關(guān)于高功率LED金線焊接結(jié)構(gòu)之探討

袁文濤

引言：本文以高功率LED之金線，利用ANSYS Workbench進(jìn)行熱，推力及拉力模擬之探討，主動(dòng)變因?yàn)長ED之發(fā)熱功率，金線之電流值，金線之金球厚度，金線之線弧高度，金線之線弧長度及金線之線臺長度，固定因子為環(huán)境溫度，金球之推力值，金線之拉力值，及推，拉力持續(xù)時(shí)間，而被動(dòng)變因?yàn)榻鹎蚪用婕敖鹁€HAZ部位之應(yīng)力及安全系數(shù)。

一、實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)之目的在于作為模擬之比較，以確認(rèn)仿真之模型，及仿真之網(wǎng)格數(shù)，比較之?dāng)?shù)據(jù)為溫度，單位為K。實(shí)驗(yàn)之方法是將LED置于絕熱箱內(nèi)，并于LED表面以熱電偶量測溫度，將LED連結(jié)電源供應(yīng)器，爾后施予350mA的電流，待上升之溫度趨緩后，量測LED表面溫度記錄下來。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備

（一）電源供應(yīng)器

電源供應(yīng)器為數(shù)位式直流電源供應(yīng)器，主要用來供應(yīng)LED組件所需之電源，其最大輸出電壓為30V，最大輸出電流為10A。

（二）熱電偶溫度量測器

熱電偶之原理是將兩種不同材質(zhì)的金屬導(dǎo)線 A、B串接成一個(gè)回路，如圖1，在此接合點(diǎn)給予溫度差T1，則在導(dǎo)線的兩端會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢，這種因?yàn)闇囟炔钏a(chǎn)生的熱電壓效應(yīng)稱之為席貝克效應(yīng)。

圖1熱電偶原理示意圖

（三）絕熱環(huán)境

實(shí)驗(yàn)時(shí)將LED模塊放入壓克力箱內(nèi)，其目的在避免實(shí)驗(yàn)過程中受到環(huán)境氣流的干擾，以減少實(shí)驗(yàn)誤差，可視為一個(gè)與外界隔絕的環(huán)境。壓克力箱尺寸為長20cm、寬20cm、高20cm。

三、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

（一）LED模塊

使用的LED為CREE所制，型號為XLamp XR-C。該LED有白，藍(lán)，綠，紅及琥珀五種顏色。其LED芯片熱阻為12℃/W～15℃/W，最大Junction溫度為150℃。

（二）鋁基板

該基板為柏匯有限公司所制，材質(zhì)為NRA-8，厚度為1.5mm，熱傳導(dǎo)系數(shù)為2W/m.K，熱阻為0.3C/W。

四、數(shù)值模擬

（一）ANSYS軟件介紹

本研究使用軟件包ANSYS Workbench進(jìn)行數(shù)值模擬，ANSYS是以有限元素分析之軟件，能與大多數(shù)CAD（Computer-aid design）軟件，進(jìn)行實(shí)體模型間的轉(zhuǎn)換，可提高建模速度，簡化分析工作。ANSYS所提供的工程分析能力可以區(qū)分為結(jié)構(gòu)分析、熱傳分析、流場分析、電磁場分析及耦合場分析（coupled-field analysis）5項(xiàng)。ANSYS和大部分的計(jì)算機(jī)輔助分析軟件相同，具有前處理器、分析器及后處理器等三個(gè)基本的模組。

（二）實(shí)體模型建立

本研究的對象是CREE的XLamp XR-C構(gòu)裝形式的LED，其內(nèi)部主要構(gòu)造，包含LED芯片，金線，鋁墊，Silicone填膠，反光杯，透鏡，陶瓷基板，NRA-8鋁板。建立模型通常有兩種方式：由下而上或由上而下。所謂的由下而上是指先定義幾個(gè)點(diǎn)，由幾個(gè)點(diǎn)來定義一條線，由幾條線去定義一個(gè)面，然后再由幾個(gè)面來定義一個(gè)體；如此依照（點(diǎn)-線-面-體）的順序來建立模型即稱為由下而上。而由上而下的方法為直接建立較高單元之對象，利用Boolean operations來操作這些幾何實(shí)體，塑造出想要的幾何模型。本研究之?dāng)?shù)值模擬，采用由下而上的方法建立模型。

圖2 構(gòu)造示意圖 圖3 LED 3D模型圖

（三）網(wǎng)格數(shù)確認(rèn)

實(shí)體模型建立完之后，要將實(shí)體模型網(wǎng)格化產(chǎn)生有限元素模型。有限元素模型之建立方法有兩種：直接建立法與間接建立法。直接建立法即直接建立節(jié)點(diǎn)（node）與元素（element），產(chǎn)生所需之有限元素模型，此方法適合用于形狀較為簡單或規(guī)則之模型。而間接建立法為在實(shí)體模型建立后，再進(jìn)行網(wǎng)格切割，產(chǎn)生有限元素模型，此法適合用于建構(gòu)復(fù)雜性較高之模型。

在網(wǎng)格切割上可分成自由網(wǎng)格（Free Mesh）跟規(guī)則網(wǎng)格（MappedMesh）兩種。自由網(wǎng)格對于實(shí)體模型形狀上并沒有太多要求，只須指定網(wǎng)格大小、密度及形式，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)產(chǎn)生網(wǎng)格，具有快速及方便的優(yōu)點(diǎn)。

而規(guī)則網(wǎng)格對于實(shí)體模型的形狀有較嚴(yán)的要求，面網(wǎng)格之元素形狀必須為四邊形或三邊形，體網(wǎng)格則限制為六面體，因此必須花很多時(shí)間將實(shí)體模型做細(xì)部分割，才能完成網(wǎng)格切割。

本研究采用間接建立法建立有限元素模型，使用自由網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格切割，針對金線的部分由較疏的網(wǎng)格開始測試，逐漸加密網(wǎng)格，直到運(yùn)算結(jié)果不受網(wǎng)格增減所影響，便以此網(wǎng)格大小做為數(shù)值模型網(wǎng)格化之依據(jù)，運(yùn)算處理則以ANSYS所提供之熱傳分析模塊及結(jié)構(gòu)分析模塊進(jìn)行分析，將金線固定住，并給予固定熱源使其產(chǎn)生熱，固定熱對流系數(shù)，固定環(huán)境溫度，僅調(diào)整網(wǎng)格大小，并觀察網(wǎng)格大小與溫度，應(yīng)力及應(yīng)變的變化。

五、總結(jié)

本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，若要降低金球接面之應(yīng)力，調(diào)整金球厚度會(huì)有較佳之效果，而若要降低金線HAZ部位之應(yīng)力，調(diào)整金線之線弧高度會(huì)有最佳效果，其次為線臺長度，而調(diào)整線弧長度，其效果最差。而就金球厚度而言，當(dāng)厚度增加至0.01mm時(shí)，就成本及應(yīng)力上已達(dá)到最佳效果，就金線之線弧高度而言，當(dāng)高度增加至0.2mm時(shí)，就成本及應(yīng)力上已達(dá)到最佳效果，就線弧長度而言，當(dāng)長度為1mm時(shí)，已有最佳效果，就金線之線臺長度而言，當(dāng)長度為0.25mm時(shí)，就成本及應(yīng)力上已達(dá)到最佳效果。而當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流增加至1000mA時(shí)，金球厚度為0.005mm，其金球接面會(huì)有破壞之現(xiàn)象產(chǎn)生，不過此現(xiàn)象可由增加金球厚度來改善。

參考文獻(xiàn)

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[2]陳瑞陽，毛智勇主編.機(jī)械工程檢測技術(shù)[M].高等教育出版社，2000.

（作者單位：廣漢市錦程石油機(jī)械有限公司）