Varmeafledning af LED -rør
Folk lægger mere og mere vægt på varmeafledning af lysdioder. Dette skyldes, at lysforfaldet på LED'er eller deres levetid er direkte relateret til dets krydsetemperatur. Sænkning af 10 ° C forlænger levetiden med 2 gange. Det kan ses af forholdet mellem lysdæmpning og krydsetemperatur frigivet af Cree (figur 1), at hvis krydsetemperaturen kan kontrolleres ved 65 ° C, kan lysdæmpningens levetid til 70% være så høj som 100.000 timer! Dette er den levetid, som folk drømmer om, men kan det virkelig opnås? Ja, så længe varmeafledningsproblemet kan behandles seriøst, er det muligt at gøre det! Desværre er den faktiske varmeafledning af LED -lys langt fra dette krav! Som følge heraf er LED -rørets levetid blevet et stort problem, der påvirker dets ydeevne, så det skal tages alvorligt!
Figur 1. Forholdet mellem lysdæmpning og krydsetemperatur
Desuden påvirker LED-rørets krydsetemperatur ikke kun den langsigtede levetid, men påvirker også direkte den kortsigtede lyseffektivitet. For eksempel er forholdet mellem lysudbyttet fra Cree' s XLamp7090XR-E og forbindelsestemperaturen vist i figur 2.
Figur 2. Forholdet mellem krydsetemperatur og lysemission
Hvis luminescensen ved en krydsetemperatur på 25 grader er 100%, når lufttemperaturen stiger til 60 grader, vil luminescensen kun være 90%; når krydsetemperaturen er 100 grader, falder den til 80%; ved 140 grader, vil det kun være 70%. Det kan ses, at det er meget vigtigt at forbedre varmeafledningen og kontrollere krydsetemperaturen.
Desuden vil lysets varme få sit spektrum til at bevæge sig; farvetemperaturen stiger; fremadstrømmen stiger (når strømforsyningen leveres med konstant spænding); omvendt strøm øges også; den termiske belastning øges; fosforepoxyharpiksaldringen accelererer osv. Der er forskellige problemer, så varmeafledning af LED er det vigtigste problem i designet af LED -rør.
Den første del af varmeafgivelsen af LED -chippen
1. Hvordan krydsetemperaturen genereres
Grunden til, at LED'en varmes op, er, fordi den tilføjede elektriske energi ikke alle omdannes til lysenergi, men en del af den omdannes til varmeenergi. LED's lyseffektivitet er i øjeblikket kun 100lm/W, og dens elektro-optiske konverteringseffektivitet er kun ca. 20-30%. Med andre ord bliver omkring 70% af den elektriske energi omdannet til varme.
Specifikt skyldes LED -krydsetemperaturen to faktorer.
1. Den interne kvanteeffektivitet er ikke høj, det vil sige, når elektroner og huller rekombineres, kan 100% af fotoner ikke genereres. Det kaldes normalt" nuværende lækage" der reducerer rekombinationshastigheden for bærere i PN -regionen. Lækstrømmen ganget med spændingen er effekten af denne del, som omdannes til varmeenergi, men denne del tegner sig ikke for hovedkomponenten, fordi den interne fotoneffektivitet nu er tæt på 90%.
2. Fotoner genereret internt kan ikke alle udsendes til ydersiden af chippen og til sidst omdannes til varme. Denne del er den vigtigste, for i øjeblikket er den såkaldte eksterne kvanteeffektivitet kun omkring 30%, og de fleste af dem omdannes til varme.
Selvom glødelampens lysudbytte er meget lav, kun omkring 15 lm/W, konverterer den næsten al elektrisk energi til lysenergi og udstråler den. Fordi det meste af strålingsenergien er infrarød, er lyseffektiviteten meget lav, men det gør det ikke Problemet med varmeafledning.
2. Varmeafledning fra LED -chippen i LED -røret til bundpladen
Det karakteristiske ved LED -chippen er, at den genererer ekstremt høj varme i et meget lille volumen. Varmekapaciteten på selve LED'en er meget lille, så varmen skal ledes ud med den hurtigste hastighed, ellers vil den producere en høj krydsetemperatur. For at trække varmen ud af chippen så meget som muligt er der foretaget mange forbedringer i strukturen af LED -chippen.
For at forbedre varmeafgivelsen af selve LED -chippen er den største forbedring at bruge et substratmateriale med bedre varmeledning. Tidlige lysdioder brugte kun Si silicium som substrat. Senere blev det ændret til safir som substrat. Sapphire -substratets varmeledningsevne er imidlertid ikke særlig god (ca. 25W/(mK) ved 100 ° C). For at forbedre substratets varmeafledning bruger Cree et siliciumcarbidsubstrat, hvis varmeledningsevne er (490W/() mK)) er næsten 20 gange højere end safir. Og safir skal bruge sølvlim til at størkne krystallen, og varmeledningen af sølvlim er også meget dårlig. Den eneste ulempe ved siliciumcarbid er, at det er dyrere. I øjeblikket producerer kun Cree lysdioder med siliciumcarbidsubstrater.
Figur 3. LED -strukturdiagram af safir- og siliciumcarbidsubstrat
Efter at have brugt siliciumcarbid som substrat kan det faktisk forbedre dets varmeafledning i høj grad, men omkostningerne er for høje og har patentbeskyttelse. For nylig er indenlandske producenter begyndt at bruge siliciummaterialer som substrater. Fordi siliciumsubstratet ikke er begrænset af patenter. Og ydelsen er bedre end safir. Det eneste problem er, at ekspansionskoefficienten for GaN er for forskellig fra silicium, og den er tilbøjelig til at revne. Løsningen er at tilføje et lag aluminiumnitrid (AlN) i midten som en buffer.
Underlagsmateriale termisk ledningsevne W/(m · K) ekspansionskoefficient (x10E-6) stabilitet termisk ledningsevne omkostninger ESD (antistatisk)
Siliciumcarbid (SiC) 490-1.4 god høj god
Safir (Al2O3) 461,9 er generelt 1/10 af SiC
Silicium (Si) 1505-20 er godt, 1/10 af safir er godt
Efter at LED -chippen er pakket, er den termiske modstand fra chippen til stiften den vigtigste termiske modstand i applikationen. Generelt er størrelsen af chipens krydsningsområde nøglen til varmeafledning. For forskellige nominelle kræfter kræves tilsvarende størrelser. Krydsområdet. Det manifesterer sig også som en anden termisk modstand. Den termiske modstand for flere typer af lysdioder er som følger:
Type stråhat rør piranha 1W overfladeglød
Termisk modstand oK/W150-200508-155
Tidlige LED -chips blev ført til ydersiden af chippen hovedsageligt af to metalelektroder, den mest typiske blev kaldt ф5 eller F5
