关于高功率LED金线焊接结构之探讨

袁文涛

引言：本文以高功率LED之金线，利用ANSYS Workbench进行热，推力及拉力模拟之探讨，主动变因为LED之发热功率，金线之电流值，金线之金球厚度，金线之线弧高度，金线之线弧长度及金线之线台长度，固定因子为环境温度，金球之推力值，金线之拉力值，及推，拉力持续时间，而被动变因为金球接面及金线HAZ部位之应力及安全系数。

一、实验方法

本实验之目的在于作为模拟之比较，以确认仿真之模型，及仿真之网格数，比较之数据为温度，单位为K。实验之方法是将LED置于绝热箱内，并于LED表面以热电偶量测温度，将LED连结电源供应器，尔后施予350mA的电流，待上升之温度趋缓后，量测LED表面温度记录下来。

二、实验设备

（一）电源供应器

电源供应器为数位式直流电源供应器，主要用来供应LED组件所需之电源，其最大输出电压为30V，最大输出电流为10A。

（二）热电偶温度量测器

热电偶之原理是将两种不同材质的金属导线 A、B串接成一个回路，如图1，在此接合点给予温度差T1，则在导线的两端会产生电动势，这种因为温度差所产生的热电压效应称之为席贝克效应。

图1热电偶原理示意图

（三）绝热环境

实验时将LED模块放入压克力箱内，其目的在避免实验过程中受到环境气流的干扰，以减少实验误差，可视为一个与外界隔绝的环境。压克力箱尺寸为长20cm、宽20cm、高20cm。

三、实验模型

（一）LED模块

使用的LED为CREE所制，型号为XLamp XR-C。该LED有白，蓝，绿，红及琥珀五种颜色。其LED芯片热阻为12℃/W～15℃/W，最大Junction温度为150℃。

（二）铝基板

该基板为柏汇有限公司所制，材质为NRA-8，厚度为1.5mm，热传导系数为2W/m.K，热阻为0.3C/W。

四、数值模拟

（一）ANSYS软件介绍

本研究使用软件包ANSYS Workbench进行数值模拟，ANSYS是以有限元素分析之软件，能与大多数CAD（Computer-aid design）软件，进行实体模型间的转换，可提高建模速度，简化分析工作。ANSYS所提供的工程分析能力可以区分为结构分析、热传分析、流场分析、电磁场分析及耦合场分析（coupled-field analysis）5项。ANSYS和大部分的计算机辅助分析软件相同，具有前处理器、分析器及后处理器等三个基本的模组。

（二）实体模型建立

本研究的对象是CREE的XLamp XR-C构装形式的LED，其内部主要构造，包含LED芯片，金线，铝垫，Silicone填胶，反光杯，透镜，陶瓷基板，NRA-8铝板。建立模型通常有两种方式：由下而上或由上而下。所谓的由下而上是指先定义几个点，由几个点来定义一条线，由几条线去定义一个面，然后再由几个面来定义一个体；如此依照（点-线-面-体）的顺序来建立模型即称为由下而上。而由上而下的方法为直接建立较高单元之对象，利用Boolean operations来操作这些几何实体，塑造出想要的几何模型。本研究之数值模拟，采用由下而上的方法建立模型。

图2 构造示意图 图3 LED 3D模型图

（三）网格数确认

实体模型建立完之后，要将实体模型网格化产生有限元素模型。有限元素模型之建立方法有两种：直接建立法与间接建立法。直接建立法即直接建立节点（node）与元素（element），产生所需之有限元素模型，此方法适合用于形狀较为简单或规则之模型。而间接建立法为在实体模型建立后，再进行网格切割，产生有限元素模型，此法适合用于建构复杂性较高之模型。

在网格切割上可分成自由网格（Free Mesh）跟规则网格（MappedMesh）两种。自由网格对于实体模型形狀上并没有太多要求，只须指定网格大小、密度及形式，由计算机自动产生网格，具有快速及方便的优点。

而规则网格对于实体模型的形狀有较严的要求，面网格之元素形狀必须为四边形或三边形，体网格则限制为六面体，因此必须花很多时间将实体模型做细部分割，才能完成网格切割。

本研究采用间接建立法建立有限元素模型，使用自由网格进行网格切割，针对金线的部分由较疏的网格开始测试，逐渐加密网格，直到运算结果不受网格增减所影响，便以此网格大小做为数值模型网格化之依据，运算处理则以ANSYS所提供之热传分析模块及结构分析模块进行分析，将金线固定住，并给予固定热源使其产生热，固定热对流系数，固定环境温度，仅调整网格大小，并观察网格大小与温度，应力及应变的变化。

五、总结

本研究结果发现，若要降低金球接面之应力，调整金球厚度会有较佳之效果，而若要降低金线HAZ部位之应力，调整金线之线弧高度会有最佳效果，其次为线台长度，而调整线弧长度，其效果最差。而就金球厚度而言，当厚度增加至0.01mm时，就成本及应力上已达到最佳效果，就金线之线弧高度而言，当高度增加至0.2mm时，就成本及应力上已达到最佳效果，就线弧长度而言，当长度为1mm时，已有最佳效果，就金线之线台长度而言，当长度为0.25mm时，就成本及应力上已达到最佳效果。而当驱动电流增加至1000mA时，金球厚度为0.005mm，其金球接面会有破坏之现象产生，不过此现象可由增加金球厚度来改善。

参考文献

[1]钟约先，林亨编著.机械系统计算机控制[M].清华大学出版社，2001.

[2]陈瑞阳，毛智勇主编.机械工程检测技术[M].高等教育出版社，2000.

（作者单位：广汉市锦程石油机械有限公司）