臺灣博碩士論文加值系統

金屬燈罩為LED背光模組散熱途徑中一關鍵元件，其高亮度LED所產生的高熱量若無法適時導出，則會影響LED壽命，但因空間限制無法設計成鰭片型式。
本研究目的在探討不同的表面製程處理，應用在LED背光模組金屬燈罩表面，分析其散熱效能。研究中配合MCPCB LED bar，設計出面積適中的鋁合金燈罩，共使用微弧氧化、電漿熔射、碳化矽、氧化鋁及氧化矽噴塗等五種表面製程處理及原素材Al-5052共六種燈罩。配合背光模組點亮LED bar後，使用接觸式熱電耦及非接觸式熱影像儀觀察並比較不同的表面處理，分析LED Tj (Junction temperature)的溫度變化及熱傳導到LED燈罩表面的散熱效能。
研究結果顯示，塗覆後燈罩經由熱電偶測試結果與原素材Al-5052比較得知，LED Tj降溫速度最快者為氧化矽與碳化矽噴塗，其次為微弧氧化，最差者為電漿熔射，但即使是最差的電漿熔射也有3.6%的散熱改善效率；經由熱阻值測試結果得知微弧氧化與電漿熔射鋁的熱阻值比原表材僅微幅增加，最差者為碳化矽噴塗；在熱影像圖片中觀察顯示 表面塗覆後表面均溫效果較佳者為微弧氧化、碳化矽與氧化矽，最差者為電漿熔射鋁。

LED metal holder is a key component for heat dissipation on LED backlight unit. The LED life will be reduced by design without efficient dissipation. However, due to the limited space in backlight unit, the dissipation mechanism can’t be adopted with normal methodology as fin.
The purpose of this research is to discuss different surface treatment applied on LED metal holder and analyze the dissipation performance of each process. This research adopts LED/MCPCB type light bar, and aluminum LED holder processed with Micro-Arc Oxidation、Plasma Spray、SiC、Al2O3、SiO2 coating and Al-5052. The procedure for this analysis is to light on back light unit, then use contact thermocouple and non-contact thermo video device to detect and measure the change of LED Tj (Junctiion temperature). Based on the test data of LED Tj, then analyze the heat conduction performance for each surface treatment material.
The study shows that the best heat conduction performance on LED Tj is coating with SiO2 and SiC, following with Micro-Arc Oxidation , and Plasma Spray comes to the last. However, even coating with Plasma Spray, the backlight unit heat dissipation still have 3.6% improvement. Also, from heat resistance test data, the resistance value has little increase on coating with Micro-Arc Oxidation and Plasma Spray, SiC has least increase on resistance value. On the other hand, the thermo image shows that the best effect with average temperature on the surface is coating with Micro-Arc Oxidation、 SiC and SiO2, the last is Plasma Spray.

中文摘要 i
ABSTRACT ii
誌謝 iv
目錄 v
表目錄 viii
圖目錄 ix
第一章 緒論 1
1.1前言 1
1.2 研究動機與目的 2
第二章 文獻回顧 3
2.1 LED簡介 3
2.2背光模組簡介 4
2.2.1側光式背光模組 4
2.2.2直下式背光模組 5
2.3 LED散熱途徑 6
2.4基礎熱傳理論 7
2.4.1熱傳導及熱阻抗值原理 7
2.4.2熱對流與熱輻射 9
2.5微弧氧化技術 10
2.5.1微弧氧化表面結構成形原理 11
2.5.2微弧氧化之膜層結構 12
2.6熔射技術原理 13
2.6.1電漿熔射技術 15
2.6.2電漿熔射表面結構成形原理 17
2.6.3電漿熔射之膜層結構 18
2.7陶瓷材料簡介及導熱機制 19
2.7.1陶瓷材料特性 21
2.7.2陶瓷散熱塗料 22
2.7.3多孔陶瓷層類型 22
2.8紅外線熱像測溫原理 23
第三章 實驗方法與步驟 25
3.1實驗流程 25
3.2背光模組及鋁合金燈罩設計 27
3.2.1鋁合金主要特性及應用 28
3.2.2 LED燈罩製作及表面處理 29
3.3實驗量測設備及參數 30
3.3.1 溫度量測設備 30
3.3.2 LED參數設定 31
3.4 LED燈罩散熱實驗 32
3.4.1 燈罩溫度量測 33
3.5塗層表面微結構分析 35
3.5.1金相分析 35
3.5.2 SEM微結構分析 35
3.5.3 XRD分析 36
3.6表面熱阻試驗 36
3.7塗層表面熱影像 38
3.7.1 表面放射率 38
3.8表面粗糙度量測 39
第四章 結果與討論 40
4.1塗層分析 40
4.1.1塗層表面觀察與分析 40
4.1.2塗層截面觀察與分析 43
4.1.3塗層成份分析 47
4.2表面粗糙度分析 50
4.3塗層表面溫度量測分析 51
4.3.1溫度穩態時間分析 51
4.3.2溫度穩態後各量測值分析 54
4.4表面熱影像分析 56
4.5表面熱阻試驗分析 59
第五章 結論 61
參考文獻 62

[1] 胡勝雄，「擺脫光/熱技術窒礙LED路燈系統設計大躍進」，新電子科技雜誌，第 269期，2008。
[2] Petroski, J., “Thermal Challenges Facing New Generation Lighting Emitting Diodes (LEDs) for Lighting Application,” Proceeding of SPIE,Vol. 4779,2002,pp. 215-222.
[3] Kuckmann, O., “High power LED arrays special requirements on packaging technology,” in Proc. of SPIE The Int. Soc. for Optical Engineering, Vol. 6134, 2006, pp. 613404(1)-613404(8).
[4] Jeong Park and Chin C. Lee, “An Electrical Model With Junction Temperature for Light-Emitting Diodes and the Impact on Conversion Efficiency”, IEEE Electron Device Letters, vol. 26, no. 5, 2005,pp. 308-310.
[5] Nadarajah Narendran and Yimin Gu, “Life of LED-Based White Light Sources”, IEEE/OSA Journal of Display Technology, vol. 1, no. 1, 2005,pp. 167-171.
[6] Eugene Hong and Nadarajah Narendran, “A Method for Projecting Useful Life of LED Lighting Systems”, Third International Conference on Solid State Lighting, Proceedings of SPIE, vol. 5187, 2004,pp. 93-99.
[7] 白維銘，「LED application on LCD Backlight Units」，背光模組產業技術發展研討會，台南，2007，第127-142頁。
[8] Christian Hoephner, “Edge-lighting simplifies LED Backlight Units for Large screen LCD TVs, ”LED Journal,May/Jun, 2008,pp.22-27.
[9] S. K. Lim, “LCD Backlights and Light Sources,”ASID06,Asian Symposium on Information Display, TC2 1-I, 2006.

[10] 鍾正發，高功率發光二極體熱傳途徑分析研究，碩士論文，中山大學，高雄，2006。
[11] Arika, M., Beckerb, C., Weaverb, S., and Pertroskic, P., “Thermal Management of LEDs: Package to Syatem,” Third International Conference on Solid State Lighting, SPIE Vol. 5187 ,2004.
[12] Yung, K. C., Liem, H., Choy, H. S., Lun, W. K., “Thermal performance of high brightness LED array package on PCB,” Intl. Comm. in Heat and Mass Tran., Vol. 37, 2010,p 1266 .
[13] Shaukatullah, H., Gaynes, M. A., and White, L. H., “Thermal Enhancement of Surface Mount Electronic Packages with Heat Sinks,”IEEE, Electronic Components and Technology Conference, Proceedings 43rd,1993,pp256-263.
[14] 李祥，熱傳學分析，台北，鼎茂出版社，2007。
[15] Yunus A. Cengel著，牛仰堯、李先知，姜巍棠譯，熱傳遞(上)，台北，六合出版社，2000。
[16] 張仲卿、侯順雄、張進寬、杜鳳棋，熱傳遞，台北，高立圖書有限公司，2003。
[17] J. J. Park, M. Taya, “Design of Thermal Interface Material With High Thermal Conductivity and Measurement Apparatus”, Journal of Electronic Packaging, Vol.128 ,2006,pp 46-52.
[18] 徐子浩，電漿熱噴塗高散熱氧化鋁/銅複合材料，碩士論文，國立台灣科技大學，台北，2007。
[19] 楊世銘、陶文銓，傳熱學，北京，高等教育出版社，2006。
[20] Sun X. T. et al. “The effects of anodic and cathodic processes on the characteristics of ceramic coatings formed on titanium alloy through the MAO coating technology”, Applied Surface Science, Vol.252,2005, pp441-447.
[21] Rama Krishna L. et al. “The tribological performance of ultra - hard ceramic composite coatings obtained through microarc oxidation”,Surface and Coatings Technology , Vol.163,2003,pp484-490.
[22] Yerokhin, A. L., Lyubimov, V.V. and Ashitkov, R.V.,“Phase formation in ceramic coatings during plasma electrolytic oxidation of aluminium alloys,” Ceramics International, Vol.28,1996,pp1-6.
[23] R.H.U. Khan, A.L. Yerokhin, T. Pilkington, A. Leyland, A. Matthews, Surface and Coatings Technology, Vol.200,2005,pp1580-1586.
[24] 馮克林，「微電弧電漿電化學技術,輕金屬專題」，工業材料雜誌，第211期，2004，第104-109頁。
[25] S.V. Gnedenkov, P.S. Gordienko et al. Proceedings of the 2nd Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Process- ing, Kyongju,Korea, in: K.S. Shin, J.K. Yoon, S.J. Kim (Eds.), The Korean Institute of Metals 185 and Materials,1995,p597.
[26] H. Y. Zheng, Y.K.Wang, B. S. Li, G. R. Han, Materials Letters, Vol.59 ,2005,pp139-142.
[27] 段關文、李金富、王擁軍、徐志雄，「鋁合金的微弧氧化研究」，中國兵器工業第52研究所煙臺分所，山東煙臺，2007。
[28] L. Pawlowski, The Science and Engineering of Thermal Spray Coatings, New York: John Wiley & Sons, 1995, pp.79-82.
[29] B. S. Schorr, K. J. Stein and A. R. Marder, “Characterization of Thermal Spray Coatings”, Materials Characterization, Vol. 42, Issue 2, 1999, pp. 93-100.
[30] 呂明生、蕭威典、劉茂賢，「熱熔射塗層技術在工業界之應用」，工業材料雜誌，第253期，2008，第151-158頁。
[31] B. J. Gill and R. C. Tucker, “Plasma Spray Coating Processes,” Materials Science and Technology, vol. 2, 1986, pp. 207-213.
[32] C. W. Chang and J. Szekely, “Plasma Applications in Metals Processing,” Journal of Metal, 1982, pp. 57-64.
[33] D. Matejka and B. Benko, Plasma Spraying of Metallic and Ceramic Materials, New York: John Wily & Sons, 1989.
[34] M. Bhusari, “Plasma Spray：The Job Shop Perspective,” Proceedings of the International Thermal Spray Conference, 2001, pp. 1289-1302.
[35] 蕭威典，熔射覆膜技術，台北，全華科技圖書股份有限公司，2006。
[36] 劉茂賢，「熔射製程與即時監控技術之原理與應用簡介」，工業材料雜誌，218，2005，第123-131頁。
[37] L. Pawlowski: The Science and Engineering of Thermal Spray Coating, Wiley & Sons, New York,1995.
[38] 曲遠方，功能陶瓷材料，台北，曉圓出版社，2006，第241-243頁。
[39] 劉鎮，氮化硼(BN)陶瓷材料之合成與其介電性質研究，碩士論文，輔仁大學，台北，2002。
[40] Kittel，固態物理學導論，台北，高立圖書有限公司，2005，第95-128頁。
[41] Li B Q. “New type high power lighting emitting diodes based on MCPCB anits opto-electrical characteristics.,” Acta Photonica Sinica, vol34, no3, 2005,pp.372-374.
[42] 陳姿樺，製備多孔性碳化矽陶瓷之研究，碩士論文，國立成功大學，台南，2006。
[43] 徐國財、張立德，奈米複合材料，五南圖書出版股份有限公司，2004，pp2-16。
[44] 鄒世均，高性能陶瓷塗層，北京，化學工業出版社，2003。
[45] 黃振東，「淺談LED散熱材料及元件」，工業材料雜誌，第281期，2010。
[46] 劉典謨，「多孔陶瓷簡介」，材料社會，第77期，1993，第41-42頁。
[47] 賴耿陽編譯，紅外線工學基礎應用，台灣復文興業股份有限公司，1995。