人类之历史最早系由各种燃料燃烧释放出来的光与热来满足照明需求，随着爱迪生在1879年首次展示以钨丝灯泡为电极之白炽光源后，照明设备不断推陈出新；如萤光灯、金属卤化灯与卤素灯等等，皆是为了满足人们的要求，如同一句口号—科技始终来自人性。由于世界各国对于绿色能源的日益重视，占据超过20％以上电源消耗的照明系统，也逐渐成为重要课题。传统白炽灯光源转换效能过低，世界各国早已明定禁用时程，预计于2012年到2014年会逐渐被淘汰；而其他发光源则因或多或少含有有害物质，也让环保意识高涨的现今社会开始寻求其他新兴照明光源。自从1960年代后期发光二极体（LED）固态照明发展以来，随着发光效率的不断提升，LED先天上省电、寿命长、反应时间快、环保以及固态元件耐震动之优势，逐渐让LED崭露头角，取代市面上的各种发光源。

虽说LED发光效应较其他发光源为高，仍是有约80％以上的能量会转成热能消散。尤其随着发光功率提升、以及超高亮度LED应用之需求，高功率LED以及串接式LED亦应运而生，尤其LED具有半导体之特性，其产生之废热对于LED之寿命、发光特性，都有着举足轻重之影响。以往LED发光产品之功率要求较低，但为拓展其应用层面至如室外照明、大尺寸背光模组以及车前灯照明等有着超高亮度需求，或是散热环境严苛之产品；LED之热管理必定成为未来发展相关产业的技术门槛之ㄧ。

LED温度量测

诚如前文所述，LED之废热消散机制，将会继LED发光效益、封装、驱动IC控制之后，成为未来主导LED照明商品之重要课题；如何准确量得LED之温度，便成为热管理的首要目标。本节将为各位介绍，如何精准量到LED之接面温度。

LED发光效应

要得到准确的LED发热温度，首先便要先了解LED之发光原理。 LED主要是利用二极体之pn接面（pn junction）结构，施加一顺向偏压，驱动N型半导体中电子与P型半导体之电洞于接面结合时，部分能量转为光能，其余能量则产生声子造成接面结构震动，最终转成热能型式释放，如图一所示。

《图一 LED发光示意图》

LED接面温度量测

由于LED晶粒尺寸相当小，欲直接量测其接面温度实属不易。不管是以热电偶贴附方式量测，亦或是采用红外线热显像仪直接照射，都由于空间解析度不足而产生相当大之误差。目前一般多是采用半导体之热特性，亦即其顺向偏压会随温度上升而下降，来反推求得接面温度。在实际操作的时候，通常会先将待测元件放置于一温控环境下，待其达到稳态，量测该温度下之顺向电压值。反覆在不同温度下操作，以求得电压随温度上升之递减曲线。在一般LED操作环境温度下（10℃～90℃），顺向电压随温度递减呈现线性，其斜率一般称之温度敏感参数（TSP），我们则称其倒数为K因子（K factor），如公式一。

由于LED此一元件量测电压较量测温度为易，在已知K因子之先决条件下，只需量测当下之顺向电压，即可由K因子反推求得相应之接面温度。

坊间大多以此方式求得LED作动时之接面温度变化，进而求得LED之热阻值；然而受限于量测机台，多半仅能测得待测元件之整体等效热阻，欲求得各层热阻变化并不见得相当精确。本文将介绍LED温度量测技术，不同于以往只量测接面温度之变化曲线，取而代之的是以传热途径来诠释LED内部结构，除可量测待测元件或模组之整体等效热阻，更可直接且精准量到待测物内部各层之热阻值。

量测原理与方法

此种新颖之LED温度量测技术系采用半导体接面温度量测机台（Thermal Transient Tester；T3Ster）进行量测，其测量LED接面温度方法与一般顺向电压量测法大同小异，量测符合JEDEC 。但T3Ster可于1微秒（1μs）即启动量测，一般量测机台大约是在1毫秒（1ms）后才能启动，若以1毫秒来估算，大约会损失10％～15％的资料量。且最高可于每1微秒纪录一点数据，每次量测最多可记录65000笔数据点，讯号杂讯比（SNR）达70dB。

T3Ster量测方式是提供待测元件一功率变化，让元件产生温度响应，纪录由初始条件到温度变化趋于稳定间，温度随时间变化的暂态曲线。除了得到温升曲线与整体热阻外，藉由大量精准的量测数据，配合其演算法，更可了解元件中各层结构之热阻与热容。

简单的说，T3Ster在演算过程中就是以电子学中常见之RC系统来模拟LED内部之热传递途径，以热阻取代电阻、热容取代电容。利用NID演算法，将量测所得之热响应函数或热阻抗函数微分后，加以反折积得到时域频谱，离散化后再转换成结构函数；结构函数横轴为热阻，纵轴为热容值，其与一般常见之热特性曲线大相径庭，图二为T3Ster量测资料之演算流程。

《图二 T3Ster量测数据演算过程》

我们可将结构函数之横轴、纵轴分别看成热在结构中行进时，所历经之总热阻与热容。以下采一均质柱体来解释，如图三所示。

《图三 Compact model for explaining structure function》

图四左上有一热源自柱体左端传入，右端为一理想热沉（heat sink），将此柱体视为由许多小单元所组成，每一单元之体积为V＝A˙ΔL，单元热阻Rth＝ΔL /(A˙λ)，单元热容Cth＝V˙Cν。当结构内部之热容Cν、热传导系数λ或截面积A产生变化时，其斜率就会改变；换句话说，若结构内Cν、λ、A皆不变时（通常代表热通过相同物质且其几何条件相等），斜率保持不变，如图四所示。

《图四 结构函数变化：图(a)代表结构截面积改变，图(b)代表结构热容变化》

由图四可明显看出，当热在结构中行进时，若遭遇同样大小之相同材质，其热阻与热容增加趋势保持恒定，一旦进入结构或材质发生变化之处，其结构函数即会出现转折。结构函数之最大优势，便是可直观判断LED封装结构之变化，进而读出相应热阻热容值，这是在一般常见的温升曲线中所无法得知的。

图六为两个不同物体测量所得之温升曲线与结构函数曲线比较。图五(a)为待测物之温升曲线，在图形中可看出，虽然两待测物在结构中间有所不同，但在整体温度变化曲线却不会因此结构改变而有太大变化。相反地​​，若是采用结构函数曲线来比较二者差异，则可马上看出两者之不同点，如图五(b)。

《图五 温度变化函数与结构函数之比较》

实际量测结果

由前文叙述可知，结构函数对于吾人了解LED内部各组成之特性有相当大的帮助，尤其是在封装完成后之LED非破坏性检测应用上；接下来就介绍LED的实际量测案例，图六为实际LED量测时之实验架设示意图。量测系统仅需以RS232与USB传输介面，即可连结量测系统与个人电脑。

《图六 LED温度量测设备架设示意图》

今以Lumileds之Luxeon系列产品进行LED热阻实际量测，其LED内部结构如图七所示。此待测LED为一般常见之LED结构，其结构层分别为，氮化镓LED晶片、锡球阵列、矽质镶嵌晶片、散热铜座以及铝基板MCPCB；量测进行时，会再将此LED元件放置于一散热模组或温控元件上。后续量测资料将会以微分后之结构函数方式呈现，以此方式可快速判读结构函数之斜率变化，协助了解LED各层内部热阻状况。

《图七 待测LED内部结构》

图八则为此待测LED之微分结构函数图形。图形由左至右为LED内部热传导途径，由原点的PN接面开始，直到最右端之大气环境，此图以不同颜色区分各层结构。

《图八 LED实际量测结果》

T3Ster除了量测LED模组之整体热阻外，其与一般量测最大之差异就在于内部结构热阻之量测。之所以能够处理内部热阻之量测，主要就是在于暂态量测时之快速启动量测，以及大量的量测数据供作后续之讯号处理。图九则分别以不同之量测参数比较其结果差异，由图中可明显看出，当量测启动于44微秒时，两者之整体热阻值RthJC与RthJB并无太大之差异，但在结构内部之量测结果，44微秒所得之量测解析度明显较启动于15微秒要差；且约有3％的资料量在最初量测阶段无法测得。

《图九 不同量测分辨率之结果比较（44μs与15μs）》

然而一般LED或接面温度量测系统则多半仅能于一毫秒后启动量测，接下来便实际以1ms的量测条件来与之作比较。图十左上角为热阻随量测时间变化图，横轴为时间变化以对数方式表现，纵轴则为热阻变化量。若量测于1毫秒后启动，整体热阻值大约会有2K/W的误差产生。以微分结构函数比较，更可明显看出其差异，LED内部结构在散热铜座之前之热阻资料几乎完全无法判读，甚至在散热铜座之热阻值也很难加以定义。

《图十 1ms启动量测之结果比较》

LED散热模拟

LED之热阻主要可以封装端作一分野，分为内部热阻与外部热阻，内部热阻的问题多半是受LED材料本身以及封装方式所影响；外部热阻问题则可外加散热模组来加以解决。以过在作LED之热传模拟分析时，无法确切得到各层热阻，且LED量测得到之整体热阻亦不见得准确，其模拟结果的准确度有待商议。而今可利用上述T3Ster量测方法求得正确之LED各层结构热阻，作为模拟分析时之依据，本节就介绍封装端与LED照明模组端的热模拟分析。

如图十一所示，在以T3Ster量测后可得到LED各层结构热阻与整体热阻值，前者可协助使用者在模拟时建立LED细部模型，针对LED封装等级进行热分析。而整体热阻值则可在模组端之热分析模拟时，建立简化之LED模型，此时使用者所在意的应是后段散热模组之设计，故采用简化模型可针对后段散热模组加以分析。

《图十一 LED封装等级与模块等及散热仿真示意图》

本文所采用的是计算流体力学模拟软体FloTHERM，此软体有内建快速建模零组件，可输入T3Ster量测结果，作为元件之材料热特性参数。

此快速建模零组件主要是将待模拟之元件，以立方体型式建立，并指定该元件与其他接触面之节点，利用T3Ster量测结果，定义节点间之热阻值。以此方式去建立LED内部各层结构，包含LED晶片、锡凸块、矽基座与散热底座等等。当操作简化模型时，可将上述结构整合成单一立方体，并输入LED模组整体热阻值。

图十二(a)为LED以CAD软体绘制完成之图形，透过简单的转档，即可将此CAD模型转成FloTHERM模拟模型，如图十二(b)。本次模型之建置系模拟LED于T3Ster量测过程中之状况，LED固定于铝基电路板上，再将此待测LED放置于一理想散热平板上。 LED功率1watt，折减因子为0.8，再经过简单的设定即可模拟出LED之温度分布状况与其流场情形，如图十二(c)、十二(d)。

《图十二 LED仿真状况：(a)LED CAD模型，(b)数值仿真模型，(c)仿真后之LED温度分布，(d)流场分布图》

结语

随着LED市场的蓬勃发展，高功率与高亮度LED之开发势在必行，高功率所伴随而来的热问题将会影响LED之使用寿命、光学演色性以及LED整体可靠度。如何有效解决热问题，将会在LED未来的发展历程上，扮演相当重要的角色。已过采用红外线热显像仪与热电偶贴附的方式量测LED接面温度，并无法量到准确之接面温度。欲解决LED热问题，势必要先了解其内部热阻结构；而T3Ster正可解决此一问题，完整描述其内部结构各层热阻，进而配合电脑辅助分析之观念，模拟其热特性，探讨不同封装方式与后段散热模组设计对于LED解热的影响。期待在LED设计初期，便可了解其热特性，借此变更设计案，加速LED研发设计之流程，提高竞争力。

---作者任职于势流科技---