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立刻看透LED熱情的內心-線上即時熱能分析儀

圖1

文/劉珈均

工研院的「線上即時熱能分析儀」與「鈣迴路捕獲二氧化碳技術」雙雙獲得2014「全球百大科技研發獎(R&D 100 Awards)」,此獎項素有科技界奧斯卡獎之稱,是市場鑑定新技術的重要指標,今年邁入第52屆。「線上即時熱能分析儀」大幅提升發光二極體(Light Emitting Diode, LED)量測熱阻的速度達千倍,且可在生產線上即時量測,工研院也已與儀器業者旺矽科技合作技術轉移,實際應用於提升LED品管品質與生產效率。

深入了解這技術前,得先認識一下熱阻與LED的關係,熱阻(thermal resistance)是熱能在傳導途徑上遇到的阻抗,反映介質本身或介質與介質間的熱傳導能力,換言之,也是物體對熱能傳導的阻礙效果。

傳統光源如鎢絲燈或鹵素燈透過加熱燈絲發光,熱由光源正面以光輻射方式傳出,同時散發出的紅外光讓人感受到熱氣;LED不會讓人感受到熱,但並非不發熱,而是 LED所產生的廢熱從晶粒傳導而出,LED功率愈高,產生的廢熱愈多,加上體積要愈做愈小,散熱就成為問題。因此主要靠傳導進行的LED散熱機制,便需要以熱阻作為散熱性能好壞的指標。

LED漸成照明光源主流,但高功率LED仍與熱的問題糾纏,熱會影響LED的壽命、顏色與亮度。過熱會造成LED波長改變、發光效率下降,繼而使顏色產生變化、亮度降低,隨之影響到可靠度。對於LED封裝散熱能力的評估,就透過熱阻量測,若熱阻的數值大,表示熱不易傳遞,套件產生的溫度較高,也有損LED壽命。

工研院電光所元件測試驗證部專案副理王建評比喻:「熱就像內傷一樣,若只從一般的光電檢測是看不出來,但長期影響很大。」不論設計、檢測或可靠度分析,都需要知道熱阻,只要能掌握LED熱阻數據,就能推估產品的壽命、效率及光品質。

王建評是主導此技術的研發人員,他解釋,早期熱阻量測程序複雜,要把LED擺在爐子裡利用空氣加熱以達到控溫目的,一顆LED要經過幾個溫度測試,以求出溫度與LED電壓的關係式;後來改以熱電制冷器,控溫速度較快;熱電控制器出現後,過程由半天縮短到10~20分鐘,一小時測六顆,但這樣的時間仍太久──對比LED光學量測,一顆只要0.1秒即能完成光度或電壓量測!生產線上一個機台一天產量可能是數萬顆以上,熱測與其他量測的速度差異非常大,所以熱測始終無法成為廠商品管時的依據,基於生產效率考量,業者多只在產品設計階段時於實驗室進行熱阻量測。

工研院技術的突破點在於解析「固晶層」,在生產線上,固晶的製程是影響LED熱阻最大的參數,王建評說:「我們發現,其實我們不需要從頭到尾將整個元件分析完畢,只要分析那層固晶層,就能知道這顆元件好不好。」以前要等整顆LED達到熱平衡,現在只要等熱能傳到固晶層,分析資訊就足夠了,量測時間因此大幅縮短。

固晶製程難以達到品質完全均勻,一批產品有好有壞,但一顆熱阻量測的時間太久了,廠商都採抽樣,一批樣品可能只抽一顆測試,因此原有的技術限制之下,難以得知那批產品好壞比例,無法準確掌握LED產品可靠度。

而今工研院研發的「線上即時熱能分析儀」已能成功與LED自動化光電分類機台整合,在生產線上即時測量,組成全球首套自動化LED熱阻測試設備。兩相結合下,整套設備每小時的量測速度可達12000顆元件,相當於量測一顆元件只要0.3秒,比起以往在實驗室一小時量測六顆,速度快了整整2000倍。

「我們有些人畢業後就直接在工研院工作,我們也跟廠商學了很多業界的東西、機台開發的技巧。」王建評說,現階段量測光學與熱阻的機台分開,但可互相支援,一台光電量測機台可搭配數台熱能分析儀,如此便能應付生產線上大量的LED,這是廠商覺得可行的方法,未來團隊也會繼續研究將測試熱阻的功能整合到既有機台上。

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