Розсіювання тепла світлодіодної трубки
Люди все більше уваги приділяють розсіює світлодіоди. Це пов'язано з тим, що легкий розпад світлодіодів або їх термін служби безпосередньо пов'язаний з температурою його з'єднання. Опускання на 10°C продовжить термін служби в 2 рази. З взаємозв'язку між загасанням світла і температурою з'єднання, що виділяється Cree (рисунок 1), видно, що якщо температуру з'єднання можна контролювати при 65 °C, тривалість життя загасання світла до 70% може досягати 100 000 годин! Це довголіття, про яке люди мріють, але чи дійсно цього можна досягти? Так, поки проблему розсіювання тепла можна вирішити серйозно, це можна зробити! На жаль, фактичне розсіювання тепла світлодіодних ліхтарів далеке від цієї вимоги! В результаті термін служби світлодіодної трубки став головною проблемою, що впливає на її продуктивність, тому до неї потрібно ставитися серйозно!
Малюнок 1. Зв'язок між загасанням світла і температурою з'єднання
Більш того, температура з'єднання світлодіодної трубки не тільки впливає на тривалий термін служби, але і безпосередньо впливає на короткочасну світлову ефективність. Наприклад, зв'язок між світловим виходом XLamp7090XR-E Крі і температурою з'єднання показано на рисунку 2.
Малюнок 2. Взаємозв'язок між температурою з'єднання і світловим випромінюванням
Якщо люмінесценція при температурі з'єднання 25 градусів становить 100%, то при підвищенні температури з'єднання до 60 градусів люмінесценція складе всього 90%; при температурі з'єднання 100 градусів вона знизиться до 80%; при 140 градусах, це буде всього 70%. Видно, що дуже важливо поліпшити розсіювання тепла і контролювати температуру з'єднання.
Крім того, тепло світлодіода призведе до його руху спектра; підвищується колірна температура; збільшується форвардний струм (коли потужність подається з постійною напругою); також збільшується зворотний струм; збільшується тепловий стрес; прискорюється старіння фосфорної епоксидної смоли і т.д. Існують різні проблеми, тому розсіювання тепла світлодіода є найважливішою проблемою в конструкції світлодіодної трубки.
Перша частина теплового розсіювання світлодіодного чіпа
1. Як генерується температура з'єднання
Причина, по якій світлодіод нагрівається, полягає в тому, що додана електрична енергія не всі перетворюються в світлову енергію, але частина її перетворюється в теплову енергію. Світлова ефективність світлодіода в даний час становить всього 100lm / W, а його електрооптичні ефективність перетворення становить лише близько 20-30%. Іншими словами, близько 70% електричної енергії перетворюється в тепло.
Зокрема, температура світлодіодного з'єднання викликана двома факторами.
1. Внутрішня квантова ефективність не висока, тобто при рекомбінованості електронів і отворів не може бути створено 100% фотонів. Зазвичай його називають «витоком струму», що знижує швидкість рекомбінації носіїв в регіоні НН. Струм витоку, помножений на напругу, - це потужність цієї частини, яка перетворюється в теплову енергію, але ця частина не враховує основний компонент, оскільки ефективність внутрішнього фотона зараз близька до 90%.
2. Фотони, що генеруються всередині, не можуть бути викинуті на зовнішню частину чіпа і, нарешті, перетворені в тепло. Ця частина є основною, тому що в даний час так звана зовнішня квантова ефективність становить всього близько 30%, і більшість з них перетворюються в тепло.
Хоча світлова ефективність лампи розжарювання дуже низька, всього близько 15lm / Вт, вона перетворює майже всю електричну енергію в світлову енергію і випромінює її. Оскільки більша частина сяючої енергії є інфрачервоною, ефективність світла дуже низька, але це не проблема розсіювання тепла.
2. Розсіювання тепла від світлодіодного чіпа в світлодіодній трубці до нижньої пластини
Характерним для світлодіодного чіпа є те, що він генерує надзвичайно високий тепло в дуже невеликому обсязі. Теплоємність самого світлодіода дуже мала, тому тепло необхідно проводити з максимальною швидкістю, інакше воно буде виробляти високу температуру з'єднання. Для того, щоб максимально витягнути тепло з чіпа, в структуру світлодіодного чіпа було зроблено багато поліпшень.
Для того щоб поліпшити розсіювання тепла самого світлодіодного чіпа, основним поліпшенням є використання підкладкового матеріалу з кращою теплопровідністю. Ранні світлодіоди використовували si silicon тільки в якості субстрату. Пізніше його змінили на сапфір в якості субстрату. Однак теплопровідність сапфірового субстрату не дуже хороша (близько 25 Вт/(МК) при 100°C). Для того, щоб поліпшити розсіювання тепла субстрату, Крі використовує карбідну підкладку кремнію, теплопровідність якої (490 Вт/() МК)) майже в 20 разів вище сапфіру. А сапфіру потрібно використовувати срібний клей для затверділення кристала, а теплопровідність срібного клею теж дуже бідна. Єдиним недоліком карбіду кремнію є те, що він коштує дорожче. В даний час тільки Cree виробляє світлодіоди з карбідними субстратами кремнію.
Малюнок 3. Схема світлодіодної структури сапфірової та кремнієвої карбідної підкладки
Після використання карбіду кремнію в якості субстрату, він дійсно може значно поліпшити своє розсіювання тепла, але його вартість занадто висока і він має патентний захист. Останнім часом вітчизняні виробники почали використовувати кремнієві матеріали в якості підкладок. Тому що кремнієва підкладка не обмежується патентами. А продуктивність краще сапфіру. Єдина проблема полягає в тому, що коефіцієнт розширення GaN занадто відрізняється від коефіцієнта кремнію і схильний до розтріскування. Рішення полягає в тому, щоб додати шар нітриду алюмінію (AlN) посередині в якості буфера.
Підкладка матеріал теплопровідності W/(m·K) коефіцієнт розширення (x10E-6) вартість термопровідності стійкості ESD (антистатична)
Карбід кремнію (SiC) 490-1.4 хороший високий хороший
Сапфір (Al2O3) 461.9, як правило, 1/10 siC
Кремній (Si) 1505-20 добре, 1/10 сапфіру добре
Після упаковки світлодіодного чіпа термостійкість від чіпа до штифта є найважливішим термостійкістю в застосуванні. Взагалі кажучи, розмір області з'єднання чіпа є ключем до розсіювання тепла. Для різних номінальних степенів потрібні відповідні розміри. Зона з'єднання. Він також проявляється у складі іншого теплового опору. Термостійкість декількох видів світлодіодів наступна:
Тип солом'яного капелюха трубка піранья 1W поверхні світіння
Термостійкість oK/W150-200508-155
Ранні світлодіодні чіпи приводилися назовні чіпа в основному двома металевими електродами, найбільш типовим з яких був названий ф5 або F5.
