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高功率發光二極體照明模組之散熱特性分析
Analysis of Thermal Performance for High Power Light Emitting Diode Lighting Module
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摘要
發光二極體(Light-Emitting Diode, LED)因本身具有高壽命、省電及低污染等特性，未來將逐漸取代傳統白熾燈泡成為新一世代的照明光源。在照明產品高亮度的市場要求下，高瓦數的發光二極體封裝形式已成為一種趨勢，但伴隨而來的是晶片處高熱能密度集中，此現象將導致接面溫度(Junction Temperature)上升，影響發光二極體亮度的消減、色溫改變及使用壽命縮減，故本研究根據熱傳遞基本理論、半導體電性與參數設計概念，使用有限單元分析軟體ANSYS®並搭配實際實驗，針對高功率發光二極體封裝結構與燈具模組結構進行散熱特性分析。 本研究為瞭解結構內詳細熱分佈物理行為，針對發光二極體封裝結構與燈具模組建立有限單元模型，搭配William與van de Pol等人提出熱自然對流理論代入邊界條件進行模擬分析。此外，接面溫度為影響晶片發光效率最甚之因素，故於本研究中亦基於半導體電性，使用順向偏壓法與電壓電流內差法進行接面溫度間接量測，以驗證模擬結果之正確性，其結果顯示誤差量皆在10%以內，表示分析結果與實際物理行為互相吻合。 另外，為提升發光二極體燈具之亮度與使用壽命，針對封裝體內、外部燈具與散熱鰭片幾何結構進行參數化分析，探討增加結構散熱能力之設計指標。由研究中發現對發光二極體內部封裝結構而言，因晶片本身尺寸較小，造成高熱量密度集中現象，無法有效藉封裝體內結構散逸出晶片處之熱能，故需著重外部散熱鰭片與燈具散熱結構之設計。分析結果指出增加散熱鰭片數目、燈具開孔半徑與置入導熱柱皆可有效增加結構散熱表面積、降低接面溫度進而增加亮度輸出。
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參考文獻
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