Odprowadzanie ciepła z tuby LED
Ludzie zwracają coraz większą uwagę na odprowadzanie ciepła przez diody LED. Dzieje się tak, ponieważ zanik światła diod LED lub ich żywotność jest bezpośrednio związany z temperaturą złącza. Obniżenie 10°C wydłuży żywotność 2 razy. Z zależności między tłumieniem światła a temperaturą złącza wyprowadzoną przez Cree (Rysunek 1) można zauważyć, że jeśli temperaturę złącza można kontrolować przy 65°C, żywotność tłumienia światła do 70% może wynosić nawet 100 000 godzin! To jest długowieczność, o której marzą ludzie, ale czy naprawdę można ją osiągnąć? Tak, o ile problem z rozpraszaniem ciepła można sobie poradzić poważnie, jest to możliwe! Niestety, rzeczywiste rozpraszanie ciepła przez oświetlenie LED jest dalekie od tego wymogu! W rezultacie żywotność świetlówki LED stała się poważnym problemem wpływającym na jej wydajność, dlatego należy ją traktować poważnie!
Rysunek 1. Zależność między tłumieniem światła a temperaturą złącza
Co więcej, temperatura złącza świetlówki LED wpływa nie tylko na długotrwałą żywotność, ale również bezpośrednio wpływa na krótkotrwałą skuteczność świetlną. Na przykład zależność między mocą świetlną Cree's XLamp7090XR-E a temperaturą złącza pokazano na rysunku 2.
Rysunek 2. Zależność między temperaturą złącza a emisją światła
Jeśli luminescencja przy temperaturze złącza 25 stopni wynosi 100%, to gdy temperatura złącza wzrośnie do 60 stopni, luminescencja wyniesie tylko 90%; gdy temperatura złącza wynosi 100 stopni, spadnie do 80%; przy 140 stopniach będzie to tylko 70%. Widać, że bardzo ważna jest poprawa odprowadzania ciepła i kontrola temperatury złącza.
Ponadto ciepło diody LED spowoduje przesunięcie jej widma; wzrasta temperatura barwowa; prąd przewodzenia wzrasta (gdy zasilanie jest zasilane stałym napięciem); prąd wsteczny również wzrasta; naprężenie termiczne wzrasta; przyśpiesza starzenie się żywicy epoksydowej luminoforu itp. Problemy są różne, więc rozpraszanie ciepła przez diodę LED jest najważniejszym problemem w projektowaniu tuby LED.
Pierwsza część rozpraszania ciepła chipa LED
1. Jak generowana jest temperatura złącza?
Powodem nagrzewania się diody LED jest to, że dodana energia elektryczna nie jest w całości przekształcana w energię świetlną, ale jej część jest przekształcana w energię cieplną. Skuteczność świetlna LED wynosi obecnie tylko 100lm/W, a sprawność konwersji elektrooptycznej to tylko około 20-30%. Innymi słowy, około 70% energii elektrycznej zamienia się w ciepło.
W szczególności temperatura złącza LED jest spowodowana dwoma czynnikami.
1. Wewnętrzna sprawność kwantowa nie jest wysoka, to znaczy, gdy elektrony i dziury są rekombinowane, nie można wygenerować 100% fotonów. Zwykle nazywa się to"upływ prądu" co zmniejsza szybkość rekombinacji nośników w regionie PN. Prąd upływu pomnożony przez napięcie jest mocą tej części, która jest zamieniana na energię cieplną, ale ta część nie uwzględnia składowej głównej, ponieważ sprawność wewnętrzna fotonu jest teraz bliska 90%.
2. Fotony generowane wewnętrznie nie mogą w całości zostać wyemitowane na zewnątrz chipa i ostatecznie zamienione w ciepło. Ta część jest najważniejsza, ponieważ obecnie tak zwana zewnętrzna sprawność kwantowa wynosi tylko około 30%, a większość z nich jest zamieniana na ciepło.
Chociaż skuteczność świetlna żarówek jest bardzo niska, tylko około 15lm/W, zamienia ona prawie całą energię elektryczną na energię świetlną i wypromieniowuje ją na zewnątrz. Ponieważ większość energii promieniowania to podczerwień, wydajność świetlna jest bardzo niska, ale nie ma problemu z rozpraszaniem ciepła.
2. Odprowadzanie ciepła z chipa LED w rurce LED do dolnej płyty
Cechą charakterystyczną chipa LED jest to, że generuje bardzo duże ciepło w bardzo małej objętości. Pojemność cieplna samej diody LED jest bardzo mała, więc ciepło musi być odprowadzane z największą prędkością, w przeciwnym razie spowoduje to wysoką temperaturę złącza. W celu maksymalnego odprowadzenia ciepła z chipa wprowadzono wiele ulepszeń w strukturze chipa LED.
Aby poprawić rozpraszanie ciepła przez sam chip LED, głównym ulepszeniem jest zastosowanie materiału podłoża o lepszym przewodzeniu ciepła. Wczesne diody LED wykorzystywały jako podłoże tylko krzem Si. Później zmieniono go na szafir jako podłoże. Jednak przewodność cieplna podłoża szafirowego nie jest zbyt dobra (około 25W/(mK) przy 100°C). Aby poprawić rozpraszanie ciepła podłoża, Cree stosuje podłoże z węglika krzemu, którego przewodność cieplna (490 W/() mK)) jest prawie 20 razy większa niż szafiru. A szafir musi użyć srebrnego kleju do zestalenia kryształu, a przewodzenie ciepła srebrnego kleju jest również bardzo słabe. Jedyną wadą węglika krzemu jest to, że jest droższy. Obecnie tylko Cree produkuje diody LED na podłożu z węglika krzemu.
Rysunek 3. Schemat struktury LED podłoża szafirowego i węglika krzemu
Po zastosowaniu węglika krzemu jako podłoża może rzeczywiście znacznie poprawić odprowadzanie ciepła, ale jego koszt jest zbyt wysoki i ma ochronę patentową. Ostatnio krajowi producenci zaczęli stosować materiały krzemowe jako podłoża. Ponieważ podłoże krzemowe nie jest ograniczone patentami. A wydajność jest lepsza niż szafir. Jedynym problemem jest to, że współczynnik rozszerzalności GaN jest zbyt różny od współczynnika krzemu i jest podatny na pękanie. Rozwiązaniem jest dodanie warstwy azotku glinu (AlN) pośrodku jako bufora.
Przewodność cieplna materiału podłoża W/(m·K) współczynnik rozszerzalności (x10E-6) stabilność przewodność cieplna koszt ESD (antystatyka)
Węglik krzemu (SiC) 490-1,4 dobry wysoki dobry
Szafir (Al2O3) 461,9 to zazwyczaj 1/10 SiC
Krzem (Si) 1505-20 jest dobry, 1/10 szafiru jest dobry
Po zapakowaniu chipa LED opór cieplny pomiędzy chipem a kołkiem jest najważniejszą opornością termiczną w aplikacji. Ogólnie rzecz biorąc, wielkość obszaru połączenia chipa jest kluczem do rozpraszania ciepła. Dla różnych mocy znamionowych wymagane są odpowiednie rozmiary. Obszar skrzyżowania. Przejawia się to również jako inny opór cieplny. Rezystancja termiczna kilku rodzajów diod LED jest następująca:
Typ słomkowy kapelusz piranha 1W powierzchnia poświata
Opór cieplny ok/W150-200508-155
Wczesne chipy LED były wyprowadzane na zewnątrz chipa głównie przez dwie metalowe elektrody, najbardziej typowa nazywała się ф5 lub F5
