Vấn đề làm mát LED đầy đủ nhất trong lịch sử

Vấn đề làm mát LED đầy đủ nhất trong lịch sử

Sự tản nhiệt của đèn LED ngày càng được mọi người coi trọng hơn. Điều này là do sự phân rã ánh sáng của đèn LED hoặc tuổi thọ của nó liên quan trực tiếp đến nhiệt độ tiếp giáp của nó. Nếu tản nhiệt không tốt, nhiệt độ đường nối cao và tuổi thọ ngắn. Giảm 10oC sẽ kéo dài tuổi thọ thêm 2 lần. Có thể thấy từ mối quan hệ giữa độ suy giảm ánh sáng và nhiệt độ đường giao nhau do CREE (Hình 1) phát ra. Nếu nhiệt độ đường giao nhau có thể được kiểm soát ở 65 ° C, thời gian sống của độ suy giảm ánh sáng tới 70% có thể lên tới 100.000 giờ! Tuổi thọ của giấc mơ, nhưng nó có thể thực sự đạt được không? Có, miễn là nó có thể xử lý nghiêm trọng vấn đề tản nhiệt của nó, thì có thể thực hiện được! Thật không may, tản nhiệt thực tế của đèn LED thực tế khác xa với yêu cầu này! Tuổi thọ đã trở thành một vấn đề lớn ảnh hưởng đến hiệu suất của nó, vì vậy nó phải được thực hiện nghiêm túc!

Ngoài ra, nhiệt độ đường giao nhau không chỉ ảnh hưởng đến tuổi thọ dài hạn mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả phát sáng ngắn hạn, ví dụ, mối quan hệ giữa độ phát quang của Creeamp XL9070XR-E và nhiệt độ đường giao nhau.

Nếu độ phát quang khi nhiệt độ đường giao nhau là 25 độ là 100%, thì khi nhiệt độ đường nối tăng lên 60 độ, độ phát quang của nó chỉ là 90%, khi nhiệt độ đường nối là 100 độ, nó giảm xuống 80%, 140 độ chỉ còn 70%. Có thể thấy rằng cải thiện tản nhiệt và kiểm soát nhiệt độ đường giao nhau là những điều rất quan trọng.

Ngoài ra, sự nóng lên của đèn LED sẽ làm cho phổ của nó chuyển động, nhiệt độ màu tăng, dòng điện phía trước tăng (khi nguồn cung cấp là điện áp không đổi), dòng điện ngược cũng tăng; ứng suất nhiệt tăng; nhựa epoxy phốt-pho nhanh hơn, v.v. Nhiều vấn đề khác nhau, vì vậy sự tản nhiệt của đèn LED là vấn đề quan trọng nhất trong thiết kế đèn LED.

Phần 1 Tản nhiệt của chip LED

1. Nhiệt độ đường giao nhau được tạo ra như thế nào?

Lý do tại sao đèn LED tạo ra nhiệt là vì không phải tất cả năng lượng điện được thêm vào đều được chuyển đổi thành năng lượng ánh sáng, nhưng một phần của nó được chuyển đổi thành năng lượng nhiệt. Hiệu suất ánh sáng của LED hiện chỉ đạt 100lm / W và hiệu suất chuyển đổi quang điện của nó chỉ khoảng 20 ~ 30%. Điều đó có nghĩa là, khoảng 70% năng lượng điện được chuyển thành năng lượng nhiệt.

Cụ thể, nhiệt độ tiếp giáp LED được gây ra bởi hai yếu tố.

1. Hiệu suất lượng tử bên trong không cao, nghĩa là khi các electron và lỗ trống kết hợp lại, 100% photon không thể được tạo ra, thường được gọi là "rò rỉ hiện tại" để giảm tốc độ tái hợp của các chất mang PN. Dòng rò được nhân với điện áp là công suất của phần này, được chuyển thành năng lượng nhiệt, nhưng phần này không chiếm thành phần chính, vì hiệu suất photon bên trong hiện đã đạt gần 90%.

2. Các photon được tạo ra bên trong không thể được phát ra hoàn toàn ra bên ngoài chip và cuối cùng được chuyển thành nhiệt. Phần này là lý do chính, vì hiệu suất lượng tử bên ngoài hiện tại chỉ khoảng 30% và hầu hết chúng được chuyển thành nhiệt.

Mặc dù hiệu suất ánh sáng của đèn sợi đốt rất thấp, chỉ khoảng 15lm / W, nhưng nó chuyển đổi gần như toàn bộ năng lượng điện thành năng lượng ánh sáng và tỏa ra, vì phần lớn năng lượng bức xạ là hồng ngoại, nên hiệu quả ánh sáng rất thấp, nhưng nó được miễn Vấn đề tản nhiệt.

2. Tản nhiệt từ chip LED xuống tấm dưới cùng

Chip LED được đặc trưng bởi sự sinh nhiệt cực cao trong một khối lượng rất nhỏ. Bản thân công suất nhiệt của đèn LED rất nhỏ, do đó nhiệt phải được dẫn ở tốc độ nhanh nhất, nếu không nó sẽ tạo ra nhiệt độ tiếp giáp cao. Để trích nhiệt ra bên ngoài chip càng nhiều càng tốt, mọi người đã thực hiện nhiều cải tiến về cấu trúc chip LED.

Để cải thiện khả năng tản nhiệt của chip LED, cải tiến chính là sử dụng vật liệu nền có độ dẫn nhiệt tốt hơn. Đèn LED ban đầu chỉ sử dụng Si silicon làm chất nền. Sau đó, nó đã được đổi thành sapphire như một chất nền. Tuy nhiên, độ dẫn nhiệt của chất nền sapphire không tốt lắm (khoảng 25W / (mK) ở 100 ° C). Để cải thiện khả năng tản nhiệt của chất nền, Cree sử dụng chất nền silicon carbide silicon, độ dẫn nhiệt của nó (490W / ( mK)) cao hơn gần 20 lần so với sapphire. Và sapphire nên sử dụng keo bạc để cố định pha lê, và sự dẫn nhiệt của keo bạc cũng rất kém. Nhược điểm duy nhất của silicon carbide là chi phí tương đối cao. Hiện tại chỉ có Cree sản xuất đèn LED dựa trên silicon carbide.

Sau khi sử dụng silicon carbide làm chất nền, nó thực sự có thể cải thiện đáng kể khả năng tản nhiệt của nó, nhưng chi phí của nó quá cao và nó được bảo vệ bởi các bằng sáng chế. Gần đây, các nhà sản xuất trong nước đã bắt đầu sử dụng vật liệu silicon làm chất nền. Bởi vì chất nền silicon không bị giới hạn bởi các bằng sáng chế. Và hiệu suất tốt hơn sapphire. Vấn đề duy nhất là hệ số giãn nở của GaN quá khác so với silicon và dễ bị nứt. Giải pháp là thêm một lớp nhôm nitride (AlN) ở giữa làm đệm.

Sau khi chip LED được đóng gói, điện trở nhiệt từ chip đến chân là điện trở nhiệt quan trọng nhất trong ứng dụng. Nói chung, kích thước của vùng tiếp giáp của chip là chìa khóa để tản nhiệt. Đối với các công suất định mức khác nhau, cần có kích thước tương ứng. Khu vực giao diện. Nó cũng cho thấy sức đề kháng nhiệt khác nhau.

Các chip LED ban đầu chủ yếu được dẫn ra bên ngoài chip bằng hai điện cực kim loại. Điển hình nhất là ống mũ rơm có tên là ф5 hoặc F5. Tản nhiệt của nó hoàn toàn được dẫn bởi hai dây kim loại mỏng, do đó hiệu quả tản nhiệt rất kém. Độ bền nhiệt lớn, đó là lý do tại sao độ suy giảm ánh sáng của ống mũ rơm này rất nghiêm trọng. Ngoài ra, các vật liệu được sử dụng trong bao bì cũng là một vấn đề rất quan trọng. Đèn LED công suất thấp thường sử dụng nhựa epoxy làm vật liệu đóng gói, nhưng nhựa epoxy có tỷ lệ hấp thụ ánh sáng từ 400-459nm lên đến 45%, dễ gây suy giảm ánh sáng nghiêm trọng do lão hóa sau khi hấp thụ lâu dài ánh sáng bước sóng ngắn này, 50% Tuổi thọ của sự phân rã ánh sáng là ít hơn 10.000 giờ. Do đó, silica gel phải được sử dụng làm vật liệu đóng gói trong đèn LED công suất cao. Tốc độ hấp thụ của silica gel đối với ánh sáng có cùng bước sóng nhỏ hơn 1%. Điều này có thể kéo dài tuổi thọ của sự suy giảm ánh sáng tương tự đến 40.000 giờ.

Như có thể thấy từ bảng, độ bền nhiệt của đèn LED của Cree sử dụng silicon carbide làm chất nền, thấp hơn ít nhất hai lần so với các công ty khác. Để cải thiện khả năng tản nhiệt, đèn LED công suất cao thường đặt một tấm đế bằng đồng có thể hàn dưới đế để hàn vào tản nhiệt. Những điện trở nhiệt này thực sự được đo trên tấm đế đồng này.