A Study on Thermomechanical Stress Analysis and Fatigue Life Prediction of High-power LED Packages for Railroad Signals

Abstract

철도 신호 시스템이 LTE-R과 같은 All-IP 기반 인프라로 전환됨에 따라, 고출력 LED 신호기의 신뢰성은 안전무결성수준(SIL 4) 확보에 필수적이다. 이에 본 연구는 Suhir 이론을 바탕으로 고출력 LED 패키지의 열-기계적 응력 및 피로 수명을 예측하는 수치 해석 모델을 제안한다. 열화상 기반 접합 온도 데이터를 활용해 단일 패키지(RL-T26PWSC)를 5단계 방열 면적 조건에서 분석하고, Coffin-Manson 모델을 결합한 MATLAB 알고리즘으로 최대계면 전단 응력(τmax)과 피로 수명(Nf)을 산출하였다. 연구 결과, MCPCB 방열 면적을 100 mm²에서 484mm²로 확장설계 시 실장된 LED 패키지의 최대 전단 응력이 24.5% 저감되고 피로 수명은 104% 증가함을 확인하였다. 본 연구는 차세대 철도 신호 부품의 신뢰성 확보를 위한 정량적 설계 가이드를 제공한다.