我也知道 但從沒人真正試過－專訪線上即時熱能分析儀團隊

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。

文／劉珈均

「很多事情都是從很不偉大的事情開始作啦！」此次受訪的周佩廷與王建評是工研院電子與光電研究所、元件測試驗證部的經理與專案副理，周佩廷口中開端並不起眼的線上即時熱能分析儀奪下了百大科技研發獎，背後也是一群工程師長時間摸索，不斷研究與改良的心血。

任務指示：「品質可靠度。That’s all。」

周佩廷回憶研發歷程，難以界定這專案投入研發的時間有幾年，因為一位工程師身上常常同時扛了幾件或大或小的專案，有許多構想都在「檯面下」進行，漸漸成熟後才「正式列管」。

周佩廷與王建評所在的「光電元件與系統應用組」在工研院約已20幾年歷史，主題始終專注於LED。七八年前，元件測試驗證部剛成立不久，組長朱慕道認為LED的品質可靠度是個重要議題，該部門的技術主軸分為LED的品質可靠度與標準。市面上有宣稱LED可用兩萬五千小時或更多，但消費者可能拿到不良品，LED燈泡一下子就損壞，這便是LED可靠度的範疇，也牽涉到統計學、田口式品質工程[註1]等。

周佩廷說：「當時我們接到的指示就是品質可靠度五個字，大家自己去想要作什麼事情。」可靠度並不是一項技術，而是許多技術的集合、相互支撐出來的。成員構思著如何針對可靠度作技術開發，前幾年一直處於摸索期，試圖抓到主軸，大約四年前開始研究熱阻主題，挑選業者可能有需求的題目，其中一個便是快速熱阻檢測。

負責「線上即時熱能分析儀」的研發成員專業領域有來自光電、物理、應用力學、機械等，都是進工研院後才開始接觸LED的。王建評是主導技術開發的負責同仁，他想到，若從加強品管著手，讓廠商能快速量測熱阻，甚至於生產線上即時量測，就能大幅提升LED的品質可靠度。

「這原理我也知道！」　但從沒人真正試過

快速熱阻技術的關鍵點在於解析固晶層，「這不是什麼聽起來就讓人興奮的新發現，但卻沒有人真正把它作出來。」周佩廷說。這不是破天荒的物理發現，或是劃時代的嶄新發明，大家起初都不太看好該技術的價值，內部的人或廠商亦多持觀望態度。

「只是看似簡單，但工程實務上從沒有人真正實現過啊！」周佩廷笑說，這大概是這研究最特別的地方。工研院與各LED廠商接洽、討論此點子的技轉時，「好像很多東西說破就不值錢，所以一開始不願講太多。後來想想，我們要作到就算我跟你說破，你還是作不出來的程度，這樣的技術才有價值。」周佩廷說。

熱結構分析是即時熱能分析儀的核心技術，該技術已有國外業者開發設備，也訂下標準，「但只有他們懂得如何作這設備，大家都不知道怎麼作。」王建評說，它會畫出一條有趣的曲線，稱為「熱結構圖」，大家也只會用那設備，不清楚圖怎麼畫的。許多單位也想開發這種設備。

周佩廷便請王建評專心研究該設備，一開始王建評也沒太多心力鑽研，畢竟身上已同時背了好幾件工作，這項工作又相當耗時，「後來……也不能說是破解了儀器，而是重新開發技術出來，熱結構分析跟演算法有很密切的關係。」以往最快速度也需要十幾分鐘，王建評另設計了演算法，由原本的定點截取變成動態截取法，最快3分鐘內就能量出來，卻能達到相同的量測精度。「這也是得獎原因，否則只是跟別人一樣也沒特色。」

技術走出「車庫」　進入市場

約莫2012年底，周佩廷與當時的電光所副所長劉軍廷（現為所長）談到這點子，劉軍廷隨即認真地說，隔年三月有「台灣國際照明科技展」，就做一台原型機參展吧！周佩廷笑說：「我們就這樣慢慢在『車庫』研發了幾年，後來才被所長『列管』為正式計畫。」當時距離展覽只剩兩三月，時間緊迫，但大家還是成功趕製出原型機參展。

後來，工研院帶了三四項技術與儀器廠商旺矽科技洽談，最後決定合作熱阻檢測這技術，從合作到技轉花了約一年時間。王建評回想從合作到技轉的那一年時間：「廠商會不斷的『挑戰』工研院的能力，一直給我們『考試』。」拿了幾十顆LED給工研院的即時熱能分析儀測試，檢驗精度與誤差是否符合工業標準，一開始明測，後來也作盲測，「還好都有pass！」

「我們研發的出發點單純只是為了『解決問題』，一切順其自然，獎項是隨之而來的肯定。」周佩廷與王建評回想這段過程，敘述的口吻與神色十分沉穩淡然。團隊一路走來，並沒有像動漫《海賊王》裡的魯夫總大喊著「我要成為海賊王！」那樣，立一個雄心萬丈的目標、要發明厲害的機器、拿下發明大獎。

其實光電元件與系統應用組從2008年到現在，已經拿了三個美國百大科技獎（R&D 100 Awards）[註2]，但朱慕道組長認為真正的任務才剛開始，他們要思考如何讓技術的貢獻完全發揮。

一條生產線上，一天產出數萬顆以上的LED，現有的熱能量測技術卻只能抽樣，LED廠商不會覺得效率低落，主動想要採用這項技術嗎？周佩廷說：「很多技術的應用，其實也看時機點。」各廠商其實是需要這項技術的，但站在廠商的角度，「品管、研發」與「成本」是天秤的兩端，而LED品質採抽樣或「普查」，也關乎LED產品「良率」的數字變動。LED的競爭激烈，因此，除非客戶刻意要求，廠商較少主動投資設備，大多跟風國外大廠的作法，但一些LED國外大廠其實已經有投入快速熱阻量測這部分。

周佩廷說：「得獎只是開始，我們接下來還要努力，想著如何把技術的效應作得更大。」目前市面上類似儀器幾乎全屬國際大廠，價格亦是居高不下，國產儀器價格預計可控制成本在進口儀器價格的一半以下。若此儀器能建置於生產線上，大幅提高LED良率，就長遠來看，LED業者的投資負擔並不重。

註：

1. 品質工程（Quality Engineering）：由日本學者田口玄一所創，以統計學方式進行實驗及生產過程管控，以達產品品質改善及成本降低的目的，也應用在生物學、行銷及廣告。（資料來源：維基）
2. 工研院國際獎項紀錄：https://www.itri.org.tw/award/chi/award.htm