架構圖 ………………………20
圖3-1.4 LabVIEW 控制介面 …………………………………………20
圖3-1.5 順向偏壓隨時間的響應 ……………………………………21
圖3-1.5 接面溫度隨時間的響應 ……………………………………23
圖3-2.1 散熱膏厚度變化之實驗架構圖 ……………………………24
圖3-3.1 改變銅基板幾何尺寸之實驗架構 …………………………24
圖3-4.1 TEC控溫系統 ………………………………………………26
圖3-4.2 TEC Controller ……………………………………………27
圖4-1.1 LED封裝結構之熱傳導路徑分析圖…………………………29
圖4-1.2 LED封裝結構之熱暫態傳導分析圖…………………………31
圖4-2.1散熱膏厚度對接面溫度隨時間響應圖 ……………………33
圖4-2.2散熱膏材料裡熱傳導路徑示意圖 …………………………34
圖4-2.3 一維熱穩態傳遞示意圖 ……………………………………36
圖4-2.4 接面溫度與散膏厚度之關係圖 ……………………………37
圖4-2.5 不同熱傳導係數散熱膏之厚度對接面溫度關係圖 ………38
圖4-3.1(a) 厚度0.4mm銅基板之接面溫度隨時間響應
(實驗值與模擬值)  ……………………………………43
圖4-3.1(b) 厚度0.4mm銅基板之接面溫度隨時間響應(模擬值) …43
圖4-3.1(c) 厚度0.4mm銅基板之接面溫度上升速率隨時間響應
(實驗值與模擬值)………………………………………44
圖4-3.2(a) 厚度0.6mm銅基板之接面溫度隨時間響應
(實驗值與模擬值)………………………………………44
圖4-3.2(b) 厚度0.6mm銅基板之接面溫度隨時間響應(模擬值)…45
圖4-3.2(c) 厚度0.6mm銅基板之接面溫度上升速率隨時間響應
(實驗值與模擬值)………………………………………45
圖4-3.3(a) 厚度0.8mm銅基板之接面溫度隨時間響應
(實驗值與模擬值)………………………………………46
圖4-3.3(b) 厚度0.8mm銅基板之接面溫度隨時間響應(模擬值)…46
圖4-3.3(c) 厚度0.8mm銅基板之接面溫度上升速率隨時間響應
(實驗值與模擬值)………………………………………47
圖4-3.4(a) 厚度1.0mm銅基板之接面溫度隨時間響應
(實驗值與模擬值)………………………………………47
圖4-3.4(b) 厚度1.0mm銅基板之接面溫度隨時間響應(模擬值)…48
圖4-3.4(c) 厚度1.0mm銅基板之接面溫度上升速率隨時間響應
(實驗值與模擬值)………………………………………48
圖4-3.5(a) 厚度1.5mm銅基板之接面溫度隨時間響應
(實驗值與模擬值)………………………………………49
圖4-3.5(b) 厚度1.5mm銅基板之接面溫度隨時間響應(模擬值)…49
圖4-3.5(c) 厚度1.5mm銅基板之接面溫度上升速率隨時間響應
(實驗值與模擬值)………………………………………50
圖4-3.6(a) 厚度3.0mm銅基板之接面溫度隨時間響應
(實驗值與模擬值)………………………………………50
圖4-3.6(b) 厚度3.0mm銅基板之接面溫度隨時間響應(模擬值)…51
圖4-3.6(c) 厚度3.0mm銅基板之接面溫度上升速率隨時間響應
(實驗值與模擬值)………………………………………51
圖4-3.7(a) 直徑1.0cm銅基板之接面溫度隨時間響應
(實驗值與模擬值)………………………………………55
圖4-3.7(b) 直徑1.0cm銅基板之接面溫度隨時間響應(模擬值)…55
圖4-3.7(c) 直徑1.0cm銅基板之接面溫度上升速率隨時間響應
(實驗值與模擬值)………………………………………56
圖4-3.8(a) 直徑1.5cm銅基板之接面溫度隨時間響應
(實驗值與模擬值)………………………………………56
圖4-3.8(b) 直徑1.5cm銅基板之接面溫度隨時間響應(模擬值)…57
圖4-3.8(c) 直徑1.5cm銅基板之接面溫度上升速率隨時間響應
(實驗值與模擬值)………………………………………57
圖4-3.9(a) 直徑2.0cm銅基板之接面溫度隨時間響應
(實驗值與模擬值)………………………………………58
圖4-3.9(b) 直徑2.0cm銅基板之接面溫度隨時間響應(模擬值)…58
圖4-3.9(c) 直徑2.0cm銅基板之接面溫度隨時間響應
(實驗值與模擬值)………………………………………59
圖4-3.10(a) 直徑2.5cm銅基板之接面溫度隨時間響應
(實驗值與模擬值)………………………………………59
圖4-3.10(b) 直徑2.5cm銅基板之接面溫度隨時間響應(模擬值).60
圖4-3.10(c) 直徑2.5cm銅基板之接面溫度上升速率隨時間響應
(實驗值與模擬值)………………………………………60
表目錄
表3-4.1 Keithley 2400 規格表………………………………………25

                                

1. S. Todoroki, M. Sawai, and K. Aiki, “Temperature distribution along the striped active region in high-power GaAlAs visible lasers”, J. Appl. Phys., Vol.58, pp.1124, 1985.
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8. 戴明吉, 劉君愷, 譚瑞敏, 與李聖良, “熱阻量測技術(上)”, 工業材料雜誌, 281期, 2010.
9. 戴明吉, 劉君愷, 譚瑞敏, 與李聖良, “熱阻量測技術(下)”, 工業材料雜誌, 281期, 2010.
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11. B. Siegal, “Measurement of junction temperature confirms package thermal design”, Laser Focus Word, 2003.
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14. V. Székely, and Tran Van Bien, “Fine structure of heat flow path in semiconductor devices: a measurement and identification method”, Solid-State Electronics, V.31, pp.1363-1368, 1988.
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16. www.micred.com/t3ster.html
17. Frank P. Incropera, and David P. DeWitt, “Fundamentals of Heat Transfer”, John Wiley, Canada, 1981.

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