日亞公司於1993 年推出藍光發光二極體，1996 年更因藍光結合
黃色螢光粉的使用，達到單顆發光二極體可提供白色光源的效果，使
發光二極體開始廣泛被使用在市場上。發光二極體要使用在替代光源
上除了必須提高亮度外，另一方面就是必須同時使用多顆發光二極
體。發光二極體光源約有15%~20% 可轉換成可見光，其餘85% 全
部轉換成熱。因此，當外部取光效率以及發光二極體結構對於熱的問
題尚未有明顯的突破前，發光二極體的熱管理就顯得相當的重要。
本研究主要是以數值模擬方式來進行，針對市面上傳統小功率的
發光二極體做結構上小幅度的變更後以提高其功率(150、350mA)的
方式進行模擬，以探討高功率發光二極體在不同的參數下，單顆和多
顆高功率發光二極體熱分佈情形，以及其所產生的熱會不會超過各關
鍵材料之耐熱極限，可做為工程師使用發光二極體進行產品設計時的
參考。
本分析結果顯示，發光二極體功率為0.5w，環境溫度為25℃∼
80℃時，環境溫度每增加1°C，晶片、基板、封裝材料溫度則約增加
3∼4°C。當功率提高到1w 時，晶片、基板溫度約增加 3∼4°C，封裝
材料則增加了3∼9°C。另外對於同時使用多顆高功率發光二極體而
言，結果顯示兩顆發光二極體距離太近會造成嚴重的溫升，當文中的
P 值增加到5 ㎜以上時，在晶片處，溫度下降幅度會從初期的每增加
1 ㎜下降3°C∼5°C 縮減到1°C∼2.5°C，再增加距離所得到只是基板
所帶來的效益。

Nichia Corporation announced blue Light Emitting Diodes (LED) by
1993. They were widely used in markets by 1996 after combining blue
LED with yellow phosphors to emit white lights. There’re two keys to
utilize LED as replacement light energy; one is to increase the chipset
brightness, while another is to use LED arrays instead of single LED.
Around 15 to 20% of LED illuminant will be transformed to visible light,
while up to 85% of the LED illuminant will be transformed to heat.
Therefore, before there’s obvious breakthrough on LED constructions to
heat, thermal management of LED is relatively important.
The purpose of this research is to do value simulation by slightly
change the construction of low power LED and increase its power (150,
350mA), to investigate the differences of high power LED in thermal
transmission by single LED and LED arrays under different parameters,
and learn if the emitted heat can be tolerated by its key materials. This
research can be used as the reference to design LED products for
engineers.
According to the analysis result, under environment temperature of 25
to 80 Celsius Degree, the temperatures of a 0.5W LED chipset, mounted
board and packing materials will increase around 3 to 4 Celsius Degrees
when the environment temperature will increase one Celsius Degree. If
we increase the LED chipset power to be 1W, the temperature increase
for chipset and mounted board is around 3 to 4 Celsius Degrees while the
temperature increase for packing materials is 3 to 9 Celsius Degrees.
Regarding high power LED arrays, according to the analysis result, when
the distance between two LEDs is too small, the temperature will increase
dramatically; when the P value (see report content) is over 5mm, per
1mm distance increase, the chipset temperature decrease will become 1 to
2.5 Celsius Degrees from initially 3 to 5 Celsius Degrees. If we further
increase the two LEDs distance, there’ll be no significant effect from
chipset itself but only the mounted board.

第一章 緒論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1
1.1 發光二極體的發展趨勢．．．．．．．．．．．． 1
1.2 白光發光二極體．．．．．．．．．．．．．．． 2
1.2.1 白光發光二極體在背光模組用．．．．．．．． 2
1.3 研究動機．．．．．．．．．．．．．．．．．． 3
第二章 原理介紹 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9
2.1 發光二極體原理 ．．．．．．．．．．．．．．．9
2.2 發光二極體種類 ．．．．．．．．．．．．．．10
2.2.1 晶片封裝型式 ．．．．．．．．．．．．．．10
2.3 白光發光二極體結構．．．．．．．．．．．．．11
2.3.1 發光二極體晶片的構造 ．．．．．．．．．．11
2.3.2 封裝材料 ．．．．．．．．．．．．．．．．13
2.3.3 封裝材料的選用 ．．．．．．．．．．．．．14
2.3.4 金線 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．16
2.3.5 焊腳 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．16
2.3.6 導熱塊 ．．．．．．．．．．．．．．．．．16
2.3.7 螢光粉 ．．．．．．．．．．．．．．．．．16
2.4 發光二極體的散熱問題．．．．．．．．．．．．17
2.4.1 熱過載對於發光二極體的影響 ．．．．．．．17
2.4.2 發光二極體的熱阻抗模型 ．．．．．．．．．18
2.5 熱傳原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．19
2.5.1 熱傳導傳遞 ．．．．．．．．．．．．．．．19
2.5.2 傅利葉定律 ．．．．．．．．．．．．．．．19
2.5.3 熱對流傳遞 ．．．．．．．．．．．．．．．20
2.6 熱溫度感測器原理．．．．．．．．．．．．．．21
2.6.1 熱電偶量測溫度的原理 ．．．．．．．．．．21
2.6.2 熱電理論的三定律 ．．．．．．．．．．．．22
2.7 散熱片．．．．．．．．．．．．．．．．．．．22
2.7.1 散熱片的種類 ．．．．．．．．．．．．．．22
2.7.2 散熱鰭片選用的基本的考 ．．．．．．．．．22
2.7.3 散熱鰭片設計注意要項 ．．．．．．．．．．22
第三章 實驗設備與方法 ．．．．．．．．．．．．．．．．．42
3.1 實驗目的．．．．．．．．．．．．．．．．．．42
3.2 實驗方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．43
3.3 實驗設備．．．．．．．．．．．．．．．．．．43
3.3.1 恆溫環境系統．．．．．．．．．．．．．．43
3.3.2 熱電偶．．．．．．．．．．．．．．．．．44
3.3.3 熱電偶使用注意事項．．．．．．．．．．．44
3.3.4 熱電偶資料記錄器．．．．．．．．．．．．45
3.3.5 電子負載器．．．．．．．．．．．．．．．45
3.3.6 電源供應器．．．．．．．．．．．．．．．45
3.3.7 熱阻抗量測器．．．．．．．．．．．．．．46
3.3.8 鰭狀散熱片．．．．．．．．．．．．．．．46
3.3.9 導熱介面材料．．．．．．．．．．．．．．46
3.3.10 發光二極體．．．．．．．．．．．．．．．47
第四章 發光二極體之數值模擬與分析流程．．．．．．．．．．61
4.1 數值模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．62
4.2 實驗方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．62
4.3 實驗計劃的建立．．．．．．．．．．．．．．．63
4.3.1 田口實驗的定義 ．．．．．．．．．．．．．63
4.3.2 田口實驗品質特性的定義 ．．．．．．．．．64
4.4 發光二極體3D 模型參數設定 ．．．．．．．．．65
4.5 熱分析參數的設定與運算流程．．．．．．．．．66
4.5.1 流動型態設定 ．．．．．．．．．．．．．．66
4.5.2 網格設置 ．．．．．．．．．．．．．．．．67
4.6 田口實驗計劃的過程與討論 ．．．．．．．．．．67
4.7 實驗項目 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．68
4.7.1 發光二極體在25~80°C 時熱分佈狀況 ．．．．68
4.7.2 基板面積之散熱效益分析．．．．．．．．．．69
4.7.3 銀膠厚度對熱傳導的影響．．．．．．．．．．69
4.7.3 陣列設計及模擬．．．．．．．．．．．．．．69
第五章 結果與討論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．80
5.1 初步熱設計分析．．．．．．．．．．．．．．．80
5.2 實驗與模擬數據之比較．．．．．．．．．．．．80
5.3 發光二極體在不同溫度下熱分佈狀況．．．．．．81
5.4 基板面積之熱效益分析．．．．．．．．．．．．82
5.5 固晶用銀膠厚度對熱傳導的影響．．．．．．．．83
5.6 陣列設計及模擬．．．．．．．．．．．．．．．83
第六章 結論 ．．．．．．．．．．．．．．．．．107
參考文獻．．．．．．．．．．．．．．．．．．．109

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