LED caurules siltuma izkliedēšana
Cilvēki arvien lielāku uzmanību pievērš gaismas diodes siltuma izkliedēšanai. Tas ir tāpēc, ka gaismas diodes gaismas sabrukšana vai to kalpošanas laiks ir tieši saistīts ar to savienojuma temperatūru. Pazeminot 10 ° C, kalpošanas laiks tiks pagarināts 2 reizes. No sakarības starp gaismas vājināšanos un Krē atbrīvotās krustojuma temperatūru var redzēt (1. attēls) - ja savienojuma temperatūru var kontrolēt 65 ° C temperatūrā, gaismas vājināšanās kalpošanas laiks līdz 70% var sasniegt pat 100 000 stundu! Par tādu ilgmūžību cilvēki sapņo, bet vai to tiešām var sasniegt? Jā, ja vien siltuma izkliedes problēmu var nopietni risināt, to ir iespējams izdarīt! Diemžēl faktiskā LED gaismas siltuma izkliedēšana ir tālu no šīs prasības! Rezultātā LED caurules kalpošanas laiks ir kļuvis par galveno problēmu, kas ietekmē tā darbību, tāpēc tas ir jāuztver nopietni!
1. attēls. Attiecība starp gaismas vājināšanos un savienojuma temperatūru
Turklāt LED caurules savienojuma temperatūra ne tikai ietekmē ilgtermiņa kalpošanas laiku, bet arī tieši ietekmē īstermiņa gaismas efektivitāti. Piemēram, attiecība starp Cree' s XLamp7090XR-E gaismas jaudu un savienojuma temperatūru ir parādīta 2. attēlā.
Attēls 2. Attiecība starp krustojuma temperatūru un gaismas emisiju
Ja luminiscence pie krustojuma temperatūras 25 grādi ir 100%, tad, kad savienojuma temperatūra paaugstinās līdz 60 grādiem, luminiscence būs tikai 90%; kad krustojuma temperatūra ir 100 grādi, tā samazināsies līdz 80%; pie 140 grādiem, tas būs tikai 70%. Var redzēt, ka ir ļoti svarīgi uzlabot siltuma izkliedi un kontrolēt savienojuma temperatūru.
Turklāt gaismas diodes siltums izraisīs tā spektra kustību; palielinās krāsu temperatūra; priekšējā strāva palielinās (ja barošana tiek piegādāta ar nemainīgu spriegumu); palielinās arī reversā strāva; palielinās termiskais spriegums; paātrinās fosfora epoksīda sveķu novecošanās utt. Pastāv dažādas problēmas, tāpēc LED siltuma izkliedēšana ir vissvarīgākā problēma LED lampas dizainā.
LED mikroshēmas siltuma izkliedes pirmā daļa
1. Kā tiek veidota krustojuma temperatūra
Gaismas diode sakarst tāpēc, ka pievienotā elektriskā enerģija netiek pārveidota par gaismas enerģiju, bet daļa no tā tiek pārvērsta siltumenerģijā. Gaismas diodes gaismas efektivitāte pašlaik ir tikai 100 lm/W, un tās elektrooptiskās konversijas efektivitāte ir tikai aptuveni 20-30%. Citiem vārdiem sakot, aptuveni 70% elektroenerģijas tiek pārvērsti siltumā.
Konkrēti, LED savienojuma temperatūru izraisa divi faktori.
1. Iekšējā kvantu efektivitāte nav augsta, tas ir, ja elektroni un caurumi tiek apvienoti, 100% fotonu nevar radīt. To parasti sauc par&"; strāvas noplūde &"; kas samazina pārvadātāju rekombinācijas ātrumu PN reģionā. Noplūdes strāva, kas reizināta ar spriegumu, ir šīs daļas jauda, kas tiek pārvērsta siltumenerģijā, taču šī daļa neņem vērā galveno sastāvdaļu, jo iekšējā fotona efektivitāte tagad ir tuvu 90%.
2. Visi iekšēji radītie fotoni nevar tikt izstaroti uz mikroshēmas ārpusi un beidzot pārvērsti siltumā. Šī daļa ir galvenā, jo šobrīd tā sauktā ārējā kvantu efektivitāte ir tikai aptuveni 30%, un lielākā daļa no tiem tiek pārvērsti siltumā.
Lai gan kvēlspuldzes gaismas efektivitāte ir ļoti zema, tikai aptuveni 15lm/W, tā gandrīz visu elektrisko enerģiju pārvērš gaismas enerģijā un izstaro to. Tā kā lielākā daļa starojošās enerģijas ir infrasarkanais, gaismas efektivitāte ir ļoti zema, bet tā nav. Siltuma izkliedes problēma.
2. Siltuma izkliedēšana no LED mikroshēmas LED caurulē līdz apakšējai plāksnei
LED mikroshēmas īpatnība ir tā, ka tā rada ļoti augstu siltumu ļoti mazā apjomā. Gaismas diodes siltuma jauda ir ļoti maza, tāpēc siltums jāizvada visātrākajā ātrumā, pretējā gadījumā tas radīs augstu savienojuma temperatūru. Lai maksimāli izvilktu siltumu no mikroshēmas, ir veikti daudzi uzlabojumi LED mikroshēmas struktūrā.
Lai uzlabotu pašas LED mikroshēmas siltuma izkliedi, galvenais uzlabojums ir izmantot pamatnes materiālu ar labāku siltuma vadītspēju. Agrīnās gaismas diodes kā substrātu izmantoja tikai Si silīciju. Vēlāk tas tika mainīts uz safīru kā substrātu. Tomēr safīra substrāta siltumvadītspēja nav ļoti laba (aptuveni 25W/(mK) pie 100 ° C). Lai uzlabotu pamatnes siltuma izkliedi, Cree izmanto silīcija karbīda substrātu, kura siltumvadītspēja ir (490W/() mK)) ir gandrīz 20 reizes augstāka nekā safīra. Un safīram kristāla sacietēšanai jāizmanto sudraba līme, un arī sudraba līmes siltuma vadītspēja ir ļoti slikta. Silīcija karbīda vienīgais trūkums ir tas, ka tas ir dārgāks. Pašlaik tikai Cree ražo gaismas diodes ar silīcija karbīda substrātiem.
3. attēls. Safīra un silīcija karbīda substrāta LED struktūras shēma
Pēc silīcija karbīda izmantošanas kā substrāts tas patiešām var ievērojami uzlabot siltuma izkliedi, taču tā izmaksas ir pārāk augstas un tai ir patenta aizsardzība. Nesen vietējie ražotāji ir sākuši izmantot silīcija materiālus kā substrātus. Tā kā silīcija substrātu neierobežo patenti. Un sniegums ir labāks par safīru. Vienīgā problēma ir tā, ka GaN izplešanās koeficients ir pārāk atšķirīgs no silīcija un tam ir nosliece uz plaisāšanu. Risinājums ir buferšķīduma vidū pievienot alumīnija nitrīda (AlN) slāni.
Pamatnes materiāla siltumvadītspēja W/(m · K) izplešanās koeficients (x10E-6) stabilitāte siltumvadītspējas izmaksas ESD (antistatiska)
Silīcija karbīds (SiC) 490-1,4 labs augsts labs
Safīrs (Al2O3) 461.9 parasti ir 1/10 SiC
Silīcijs (Si) 1505-20 ir labs, 1/10 safīra ir labs
Pēc LED mikroshēmas iesaiņošanas termiskā pretestība no mikroshēmas līdz tapai ir vissvarīgākā lietojuma termiskā pretestība. Vispārīgi runājot, mikroshēmas savienojuma laukuma lielums ir siltuma izkliedes atslēga. Dažādām nominālajām jaudām ir nepieciešami atbilstoši izmēri. Krustojuma zona. Tas izpaužas arī kā atšķirīga termiskā pretestība. Vairāku veidu gaismas diožu siltuma pretestība ir šāda:
Tipa salmu cepuru caurule piranha 1W virsmas mirdzums
Termiskā pretestība oK/W150-200508-155
Agrīnās LED mikroshēmas uz mikroshēmas ārpusi veda galvenokārt ar diviem metāla elektrodiem, tipiskāko sauca par ф5 vai F5
