Тепловыделение светодиодной трубки
Люди все больше обращают внимание на тепловыделение светодиодов. Это связано с тем, что затухание светодиода или их срок службы напрямую зависит от температуры его перехода. Понижение температуры на 10 ° C продлит срок службы в 2 раза. Из зависимости между ослаблением света и температурой перехода, выдаваемой Cree (рис. 1), можно увидеть, что если температуру перехода можно контролировать на уровне 65 ° C, срок службы ослабления света до 70% может достигать 100 000 часов! Это долголетие, о котором люди мечтают, но реально ли этого достичь? Да, если серьезно заняться проблемой рассеивания тепла, это возможно! К сожалению, фактическое тепловыделение светодиодных фонарей далеко от этого требования! В результате срок службы светодиодной лампы стал серьезной проблемой, влияющей на ее производительность, поэтому к этому следует относиться серьезно!
Рисунок 1. Зависимость между ослаблением света и температурой перехода.
Кроме того, температура перехода светодиодной трубки не только влияет на длительный срок службы, но и напрямую влияет на кратковременную светоотдачу. Например, зависимость между светоотдачей Cree' s XLamp7090XR-E и температурой перехода показана на рисунке 2.
Рис. 2. Связь между температурой перехода и световым излучением.
Если люминесценция при температуре перехода 25 градусов составляет 100%, то при повышении температуры перехода до 60 градусов люминесценция будет только 90%; при температуре перехода 100 градусов она упадет до 80%; при 140 градусах будет только 70%. Видно, что очень важно улучшить отвод тепла и контролировать температуру перехода.
Кроме того, нагрев светодиода приведет к смещению его спектра; увеличивается цветовая температура; прямой ток увеличивается (при подаче питания постоянным напряжением); увеличивается и обратный ток; увеличивается термическое напряжение; старение люминофорной эпоксидной смолы ускоряется и т. д. Существуют различные проблемы, поэтому рассеивание тепла светодиодами является наиболее важной проблемой в конструкции светодиодной трубки.
Первая часть теплоотвода светодиодного чипа
1. Как создается температура перехода.
Причина, по которой светодиод нагревается, заключается в том, что добавленная электрическая энергия не вся преобразуется в световую энергию, а часть ее преобразуется в тепловую энергию. Световая отдача светодиодов в настоящее время составляет всего 100 лм / Вт, а эффективность электрооптического преобразования составляет всего около 20-30%. Другими словами, около 70% электроэнергии превращается в тепло.
В частности, на температуру перехода светодиода влияют два фактора.
1. Внутренняя квантовая эффективность невысока, то есть, когда электроны и дырки рекомбинируются, 100% фотонов не могут быть сгенерированы. Обычно это называется" утечка тока" что снижает скорость рекомбинации носителей в области PN. Ток утечки, умноженный на напряжение, представляет собой мощность этой части, которая преобразуется в тепловую энергию, но эта часть не учитывает основной компонент, потому что внутренний КПД фотонов теперь близок к 90%.
2. Фотоны, генерируемые внутри, не могут все испускаться за пределы чипа и в конечном итоге превращаться в тепло. Эта часть является основной, потому что в настоящее время так называемая внешняя квантовая эффективность составляет всего около 30%, и большая ее часть преобразуется в тепло.
Хотя световая отдача лампы накаливания очень низкая, всего около 15 лм / Вт, она преобразует почти всю электрическую энергию в энергию света и излучает ее. Поскольку большая часть излучаемой энергии является инфракрасной, световая эффективность очень низкая, но это не проблема рассеивания тепла.
2. Отвод тепла от светодиодного чипа в светодиодной трубке к нижней пластине.
Особенность светодиодного чипа заключается в том, что он выделяет очень большое количество тепла в очень небольшом объеме. Теплоемкость самого светодиода очень мала, поэтому тепло должно отводиться с максимальной скоростью, иначе это приведет к высокой температуре перехода. Чтобы максимально отводить тепло от кристалла, в структуру светодиодного кристалла было внесено множество улучшений.
Чтобы улучшить теплоотдачу самого светодиодного чипа, основным улучшением является использование материала подложки с лучшей теплопроводностью. В ранних светодиодах в качестве подложки использовался только кремний Si. Позже его заменили на сапфир в качестве подложки. Однако теплопроводность сапфировой подложки не очень хорошая (около 25 Вт / (м · К) при 100 ° C). Чтобы улучшить рассеивание тепла подложки, Cree использует подложку из карбида кремния, теплопроводность которой (490 Вт / () мК)) почти в 20 раз выше, чем у сапфира. И сапфир должен использовать серебряный клей для затвердевания кристалла, и теплопроводность серебряного клея также очень плохая. Единственный недостаток карбида кремния - он дороже. В настоящее время только Cree производит светодиоды с подложкой из карбида кремния.
Рис. 3. Структурная схема светодиода сапфира и подложки из карбида кремния.
После использования карбида кремния в качестве подложки он действительно может значительно улучшить рассеивание тепла, но его стоимость слишком высока и он имеет патентную защиту. В последнее время отечественные производители начали использовать кремниевые материалы в качестве подложек. Потому что кремниевая подложка не ограничена патентами. И производительность лучше сапфирового. Единственная проблема заключается в том, что коэффициент расширения GaN слишком отличается от коэффициента расширения кремния, и он склонен к растрескиванию. Решение состоит в том, чтобы добавить в середину слой нитрида алюминия (AlN) в качестве буфера.
Теплопроводность материала подложки Вт / (м · К) коэффициент расширения (x10E-6) стабильность теплопроводность стоимость ESD (антистатический)
Карбид кремния (SiC) 490-1,4 хорошее высокое хорошее
Сапфир (Al2O3) 461,9 обычно составляет 1/10 SiC
Кремний (Si) 1505-20 - хорошо, 1/10 сапфира - хорошо
После упаковки светодиодного чипа тепловое сопротивление от чипа до вывода является наиболее важным термическим сопротивлением в приложении. Вообще говоря, размер зоны соединения микросхемы является ключом к отведению тепла. Для разных номинальных мощностей требуются соответствующие размеры. Площадка стыковки. Это также проявляется в другом тепловом сопротивлении. Тепловое сопротивление светодиодов нескольких типов следующее:
Тип соломенная шляпа трубка пиранья 1Вт поверхностное свечение
Термическое сопротивление oK / W150-200508-155
Ранние светодиодные чипы выводились наружу из чипа в основном двумя металлическими электродами, наиболее типичный из которых назывался ф5 или F5.
