Dissipació de calor del tub LED
La gent presta cada vegada més atenció a la dissipació de calor dels LED. Això es deu al fet que la decadència de la llum dels LED o la seva vida útil està directament relacionada amb la temperatura de la seva unió. Si baixa 10 ° C s’allargarà la vida 2 vegades. Es pot veure per la relació entre l’atenuació de la llum i la temperatura de la unió alliberada per Cree (Figura 1) que si la temperatura de la unió es pot controlar a 65 ° C, la vida útil de l’atenuació de la llum fins al 70% pot arribar a ser de 100.000 hores. Aquesta és la longevitat que somien les persones, però es pot aconseguir realment? Sí, sempre que es pugui tractar seriosament el problema de la dissipació de calor, és possible fer-ho. Malauradament, la dissipació de calor real de les llums LED està lluny d’aquest requisit. Com a resultat, la vida útil del tub LED s’ha convertit en un problema important que afecta el seu rendiment, de manera que s’ha de prendre seriosament.
Figura 1. La relació entre l’atenuació de la llum i la temperatura de la unió
A més, la temperatura d’unió del tub LED no només afecta la vida útil a llarg termini, sinó que també afecta directament l’eficiència lluminosa a curt termini. Per exemple, la relació entre la sortida lluminosa de XLamp7090XR-E de Cree&# 39 i la temperatura de la unió es mostra a la figura 2.
Figura 2. La relació entre la temperatura de la unió i l’emissió de llum
Si la luminescència a una temperatura de la unió de 25 graus és del 100%, quan la temperatura de la unió puja a 60 graus, la luminiscència només serà del 90%; quan la temperatura de la unió és de 100 graus, baixarà al 80%; a 140 graus, només serà del 70%. Es pot veure que és molt important millorar la dissipació de calor i controlar la temperatura de la unió.
A més, la calor del LED farà que el seu espectre es mogui; augmenta la temperatura del color; augmenta el corrent cap endavant (quan s’alimenta amb tensió constant); també augmenta el corrent invers; augmenta l'estrès tèrmic; l’envelliment de la resina epoxi de fòsfor s’accelera, etc. Hi ha diversos problemes, de manera que la dissipació de calor del LED és el problema més important en el disseny del tub LED.
La primera part de la dissipació de calor del xip LED
1. Com es genera la temperatura de la unió
La raó per la qual el LED s’escalfa és perquè l’energia elèctrica afegida no es converteix en energia lluminosa, sinó que una part es converteix en energia calorífica. Actualment, l’eficiència lluminosa del LED és de només 100 lm / W i la seva eficiència de conversió electroòptica és d’uns 20-30%. Dit d’una altra manera, al voltant del 70% de l’energia elèctrica es converteix en calor.
Concretament, la temperatura de la unió LED és causada per dos factors.
1. L’eficiència quàntica interna no és alta, és a dir, quan es recombinen electrons i forats, no es poden generar el 100% dels fotons. Normalment s’anomena" fuita actual" que redueix la taxa de recombinació de portadors a la regió PN. El corrent de fuita multiplicat per la tensió és la potència d’aquesta part, que es converteix en energia calorífica, però aquesta part no té en compte el component principal, perquè l’eficiència interna del fotó ara s’acosta al 90%.
2. Els fotons generats internament no es poden emetre a l’exterior del xip i finalment convertir-los en calor. Aquesta part és la principal, ja que actualment l’anomenada eficiència quàntica externa només és del 30% aproximadament i la majoria es converteixen en calor.
Tot i que l’eficiència lluminosa de la làmpada incandescent és molt baixa, només fa uns 15 lm / W, converteix gairebé tota l’energia elèctrica en energia lluminosa i la irradia. Com que la major part de l’energia radiant és infraroja, l’eficiència de la llum és molt baixa, però no El problema de la dissipació de calor.
2. Dissipació de calor des del xip LED del tub LED fins a la placa inferior
La característica del xip LED és que genera calor extremadament alt en un volum molt reduït. La capacitat tèrmica del propi LED és molt petita, de manera que la calor s'ha de conduir a la velocitat més ràpida, en cas contrari produirà una temperatura de connexió elevada. Per tal d’extreure la calor del xip al màxim, s’han fet moltes millores en l’estructura del xip LED.
Per tal de millorar la dissipació de calor del propi xip LED, la principal millora és utilitzar un material de substrat amb una millor conducció de calor. Els primers LED només utilitzaven silici de Si com a substrat. Més tard es va canviar per safir com a substrat. Tot i això, la conductivitat tèrmica del substrat de safir no és molt bona (uns 25W / (mK) a 100 ° C). Per tal de millorar la dissipació de calor del substrat, Cree utilitza un substrat de carbur de silici la conductivitat tèrmica de la qual (490W / () mK)) és gairebé 20 vegades superior al del safir. I el safir necessita utilitzar cola de plata per solidificar el cristall i la conducció de calor de la cola de plata també és molt deficient. L’únic desavantatge del carbur de silici és que és més car. Actualment, només Cree produeix LEDs amb substrats de carbur de silici.
Figura 3. Esquema d’estructures LED del substrat de safir i carbur de silici
Després d’utilitzar el carbur de silici com a substrat, pot millorar la seva dissipació de calor, però el seu cost és massa elevat i té protecció patentada. Recentment, els fabricants nacionals han començat a utilitzar materials de silici com a substrats. Com que les patents no restringeixen el substrat de silici. I el rendiment és millor que el safir. L'únic problema és que el coeficient d'expansió de GaN és massa diferent al del silici i és propens a esquerdes. La solució és afegir una capa de nitrur d’alumini (AlN) al centre com a tampó.
Conductivitat tèrmica del material del substrat W / (m · K) coeficient d’expansió (x10E-6) estabilitat cost de conductivitat tèrmica ESD (antiestàtic)
Carbur de silici (SiC) 490-1,4 bo alt bé
Safir (Al2O3) 461,9 és generalment 1/10 de SiC
El silici (Si) 1505-20 és bo, 1/10 de safir és bo
Després d’empaquetar el xip LED, la resistència tèrmica del xip al pin és la resistència tèrmica més important de l’aplicació. En termes generals, la mida de la zona d’unió del xip és la clau per dissipar la calor. Per a diferents potències nominals, es requereixen les mides corresponents. La zona d’unió. També es manifesta com una resistència tèrmica diferent. La resistència tèrmica de diversos tipus de LED és la següent:
Tipus de barret de palla tub piranya 1W brillantor superficial
Resistència tèrmica oK / W150-200508-155
Els primers xips LED eren conduïts a l’exterior del xip principalment per dos elèctrodes metàl·lics, el més típic es deia ф5 o F5
