Odvod tepla LED trubice
Lidé věnují stále větší pozornost odvodu tepla LED diodami. Je to proto, že světelný rozpad LED nebo jejich životnost přímo souvisí s teplotou jeho spojení. Snížení o 10 ° C prodlouží životnost dvakrát. Ze vztahu mezi útlumem světla a teplotou křižovatky uvolněnou Cree (obrázek 1) je patrné, že pokud lze teplotu spoje ovládat na 65 ° C, může být životnost útlumu světla až 70% až 100 000 hodin! Toto je dlouhověkost, o které lidé sní, ale lze ji skutečně dosáhnout? Ano, pokud lze problém s odvodem tepla řešit vážně, je to možné! Skutečný odvod tepla LED světel má bohužel k tomuto požadavku daleko! V důsledku toho se životnost LED trubice stala hlavním problémem ovlivňujícím její výkon, a proto ji musíme brát vážně!
Obrázek 1. Vztah mezi útlumem světla a teplotou křižovatky
Kromě toho teplota spojení LED trubice ovlivňuje nejen dlouhodobou životnost, ale také přímo ovlivňuje krátkodobou světelnou účinnost. Například vztah mezi světelným výkonem XLamp7090XR-E Cree' s a teplotou křižovatky je znázorněn na obrázku 2.
Obrázek 2. Vztah mezi teplotou křižovatky a emisí světla
Pokud je luminiscence při teplotě spoje 25 stupňů 100%, pak když teplota spoje stoupne na 60 stupňů, bude luminiscence pouze 90%; když je teplota křižovatky 100 stupňů, klesne na 80%; při 140 stupních to bude jen 70%. Je vidět, že je velmi důležité zlepšit odvod tepla a řídit teplotu křižovatky.
Teplo LED navíc způsobí pohyb jejího spektra; teplota barev se zvyšuje; dopředný proud se zvyšuje (při napájení konstantním napětím); zvyšuje se i zpětný proud; tepelné napětí se zvyšuje; zrychluje se stárnutí fosforečné epoxidové pryskyřice atd. Existují různé problémy, takže odvod tepla LED je nejdůležitějším problémem při návrhu LED trubice.
První část odvodu tepla LED čipu
1. Jak se generuje teplota křižovatky
Důvod, proč se LED dioda zahřívá, je ten, že přidaná elektrická energie není celá přeměněna na světelnou energii, ale její část je přeměněna na tepelnou energii. Světelná účinnost LED je v současné době pouze 100 lm/W a účinnost její elektrooptické konverze je jen asi 20-30%. Jinými slovy, asi 70% elektrické energie se přemění na teplo.
Teplota spojení LED je konkrétně způsobena dvěma faktory.
1. Vnitřní kvantová účinnost není vysoká, to znamená, že když jsou elektrony a otvory rekombinovány, nelze generovat 100% fotonů. Obvykle se tomu říká &; proudový svod &; což snižuje rychlost rekombinace nosičů v oblasti PN. Svodový proud vynásobený napětím je výkon této části, která se převádí na tepelnou energii, ale tato část neodpovídá hlavní složce, protože účinnost vnitřního fotonu se nyní blíží 90%.
2. Interně generované fotony nemohou být všechny emitovány ven z čipu a nakonec přeměněny na teplo. Tato část je hlavní, protože v současné době je takzvaná vnější kvantová účinnost jen asi 30%a většina z nich je přeměněna na teplo.
Přestože je světelná účinnost žárovky velmi nízká, pouze asi 15 lm/W, přeměňuje téměř veškerou elektrickou energii na energii světelnou a vyzařuje ji ven. Protože většina zářivé energie je infračervená, světelná účinnost je velmi nízká, ale není to problém odvodu tepla.
2. Odvod tepla z LED čipu v LED trubici na spodní desku
Charakteristikou LED čipu je, že generuje extrémně vysoké teplo ve velmi malém objemu. Tepelná kapacita samotné LED je velmi malá, takže teplo musí být odváděno nejvyšší rychlostí, jinak bude produkovat vysokou teplotu spojení. Aby bylo možné co nejvíce čerpat teplo z čipu, byla ve struktuře LED čipu provedena řada vylepšení.
Aby se zlepšil odvod tepla samotného LED čipu, hlavním vylepšením je použití substrátového materiálu s lepším vedením tepla. Dřívější LED diody používaly jako substrát pouze křemík Si. Později byl jako substrát změněn na safír. Tepelná vodivost safírového substrátu však není příliš dobrá (asi 25 W/(mK) při 100 ° C). Aby se zlepšil odvod tepla substrátu, Cree používá substrát z karbidu křemíku, jehož tepelná vodivost (490 W/() mK)) je téměř 20krát vyšší než safír. A safír potřebuje ke ztuhnutí krystalu použít stříbrné lepidlo a vedení tepla stříbrným lepidlem je také velmi špatné. Jedinou nevýhodou karbidu křemíku je, že je dražší. V současné době pouze Cree vyrábí LED diody se substráty z karbidu křemíku.
Obrázek 3. Schéma struktury LED substrátu ze safíru a karbidu křemíku
Po použití karbidu křemíku jako substrátu může skutečně výrazně zlepšit odvod tepla, ale jeho cena je příliš vysoká a má patentovou ochranu. V poslední době začínají tuzemští výrobci používat jako substráty silikonové materiály. Protože křemíkový substrát není omezen patenty. A výkon je lepší než safír. Jediným problémem je, že koeficient roztažnosti GaN je příliš odlišný od křemíku a je náchylný k praskání. Řešením je přidat do středu vrstvu nitridu hliníku (AlN) jako pufr.
Tepelná vodivost materiálu podkladu W/(m · K) součinitel roztažnosti (x10E-6) stabilita náklady na tepelnou vodivost ESD (antistatické)
Karbid křemíku (SiC) 490-1,4 dobrý vysoký dobrý
Sapphire (Al2O3) 461,9 je obecně 1/10 SiC
Křemík (Si) 1505-20 je dobrý, 1/10 safíru je dobrý
Poté, co je LED čip zabalen, je tepelný odpor od čipu k kolíku nejdůležitějším tepelným odporem v aplikaci. Obecně řečeno, velikost oblasti spojení čipu je klíčem k odvodu tepla. Pro různé jmenovité výkony jsou vyžadovány odpovídající velikosti. Oblast křižovatky. Projevuje se také jako odlišný tepelný odpor. Tepelný odpor několika typů LED je následující:
Typ slamák trubice piranha 1W povrchová záře
Tepelný odpor oK/W150-200508-155
Rané LED čipy byly vedeny na vnější stranu čipu hlavně dvěma kovovými elektrodami, nejtypičtější se nazývala ф5 nebo F5
