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清晰AD-88系列散熱鋁基版通過UL M.O.T 最高操作溫度130度耐久性試驗

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導熱金屬基板 360゚

1.何謂熱傳導係數 (Thermal Conductivity ,K) ?

    -  熱傳導係數是最基本參數,其餘參數如:對流係數(Heat Transfer Coefficient)等都是為了不同狀況下方便,所定義的物理量。

    -  熱導率是指材料直接傳導熱量的能力,或稱熱傳導率。熱導率定義為單位截面、長度的材料在單位溫差下和單位時間內直接傳導的熱量。
       熱導率的單位為瓦米-1開爾文-1 w/mk

       熱導率 ,其中是導熱體的橫截面積,是單位時間內傳導的熱量,是兩熱源間導熱體的厚度,則是溫度差。

    -  圖型說明
                                圖型說明
        (1)其中,Area表示截面積A下,表面溫度為70゚C (LED 工作溫度),欲傳導到底面材料溫度為25゚C (室溫),其△T為(70-25)=45゚C,若以一般
            金屬散熱基板而言,總厚度為(1.1mm~1.3mm)為最多,即X=1.1mm 。
        (2)而熱傳導係數K則為熱導率定義為單位截面積、長度的材料,在單位溫差下和單位時間內,直接傳導的熱量。
        (3)散熱金屬基板架構為,表面線路銅箔(35um);導熱膠(100um);底材鋁板(1.0mm),而上、下兩層金屬層導熱係數極高,故一般而言,金屬散
            熱基板的熱傳導係數都是僅指導熱絕緣膠的熱傳導係數而言。


2.何謂熱阻(Thermal Resistance,R)?金屬散熱基板熱阻與熱導的關係說明。

    -  定義:當熱量在物體内部以熱傳導的方式傳遞時,遇到熱阻抗稱爲導熱熱阻。單位爲kw

    -  計算公式:對於熱流經過的截面積不變的平板,導熱熱阻爲r。其中X爲平板的厚度,A爲平板垂直於熱流方向的截面積,k爲材料
       熱導率。

graphical_illustration

       若以上述圖型說明,熱阻與材料熱傳導率的關係如下:

       熱阻抗率(單位:kw)                    …………… (A) ;

       熱傳導率(單位:wmk)    .……… (B) ;

       將(B)帶入(A)中,可得 ......(C) ;

       直觀來說,熱阻抗率(R)就是熱傳導率K 乘上材料本身厚度(X)再除以截面積(A)的關係;若在固定板材厚度(X)與截面積(A)後,熱阻抗率(R)
       與熱傳導率(K)就是一倒數關係。

    -  在散熱金屬導熱基板中,在指熱阻時,都是以導熱熱阻為主,其餘如:對流熱阻、輻射熱阻都不是主要說明對象。

    -  在給定導熱材料厚度(X),截面積(A),及材料熱導係數(K)後,往往就可以決定其材料之熱阻抗(R)。

    -  一般而言,導熱率越好的材料,往往也表示其熱阻越低。


3.金屬散熱基板的熱傳導係數K(W/mk)與LED 發光效率(Lm/W)的關係

       (1)散熱基板之熱導係數

              A.散熱基板的熱傳導係數單位是W/mk,其中W是瓦特(Watt)為熱功率,m是公尺(Meter),K是絕對溫度單位(Kelvin), 其意義就是
                  每度K / 每公尺下能傳送多少熱功率(瓦特),所以K是用來定義散熱基板的熱導能力。若舉清晰鋁基板為例,其底材即為5052級的
                  鋁板,其散熱係數一般約在220 W/mk左右,若搭配優良的導熱絕緣膠則可以發揮更好的散熱特性。

              B. 若以下圖為例,我們所指的導熱係數(W/mk)是指由A (LED)發出熱源後,經過基板導熱膠(Dielectric Layer)的熱傳導能力,故若以清晰
                  CS-88-AD2 (兩瓦)產品來說,即是指我們單純絕緣導熱膠的熱傳導能力為2W/mk,而與LED發光效率之瓦數無關。

       (2)LED 發光效率(Lm*/W)

              若以固態照明中的LED與其他類型比較的話,從Wikipedia上可以得到下列比較,其中,目前LED發光效率與實際效率間約有75~85%仍然
              是以熱的方式將其能量轉為熱,其餘部分才是光。

              一般而言,單顆LED耗用功率較高的情況下,若在相同發光效率下,通常表示有更多的熱需要被傳導至散熱基板與機構上,以維持LED
              工作溫度避免光衰。

              故若以上圖表示,LED 發光效率(Lm/W)是表示LED (A點) 在單位時間內由1瓦電能(W)光源發出多少光量Lm。

              綜合上面,兩點說明後,對於導熱係數 K(W/mk)以及LED 發光效率(Lm*/W),兩者之間應該可以更容易區分。

              最後則是說明,其二者之間的關係,一般LED的耗用功率如果其發光效率高但其轉換效率差的前提下,其需要散熱的熱源也較一般為
              高故如果LED瓦數高往往也代表須要使用較高熱導係數的散熱基板。但沒有絕對正相關;如同1W的LED芯片,其發光效率可以達到
              100Lm/W的前提下,則要視其轉換效率之差異,如果效率高則相同單位面積下須要導熱的熱源則較低,反之則較高。故如果只看導熱
              係數與發光效率的單位W的情況下,往往會忽略其本來代表之意義。

              Note:
              *Lm = 光通量(Luminous Flex), Φv 流明(lm= cd•sr),為單位時間內由光源所發出之光能


4.以金屬基板供應商角度對LED整體燈具設計可靠性之建議

       LED以長使用壽命為其特點,為確保系統長時間使用壽命,我們建議事項如下:

       A.LED並不存在鎢絲燈絲斷裂的壽命問題,只有伴隨LED點亮時間增加後造成之材料老化進一步引起光通量衰減的問題。
          而老化問題在LED固態照明的角度來說,往往與其螢光粉、封裝樹脂等因素有關,若以使用樹脂封裝的LED芯片來說,
          往往是因為LED產生的光與熱造成透明樹脂老化變黃進而引起光通量衰減的主要原因。
          故一般而言,在LED可靠性設計之初,就會先定義好在最低允許光通量下,其整體發光效率與衰減效率必須符合哪些基本條件,
          一般來說,就是指LED發光量、發光效率與散熱材料等允許使用範圍,但由於LED發光之出光量往往在出廠時就已設定好,
          故LED整體的可靠性設計就是在討論LED系統與個別LED工作溫度要限制在某個範圍下的散熱設計

       B.LED系統靜電防護與防濕措施,一般來說LED產品除溫度變異容易產生突發性損壞外,元件本身對於靜電的防護也是相當重要的議題。
          另外則是需要考量其機構防水性及散熱性。

       C.若以LED燈具設計使用客戶角度來看,LED光源與傳統光源耗用電能轉換差異極大,其中LED將所耗電能轉換為可見光的比重僅占
          10~30%左右,其餘部分必須仰賴照明燈具容積與散熱結構等方面進行加強散熱設計。而上述溫度的議題,對於固態照明來說即會顯
          著影響其接面溫度(Junction Temperature) 並對其工作特性及可靠性造成影響。

       D.舉一照明設備構造與總燈具消耗功率角度說明LED環境溫度與機構散熱關係
          (1)假設:
              (a)LED壽命:使用白光LED衰減到發光全光通量到初始值70%時經過時間。
              (b)照明燈具採自然對流方式冷卻,並以室內溫度為30゚C為基準。
          (2)定義:
              tempoutc:環境溫度/給定30゚C
              tempairc:照明燈具溫度單位時間內溫度變化程度
              則照明燈具中溫度tempair可以以下式表示

              
              圖型顯示如下:其中利用熱阻等效電路表示接面溫度tj
              temp_picture
              若考慮照明燈具體積、散熱金屬基板導熱係數、內部因為功率消耗產生熱能等因素下,由LED燈具使用下導致燈具內溫度上
              升(tempair)可由下列關係式呈現:

tempqak

       Note:
       (1)表示燈具(機構)的熱傳導係數
       (2)表式燈具整體的表面積
       (3)為燈具內部生成熱的總量;若以燈具使用9個LED每個LED內部發出熱量為1(kcal/Wh)可以得出Q= LED(W) x 9 x 1(kcal/Wh),
           其中,LED(W)為每個LED所消耗的功率;9為相同規格的LED個數。

       而如何利用LED燈具外殼材料、容積(總表面積)及結構將LED燈具所發生的熱快速且有效地向外傳導;即可以迅速降低LED周邊溫度。

       結論:在此討論了傳導圖中標示(1)的熱阻(溫度傳導的途徑),其中,在假設LED發光源整體與燈殼可以妥善傳遞的情況下,
       則燈具散熱設計的主要考量,就集中到三個變數上,其中希望內部產生的熱(Q)可以較低,或者是燈體的接觸外界的表面積(A)要大,
       又亦或是燈殼的導熱係數(K)要大,如此一來可以收到最好的散熱效果。即
       其中由於燈體外溫度假定固定為30゚C,在希望下 最小的情況下,就是


5.各別LED零件/LED散熱金屬基板(LED燈具模組)/燈具熱阻與接面溫度的關係說明

       若以單顆LED零件來看,與整體LED燈條電路板(模組)及燈具的關係如何?就是我們接續前面第四點燈具散熱手法討論的範圍。

       一般而言,單顆LED零件在發光效率與熱平衡等面向考量皆會符合預計設定需求,而就機構/熱傳導/光學設計而言如何,
       如何在燈條上(LED燈條模組)達到此一平衡更是一大學問;目前而言主要的設計方向可以歸納成下面幾點結論:

       (1)使用高瓦(高轉換效率)少顆LED且有一定間距,以避免低瓦或排列過於密集的設計方式;
       (2)散熱問題日益增加不完全在於高亮度,而在於高瓦數且轉換效率不夠理想;
       (3)另外,且未必因為使用新封裝技術就可以讓熱傳導優於傳統封裝。

       若以下圖來說明個別LED模組與LED燈條散熱基板與燈具內溫度的關係可以下列數學式表示:

       其中,為LED(模組,共九顆LED加上散熱金屬基板)在工作下所產生的熱,進而導致器具溫度上升的變化。

       若進一步使用等效熱阻表示個零件所產生的溫差,則燈具內因為LED模組工作產生的上升溫度變化可以利用熱阻與消耗功率的乘積來
       表示如。其中,P(W)為LED燈條模組的消耗功率(= n x p ),此述假設n=9,各別LED消耗功率p為1W。

       為全部LED燈條接面點與燈具內溫度間的熱阻。

       在此條件下,我們可以另外LED整體模組消耗功率及零件材料的熱阻的乘積,來推估個別LED接面溫度如下:

       在此一式中可以看到,個別LED介面溫度與整體(LED零件及材料熱阻本身有關,另一方面當然也與整體LED燈條使用功率有直接關係,
       而二者之乘積更會大幅影響個別LED介面工作溫度,這也是為什麼我們在第四點時,會先介紹整體燈具溫度與外界溫度的關係,
       並在其後回到燈體內部的主要原因,後續我們的的討論重點也會回到個別LED零件與LED燈條散熱基板其導熱係數(熱阻)的主要原因,
       故回到結論,若以熱傳導的角度來說,較低的熱阻搭配上合適的功率消耗往往可以使介面溫度控制在一定範圍內,進而使整體LED燈組壽
       命及相關效能最佳化。

 

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