LED-toru soojuse hajumine
Inimesed pööravad üha enam tähelepanu LEDide soojuse hajumisele. Seda seetõttu, et LED-ide kerge lagunemine või nende eluiga on otseselt seotud selle ristmiku temperatuuriga. 10 °C langetamine pikendab eluiga 2 korda. Cree vabaneva valguse sumbeduse ja ristmiku temperatuuri vahelisest seosest (joonis 1) on näha, et kui ristmiku temperatuuri saab reguleerida 65 °C juures, võib valguse nõrgenemise eluiga 70% olla kuni 100 000 tundi! See on pikaealisus, millest inimesed unistavad, kuid kas seda on tõesti võimalik saavutada? Jah, niikaua kui soojuse hajumise probleemi saab tõsiselt käsitleda, on seda võimalik teha! Kahjuks ei ole LED-tulede tegelik soojuse hajumine sellest nõudest kaugel! Selle tulemusena on LED-toru elu muutunud selle jõudlust mõjutanud suureks probleemiks, nii et seda tuleb tõsiselt võtta!
Joonis 1. Valguse sumbeduse ja ristmiku temperatuuri suhe
Veelgi enam, LED-toru ristmiku temperatuur ei mõjuta mitte ainult pikaajalist eluiga, vaid mõjutab otseselt ka lühiajalist helendamistõhusust. Näiteks cree XLamp7090XR-E valgusvõimsuse ja ristmiku temperatuuri suhe on näidatud joonisel 2.
Joonis 2. Ristmiku temperatuuri ja valguse emissiooni suhe
Kui luminestsents ristmiku temperatuuril 25 kraadi on 100%, siis kui ristmiku temperatuur tõuseb 60 kraadini, on luminestsents ainult 90%; kui ristmiku temperatuur on 100 kraadi, langeb see 80% -ni; 140 kraadi juures on see ainult 70%. On näha, et on väga oluline parandada soojuse hajumist ja kontrollida ristmiku temperatuuri.
Lisaks põhjustab LED-i soojus selle spektri liikumist; värvitemperatuur tõuseb; eesmine vool suureneb (kui võimsus on varustatud konstantse pingega); suureneb ka pöördvool; termiline stress suureneb; fosfor epoksüvaigu vananemine kiireneb jne. On erinevaid probleeme, nii et LED-i soojuse hajumine on LED-toru kujundamisel kõige olulisem probleem.
LED-kiibi soojuse hajumise esimene osa
1. Kuidas ristmiku temperatuur tekib
Led-i kuumenemise põhjuseks on asjaolu, et lisatud elektrienergia ei muundata mitte kõik valgusenergiaks, vaid osa sellest muundatakse soojusenergiaks. LED-i valgusefektiivsus on praegu ainult 100lm / W ja selle elektro-optilise muundamise tõhusus on ainult umbes 20-30%. Teisisõnu, umbes 70% elektrienergiast muudetakse soojuseks.
Täpsemalt on LED-ristmiku temperatuur põhjustatud kahest tegurist.
1. Sisemine kvanttõhusus ei ole kõrge, see tähendab, et kui elektronid ja augud on rekombineeritud, ei saa 100% fotonitest genereerida. Tavaliselt nimetatakse seda "praeguseks lekkeks", mis vähendab kandjate rekombinatsiooni määra PN-piirkonnas. Pingega korrutatud lekkevool on selle osa võimsus, mis muundatakse soojusenergiaks, kuid see osa ei moodusta peamist komponenti, sest sisemine fotooni tõhusus on nüüd ligi 90%.
2. Sisemiselt genereeritud fotoneid ei saa kõik kiibi välismaailma välja paisata ja lõpuks soojuseks muundada. See osa on peamine, sest praegu on nn väline kvanttõhusus ainult umbes 30% ja enamik neist muundatakse soojuseks.
Kuigi hõõglambi valgustõhusus on väga madal, ainult umbes 15lm/W, muundab see peaaegu kogu elektrienergia valgusenergiaks ja kiirgab selle välja. Kuna enamik kiirgusenergiast on infrapuna, on valguse tõhusus väga madal, kuid see ei ole soojuse hajumise probleem.
2. Soojuse hajumine LED-toru LED-kiibist alumisele plaadile
LED-kiibi omadus on see, et see tekitab väga väikeses mahus äärmiselt suurt soojust. LED-i soojusvõimsus on väga väike, nii et soojus tuleb läbi viia kõige kiiremal kiirusel, vastasel juhul tekitab see kõrge ristmiku temperatuuri. Selleks, et soojust kiibist võimalikult palju välja tõmmata, on LED-kiibi struktuuris tehtud palju täiustusi.
LED-kiibi soojuse hajumise parandamiseks on peamine edasiminek kasutada parema soojusjuhtivusega substraadi materjali. Varajased LEDid kasutasid substraadina ainult Si räni. Hiljem muudeti see substraadiks safiiriks. Safiirsubstraadi soojusjuhtivus ei ole siiski väga hea (umbes 25W/(mK) 100 °C juures). Substraadi soojuse hajumise parandamiseks kasutab Cree ränikarbiidist substraati, mille soojusjuhtivus on (490W/() mK)) peaaegu 20 korda suurem kui safiir. Ja safiir peab kristalli tahkestamiseks kasutama hõbedast liimi ja hõbeda liimi soojusjuhtivus on samuti väga halb. Ränikarbiidi ainus puudus on see, et see on kallim. Praegu toodab ainult Cree RÄNidikarbiidist aluspindadega LEDesid.
Joonis 3. Safiiri ja ränikarbiidi aluspinna LED-struktuuri diagramm
Pärast ränikarbiidi kasutamist substraadina võib see tõepoolest oluliselt parandada selle soojuse hajumist, kuid selle maksumus on liiga kõrge ja sellel on patendikaitse. Hiljuti on kodumaised tootjad hakanud kasutama ränimaterjale aluspindadena. Kuna räni aluspind ei ole patentidega piiratud. Ja jõudlus on parem kui safiir. Ainus probleem on see, et GaNi paisumistegur on liiga erinev räni omast ja see on kalduvus pragunemisele. Lahendus on lisada keskele puhvrina alumiiniumnitriidi (AlN) kiht.
Aluspinna materjali soojusjuhtivus W/(m·K) paisumistegur (x10E-6) stabiilsus soojusjuhtivus kulu ESD (antistaatiline)
Ränikarbiid (SiC) 490-1.4 hea hea
Safiir (Al2O3) 461.9 on tavaliselt 1/10 SiC
Räni (Si) 1505-20 on hea, 1/10 safiirist on hea
Pärast LED-kiibi pakendamist on rakenduse kõige olulisem termiline vastupidavus kiibilt tihvtile. Üldiselt on kiibi ristmiku pindala soojuse hajumise võti. Erinevate nimivõimsuste puhul on vaja vastavaid suurusi. Ristmiku ala. Samuti avaldub see erineva termilise takistusena. Mitut tüüpi LEDide termiline vastupidavus on järgmine:
Tüüp õlgkübaratoru piranha 1W pinna sära
Soojapidavus oK/W150-200508-155
Varajasi LED-kiipe juhtisid kiibi välisosa peamiselt kaks metallist elektroodi, kõige tüüpilisemat nimetati ф5 või F5-ks.
