高功率led应用

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 Bright LED Electronics Corp. www.brtled.com OUTLINE • 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 ■Matrix COB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 Seoul Semiconductor Nichia Cree XLampOsram Golden Dragon Lumiled Luxeon BRT LED LED Market Forecast Source: Strategies unlimited Outdoor LED Lighting LED燈照明應用 Raleigh LED City Most parking garage lights burn 24 hours-a-day - during peak electrical rates The vibration from vehicle traffic creates a harsh environment for traditional light sources Public safety concerns favor white light and a high color rendering index (CRI), and "burned out" bulbs can create safety hazards Source: Cree LED Light. Comparison of Various Lamps 4.1650000140-80lm/WLED 1.32400025060-80lm/WHID(Na Lamp) 3.82400025080-100lm/WHID(Mercury Lamp) 2000065-115lm/WMetal Halide lamp 3.9 12 7.4 Cost per Mlm(USD/hr) 10000 2000 1000 Lift time 15 50 60 Walt 60-100lm/W 8-17lm/W 8-17lm/W Efficacy Fluorescent Lamp(conventional lamp) Halogen Lamp Tungsten Lamp Item Power Conversion for white light source 夜晚地球衛星照片 It is important to understand how much outdoor lighting is enough and how to balance the need for light while minimizing light pollution and increasing energy efficiency. 路燈之安全性考量 IESNA照度標準 543住宅區 875混合區 6 1096商業區 其他道路 864住宅區 1196混合區 4 15128商業區 次要道路 896住宅區 11139混合區 3 151712商業區 主要道路 896住宅區 10128混合區 3 131410商業區 快速道路 3564高速公路B 交流道3896高速公路A 平均照度/最低 照度 路面總類 R1 R2 and R3 R4 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 1.總均勻度 : 路面上最小亮度和平均亮度之比 2.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 : 1.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。 2.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 Reflector Q: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 n2 n1:air LED路燈之燈具效率 燈具效率(Luminaire Efficiency) 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: 0.6~0.7 LED燈具效率: ~0.8 •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 -12.4~+47.1%20.6~62.5%-LED省電率 0.89~1.891.26~2.671相對於LED之耗電比 0.034 W/lm0.048 W/lm0.018~0.038 W/lm照明耗電 29.4 lm/W20.8 lm/W26~54.6 lm/W總效率 70%70%85%道路照明效率 70%70%85%燈具效率 75%75%90%驅動電源效率 80 lm/W61 lm/W40~84 lm/W光源效率 400W 高壓納燈(含安定器) 400W 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(Junction temperature): <120 C 需同時考慮LED壽命與節點溫度,節點溫度每升高10C,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 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 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 Useful life of high Brightness White LEDs at different Operating Temperature 50 60 70 80 90 100 110 1000 10000 100000 t (hr) L i g h t o u t p u t ( % ) Source: US DOE Tj=63C Tj=74C LED Thermal Management Mode of heat transfer: Conduction( Primary mode) Maximum LED junction Temperature Thermal resistance LED之熱傳路徑與機構 Area Chip ~1mm2 PKG ~25mm2 PC board ~102~104mm2 Heatsink >106mm2 How much heat we have to deal with? 51% 23% 6% Light 49%51%Future** 77% 94% Heat 23% 6% ηWPE Today* 2000 * OSRAM LED 350mA,3.2V, 67lm/W **OSRAM LED 350mA,2.9A,150lm/W Thermal spreading Resistance Rt=R1D+Rs Rs: spreading resistance 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1 2 3 4 5 基板厚度 S p r e a d i n g r e s i s t a n c e ( C / W ) 30mm 20mm LED Package Materials 各種高導熱solder特性 14.5-160.5780Au20Sn280280 7.2815.6240.73100Sn232m p 7.4013.2--95.5Sn3.8Ag 0.7Cu 217220 7.36 7.27 8.40 7.31 7.38 Density( gm/cm3) 16 15 11.5 24 23 Electrical conductivity(1 .7μohms-cm) 30 - 25 0.86 0.73 CTE@20oC(pp m/oC) 0.33 0.61 0.5 0.86 0.73 Thermal conductivity@ 85C(W/cm C) 221 199 183 143.3 Solidu s Liqui dus 96.5Sn3.5Ag 91Sn9Zn 63Sn37Pb 100In 97In3Ag Composition( % by mass) 221 199 183 156.7 MP 143.4 TEMP(oC) MCPCB之Thermally Conductivity Layer比較 4.3 0.08 0.05 12 R公司 - 0.015 - 40 A公司 (Taiwan) 6 0.075 0.05 oCin2/W 2.2 B公司 - 2 0.67x10-3 m2K/W 3 N公司 6 0.3 0.15 oC/W 5 D公司 Breakdown voltage(kV) Thickness(mm) Thermal resistance Thermal conductivity(W/m-K) 1. Wire bonding issue (Surface roughness, Ni/Au Plating thickness) 2. Compromise between Breakdown Voltage and thickness ~8.4~200AlSiC ~17~400Cu ~23~150-230Al ~3.5-5.7~170-230AlN ~6.7~20Alumina ~4.1~150Si CTE (ppm/k) Thermal conductivity (W/mk) Material 封裝基板材料特性 ~2.3~1000Diamond(CVD) ~2.3~2000Diamond(高壓) ~-0.6~60BN ~3.7~270SiC ~2.3~30Si3N4 ~7.1~3799.6% Al2O3 ~6.6~2096% Al2O3 ~6~1892% Al2O3 CTE (ppm/k) Thermal conductivity (W/mk) material 封裝基板材料特性 Package Type LED光源封裝未來 • SMD or COB (matrix type)? 較難設計較容易光學設計 較差 -熱阻較低(< 5C/W for Ceramic PKG) 較低(與反射杯,晶片排列有關…) 較低 COB 較好 熱阻較高(~ 9C/W) 較高( >60lm/w) 較高 SMD 組裝成本 可靠度 散熱 發光效率 Package Type: SMD & COB SMD PKG: Rjb: ~10K/W COB PKG: Rjb: 4K/W(OSRAM OSTAR) 陣列式COB Package 1. 晶片排列面積: Heat flux 2. 晶片間距: Thermal crosstalk 3. 晶片耐高溫性: Tj vs. Life 散熱考量 光學設計 1.一次光學設計:需考量晶片排列,封裝及 打線 2.二次光學設計: 光源為面光源排列,增加 二次光學設計困難度 可靠度 1.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 • Metal core PCB(or IMS) • Ceramic(Al2O3/AlN/SiC) • Direct bond Copper 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 • Metal core PCB Al/Cu 基板 Cu Foil, 1 oz~4 oz 絕緣層 Thickness:60um~200um 1. 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 2. 雖然金屬基板的導熱性良好(>150W/mK),但整體的熱阻受限於絕緣層 (2~10W/mK) 3. 整體熱阻Rjb:8 C/W ~15 C/W 高導熱性AlN基板 高熱傳導性: 約為氧化鋁的7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 1.介電層熱傳導係數 0.5~ 6W/mk 2.Al線膨脹係數~ 23.6 x 10e-6 (1/C) 3.介電層厚度60~200um 4.耐電壓>3KV 5.製程溫度~260度C,時間控 制(20sec~30sec) 6.整體(COB)封裝結構 Rth~15C/W 7.整體(Brimon)封裝結構 Rth~8C/W 1.熱傳導係數 ~ 200W/mk 2.線膨脹係數~ 4.5 x 10e-6 (1/C) 3.硬度1200 (Hv) 4.耐電壓15(MV/m) 5.可使用厚(接著強度>50N)、 薄膜製程(接著強度>30N) 6.製程溫度>350度C 7.整體封裝結構Rth<5C/W 1.熱傳導係數 ~17W/mk 2.線膨脹係數~ 6.7 x 10e-6 (1/C) 3.硬度1900 (Hv) 4.耐電壓10(MV/m) 5.使用厚(接著強度>50N) 6.製程溫度>350度C 7. 整體封裝結構Rth~ 性能 3.5(元/4cm^2)96(元/4cm^2)43(元/4cm^2), via hole: 200孔 價格 1.Vertical與non-Vertical晶 片皆可使用。 2.基板廠通常不提供反射杯, 需自行另外製作。 3.可做AuSn或其它共晶製程 但須考慮基板介電層的Tg 點。 4.若為Vertical 晶片,基板在 無絕緣層情況下需搭配submount 1.Vertical與non-Vertical晶片皆 可使用。 2.可做AuSn或其它共晶製程。 3. AlN與Cu或Al可由In做中 間介質,減少破壞應力產生。 1.較適合双pad晶片 (non-verticle)使用。 2.廠商可提供反射杯製 做於Al2O3基板之上(使 用Al2O3燒結於基板 上)。 3.可做AuSn或其它共晶 高溫製程。 優、 缺點 MCPCB基板AlN基板Al2O3 (包含via hole)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cd/1000lm LED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1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: 4000lm LED路燈光型1: 4000lm 燈高: 8m 燈距: 25m 仰角: 10度 平均照度: 17.9 lux 平均照度/最小照度: 1.18 LED投射燈 20m 傳統金鹵燈LED投射燈 14m LED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 3.33.73.33.23.43.42.54m 4.04.03.73.43.93.82.92m 3.94.43.83.74.14.23.10m 30m25m20m15m10m5m0m位置 Unit:lux 平均照度=3.6 lux 均勻度=平均照度/最小照度=1.44 註:已扣除背景光 LED路燈 35m 7m 7m LED路燈(路燈用)實裝說明 LED路燈100W V=215V I=0.51A P=109.65W 照度量測位置 LED路燈照度量測 0.32.04.46.93.90.50.16m 0.43.19.721.37.81.50.13m 0.43.512.332.9101.60.20m 32.5m27.5m22.5m17.5m12.5m7.5m2.5m位置 Unit:lux 平均照度=5.9 lux 均勻度=平均照度/最小照度=58.52 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High power SMD PKG,總功率 在30W~150W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 ‧100W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 Thank you cs.lee@brtled.com 02-29591090ext 427