This thesis presents a study on the thermal characteristics and design rules of LED packages and system for improving the thermal, optical and electrical characteristics of LED packages and system. In particular, this thesis demonstrates the thermal modeling and measurement of flip chip and non flip chip LED packages, thermal design rules of multi-chips LED package with same color, coupling thermal resistance matrix of multi-chips LED package with RGB full color, thermal simulation and measurement of LED package under DC and AC mode, and thermal characterization of high power LED arrays with/without heat pipe. The first case study explores the direct on-chip temperature measurement using a nematic liquid crystal and thermal simulation using finite element method. Under forward voltage of 3.9 V, about 450 ㎛ to 500 ㎛ of hot spot appeared at the chip part with the transition temperature of 43 ℃ LC. The surface temperatures of the epoxy for blue flip chip, non flip chip LED package, and white flip chip LED package were measured as a function of the input power, and it exhibited a linear relationship. Also, we compared the blue flip chip LED with white flip chip LED. The YAG phosphor did not give much influence on the thermal distribution of LED package because most heats were dissipated by lead frame not by the dome epoxy. The finite element method (ANSYS) was used to calculate the thermal distribution of flip chip package and non flip chip package, and the simulated data showed good match with experiments. The second case study presents novel thermal transient method for multi-chips LED package with same color and thermal design rules of multi-chips. The measured thermal resistance from the junction to the ambient was 19.87 K/W, 10.78 K/W, and 6.77 K/W for one-chip, two-chips and four-chips LED package. The measured data proved that the theoretical expectation with equivalent thermal circuit was right. It was demonstrated that the thermal resistance and junction temperature with different chip numbers were strongly depended on the ratio of θi with θ0, where θi is the partial thermal resistance between the ith chip and the common slug, and θ0 is the partial thermal resistance between the slug and the ambient. The third case study presents a novel method using coupling thermal resistance matrix to obtain correct junction temperature of multi-chips with RGB full color LED package. Superposition method was applied to take the side effects of each chip into account. The temperature rises of 27.3 ℃, 22.6 ℃, and 22.3 ℃ were obtained using coupling matrix, and the temperature rises of 27.0 ℃, 23.1 ℃, and 21.5 ℃ were obtained from the simultaneous operation of the three chips, and found they were in good agreement. The fourth case study presents the thermal behavior of LED package under different driven mode. Simulations and measurements were both executed and found that there were different thermal resistances between DC and AC mode. The measured data was in the range of simulation data for the same input power and it was confirmed that the simulation data matched well with the experimental data. Finally, LED system with/without heat pipe were manufactured and measured. It was the first time measuring junction temperature of LED array by thermal transient method using structure function. The junction temperature of LED system with/without heat pipe were measured at different boundary conditions. It was proved that thermal behavior of LED array with heat pipe was much better than its without heat pipe.
발광다이오드 패키지와 시스템의 열적, 광학적, 전기적 특성을 향상시키기 위하여 패키지 및 시스템 레벨에서의 열 특성분석 및 설계법칙에 관한 연구를 진행하였다. 플립 칩과 플립 칩이 아닌 발광다이오드 패키지의 열적 모델링과 열 측정을 진행하였고 같은 색상의 멀티칩 발광다이오드의 열적 디자인 룰을 제시하였으며 적, 녹, 청 멀티칩 발광다이오드에 관하여 최초로 커플링 열 저항 매트릭스를 사용하여 연구를 진행하였으며 직류와 교류 하에서의 발광다이오드 패키지의 열적 성능을 시뮬레이션과 실험을 통하여 검증하였으며 나아가서 고파워 발광다이오드 어레이를 제작하고 히트 파이프를 장착 시와 미 장착시의 열적 특성에 관하여 연구하였다. 첫 번째 경우, 네마틱 액정을 직접 LED 칩에 도포하여 LED패키지가 작동시의 칩의 온도분포를 측정하였고 유한요소법으로 시뮬레이션을 진행하여 비교하였다. 43 ℃의 LC를 사용하였을 때, 3.9 V의 순바이어스에서 450 ㎛부터 500 ㎛의 핫 스팟을 관찰 하였다. 청색 플립칩 LED 패키지, 청색 플립칩이 아닌 LED 패키지, 백색 플립칩 LED 패키지 에폭시 표면의 온도를 측정하고 인가전력에 따른 그래프를 그린 결과 선형적인 관계를 나타냈다. 그리고 청색 플립칩 LED 패키지와 백색 플립칩 LED 패키지의 온도를 비교한 결과 형광체가 열 분포를 큰 영향을 끼치지 않았다. 그 원인은 대부분의 열이 리드프레임을 통하여 전달되고 열전도도가 낮은 에폭시 쪽으로 전달되지 않기 때문이다. 유한요소법 (ANSYS)를 사용하여 플립칩 LED 패키지와 플립칩이 아닌 LED 패키지에 대한 열 분포를 계산하였는데 시뮬레이션 결과가 측정 데이터와 비슷하였다. 두 번째 경우, 최초로 열천이 측정법을 사용하여 멀티칩 LED 패키지에 대한 측정을 하였고 같은 색상의 멀티칩에 대한 디자인 룰도 제안하였다. 정션으로부터 주변까지의 열 저항은 원 칩, 투 칩, 포 칩일 때 각각 19.87 K/W, 10.78 K/W과 6.77 K/W였다. 측정된 결과는 등가 열적 회로로부터 추출한 이론이 정확함을 실증하였다. 칩수가 다른 멀티칩 LED 패키지의 열 저항과 정션온도는 θi와 θ0,의 비례에 크게 의존함을 알 수 있다. 여기서 θi는 i번째 칩으로부터 공동 슬러그까지의 부분 열 저항이고 Ɵ0는 공동 슬러그로부터 주변까지의 부분 열 저항이다. 세 번째 경우, 최초로 새로운 커플링 열 저항 매트릭스를 사용하여 적,녹,청 멀티칩 LED 패키지에서 각 칩의 정확한 온도를 얻어냈다. 중첩법으로 각 칩의 영향을 고려하였다. 이 매트릭스를 사용하여 계산된 적,녹,청 멀티칩의 정션온도는 27.3 ℃, 22.6 ℃와 22.3 ℃이고 동시에 세 칩을 구동하여 측정된 온도는 27.0 ℃, 23.1 ℃와 21.5 ℃였다. 이는 커플링 열저항 매트릭스 방법이 아주 유효함을 증명하였다. 네 번째 경우, 서로 다른 구동환경에서 LED 패키지의 열거동을 분석하였다. 직류, 교류 구동 시 열적 시뮬레이션과 실험측정을 모두 진행하였다. 직류 구동 시 측정 결과는 열적 시뮬레이션과 비슷하였고 교류 구동 시 측정 결과는 열적 시뮬레이션의 결과 내에 분포됨으로써 시뮬레이션과 측정결과가 잘 부합됨을 알 수 있다.마지막으로 히트 파이프를 장착했을 때와 장착하지 않았을 때 LED 패키지 시스템을 제작하고 그 열적 거동을 분석하였다. 최초로 구조함수를 이용한 열천이측정법을 사용하여 LED 어레이의 정션온도를 정확히 측정하였다. 그리고 서로 다른 주변 환경에서의 히트파이프를 장착 시와 미장착시 LED 어레이의 대한 열적 거동을 비교하였다. 실험 결과, 히트 파이프 장착 시 LED 어레이의 열성능이 훨씬 향상됨을 보여주었다.