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高功率led应用.pdf

高功率led应用

yutian7982
2009-10-09 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《高功率led应用pdf》,可适用于IT/计算机领域

高功率高功率LEDLED在戶外燈具之應在戶外燈具之應用用李承士佰鴻工業股份有限公司BrightLEDElectronicsCorpwwwbrtledcomOUTLINE•高功率LED應用簡介■LED市場應用■各種光源特性■道路照明規範介紹•LED路燈散熱設計與考量■高導熱封裝材料■MatrixCOB介紹■散熱基板•LED路燈光學設計考量■路燈光學設計考量■LED路燈實測•結論高功率LED產品SeoulSemiconductorNichiaCreeXLampOsramGoldenDragonLumiledLuxeonBRTLEDLEDMarketForecastSource:StrategiesunlimitedOutdoorLEDLightingLED燈照明應用RaleighLEDCityMostparkinggaragelightsburnhoursadayduringpeakelectricalratesThevibrationfromvehicletrafficcreatesaharshenvironmentfortraditionallightsourcesPublicsafetyconcernsfavorwhitelightandahighcolorrenderingindex(CRI),and"burnedout"bulbscancreatesafetyhazardsSource:CreeLEDLightComparisonofVariousLampslmWLEDlmWHID(NaLamp)lmWHID(MercuryLamp)lmWMetalHalidelampCostperMlm(USDhr)LifttimeWaltlmWlmWlmWEfficacyFluorescentLamp(conventionallamp)HalogenLampTungstenLampItemPowerConversionforwhitelightsource夜晚地球衛星照片Itisimportanttounderstandhowmuchoutdoorlightingisenoughandhowtobalancetheneedforlightwhileminimizinglightpollutionandincreasingenergyefficiency路燈之安全性考量IESNA照度標準住宅區混合區商業區其他道路住宅區混合區商業區次要道路住宅區混合區商業區主要道路住宅區混合區商業區快速道路高速公路B交流道高速公路A平均照度最低照度路面總類RRandRR備註均勻度平均照度值(LUX)道路總類及分類道路照明燈具分類•二方向型:非軸對稱配光,而是面對稱,對路長方向發出高光度配光•全週型:軸對稱配光•遮隔型:對行駛中車輛駕駛者,不會產生炫光,嚴格限制光度的配光•無遮隔型:不考慮眩光之配光道路照明的質量評價指標■路面平均亮度:提高路面平均亮度(或照度)值將有利於提高駕駛員覺察(障礙物)的可靠性。平均亮度水平也直接影響到駕駛員的視覺舒適程度。平均亮度越高(但需保持在產生眩光的亮度水平以下)駕駛員就越舒適。■路面亮度均勻度總均勻度:路面上最小亮度和平均亮度之比縱向均勻度:減少「斑紋」效應■眩光限制:損害視看物體的能力直接影響到駕駛員覺察物體的可靠性引起不舒適感覺和疲勞直接影響到駕駛員的舒適程度■誘導性:視覺誘導:通過道路的誘導輔助設施如路面中線、路緣或路面標誌、應急路欄等使駕駛員明確自身所在的位置和道路前方的走向。光學誘導:通過燈桿和燈具的排列、燈具式樣、燈光顏色或其強度的變化標誌著道路走向的改變或將要接近交叉路口等特殊地點。路燈高度與桿距關係ReflectorQ:LED發出的光,經過Reflector與玻璃罩之後,有多少可以射出燈具外•Reflector之反射率•玻璃罩之吸收•全反射nn:airLED路燈之燈具效率燈具效率(LuminaireEfficiency)燈具實際發出的光通量與燈源光通量的比值傳統水銀燈與鈉燈的燈具效率:~LED燈具效率:~•路燈系統效率:(光輸出x燈具效率)系統功率系統功率=光源功率安定器消耗功率LED路燈與傳統燈具性能比較~~LED省電率~~相對於LED之耗電比WlmWlm~Wlm照明耗電lmWlmW~lmW總效率道路照明效率燈具效率驅動電源效率lmWlmW~lmW光源效率W高壓納燈(含安定器)W水銀燈(含安定器)LED路燈照明種類LED路燈散熱之技術問題■LED晶片操作溫度(Junctiontemperature):<C需同時考慮LED壽命與節點溫度,節點溫度每升高C,LED壽命減少約一半■燈具散熱:被動式散熱(自然對流),鰭片外露內藏,表面Coating■成本因素:封裝選擇低成本材料與製程■體積與重量限制:散熱鰭片需考慮氣候,整體重量與體積UsefullifeofhighBrightnessWhiteLEDsatdifferentOperatingTemperaturet(hr)Lightoutput()Source:USDOETj=CTj=CLEDThermalManagementModeofheattransfer:Conduction(Primarymode)MaximumLEDjunctionTemperatureThermalresistanceLED之熱傳路徑與機構AreaChip~mmPKG~mmPCboard~~mmHeatsink>mmHowmuchheatwehavetodealwithLightFuture**HeatηWPEToday**OSRAMLEDmA,V,lmW**OSRAMLEDmA,A,lmWThermalspreadingResistanceRt=RDRsRs:spreadingresistance基板厚度Spreadingresistance(CW)mmmmLEDPackageMaterials各種高導熱solder特性AuSnSnmpSnAgCuDensity(gmcm)Electricalconductivity(μohmscm)CTEoC(ppmoC)ThermalconductivityC(WcmC)SolidusLiquidusSnAgSnZnSnPbInInAgComposition(bymass)MPTEMP(oC)MCPCB之ThermallyConductivityLayer比較R公司A公司(Taiwan)oCinWB公司xmKWN公司oCWD公司Breakdownvoltage(kV)Thickness(mm)ThermalresistanceThermalconductivity(WmK)Wirebondingissue(Surfaceroughness,NiAuPlatingthickness)CompromisebetweenBreakdownVoltageandthickness~~AlSiC~~Cu~~Al~~AlN~~Alumina~~SiCTE(ppmk)Thermalconductivity(Wmk)Material封裝基板材料特性~~Diamond(CVD)~~Diamond(高壓)~~BN~~SiC~~SiN~~AlO~~AlO~~AlOCTE(ppmk)Thermalconductivity(Wmk)material封裝基板材料特性PackageTypeLED光源封裝未來•SMDorCOB(matrixtype)較難設計較容易光學設計較差熱阻較低(<CWforCeramicPKG)較低(與反射杯,晶片排列有關…)較低COB較好熱阻較高(~CW)較高(>lmw)較高SMD組裝成本可靠度散熱發光效率PackageType:SMDCOBSMDPKG:Rjb:~KWCOBPKG:Rjb:KW(OSRAMOSTAR)陣列式COBPackage晶片排列面積:Heatflux晶片間距:Thermalcrosstalk晶片耐高溫性:TjvsLife散熱考量光學設計一次光學設計:需考量晶片排列,封裝及打線二次光學設計:光源為面光源排列,增加二次光學設計困難度可靠度上百顆晶片封裝於同一片基板上,線路設計上必須考慮單一晶片損壞,不會影響其他晶片常見LED封裝基板•PCB•MetalcorePCB(orIMS)•Ceramic(AlOAlNSiC)•DirectbondCopper工程師在開發新產品時,必須根據各種基版的優點與價格,選擇合適的製程與基板材料MCPCB基板•MetalcorePCBAlCu基板CuFoil,oz~oz絕緣層Thickness:um~um金屬基板厚度降低,可以節省材料成本,但是必須維持足夠的強度,當用螺絲鎖固時,不會造成翹曲雖然金屬基板的導熱性良好(>WmK),但整體的熱阻受限於絕緣層(~WmK)整體熱阻Rjb:CW~CW高導熱性AlN基板高熱傳導性:約為氧化鋁的倍高絕緣性:與氧化鋁同等級的絕緣性機械特性:與氧化鋁相當Source:Denka介電層熱傳導係數~WmkAl線膨脹係數~xe(C)介電層厚度~um耐電壓>KV製程溫度~度C,時間控制(sec~sec)整體(COB)封裝結構Rth~CW整體(Brimon)封裝結構Rth~CW熱傳導係數~Wmk線膨脹係數~xe(C)硬度(Hv)耐電壓(MVm)可使用厚(接著強度>N)、薄膜製程(接著強度>N)製程溫度>度C整體封裝結構Rth<CW熱傳導係數~Wmk線膨脹係數~xe(C)硬度(Hv)耐電壓(MVm)使用厚(接著強度>N)製程溫度>度C整體封裝結構Rth~性能(元cm^)(元cm^)(元cm^),viahole:孔價格Vertical與nonVertical晶片皆可使用。基板廠通常不提供反射杯,需自行另外製作。可做AuSn或其它共晶製程但須考慮基板介電層的Tg點。若為Vertical晶片,基板在無絕緣層情況下需搭配submountVertical與nonVertical晶片皆可使用。可做AuSn或其它共晶製程。AlN與Cu或Al可由In做中間介質,減少破壞應力產生。較適合双pad晶片(nonverticle)使用。廠商可提供反射杯製做於AlO基板之上(使用AlO燒結於基板上)。可做AuSn或其它共晶高溫製程。優、缺點MCPCB基板AlN基板AlO(包含viahole)基板LED封裝基板比較燈具配光曲線配光曲線以極座標表示燈具發光強度分布之情形,測量燈具在各個角度上的發光強度,單位為cdlmLED路燈光型設計原則‧光型設計必須同時考慮路面平均照度,均勻度及眩光等因素‧在相同的光通量輸出條件下,平均照度與均勻度必須取其平衡點‧考慮實際的路面狀況,設計階段不需要以均勻度當作設計目標,可在規範的範圍內,取一適當的值LED路燈光型:lmLED路燈光型:lm燈高:m燈距:m仰角:度平均照度:lux平均照度最小照度:LED投射燈m傳統金鹵燈LED投射燈mLED路燈(投射燈用)實裝說明LED路燈實測LED路燈傳統路燈LED路燈實際照度量測LED投射燈照度量測mmmmmmmmmm位置Unit:lux平均照度=lux均勻度=平均照度最小照度=註:已扣除背景光LED路燈mmmLED路燈(路燈用)實裝說明LED路燈WV=VI=AP=W照度量測位置LED路燈照度量測mmmmmmmmmm位置Unit:lux平均照度=lux均勻度=平均照度最小照度=註:已扣除背景光結論‧LED路燈散熱技術,必須從晶片,介面材料,封裝基板,燈殼作整體的考量,在鰭片到空氣端的散熱,考慮可靠度及外界環境的影響,目前皆使用被動式散熱技術為主‧LED路燈目前主流封裝方式為HighpowerSMDPKG,總功率在W~W之間,其使用壽命仍需進一步驗證‧使用陣列式COB封裝技術,可做成較小的單一模組,有熱阻較低及替換容易的優點,但是有良率低,可靠度及光學設計不易的問題‧W路燈已實際裝設於道路測試,路面照度已可以符合規範要求Thankyoucsleebrtledcomext

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