Le problème de dissipation thermique par LED le plus complet de l'histoire

Le problème de dissipation thermique par LED le plus complet de l'histoire

Les gens accordent de plus en plus d'attention à la dissipation thermique des LED. C'est parce que la décroissance de la lumière ou la durée de vie des LED est directement liée à sa température de jonction. Si la dissipation thermique n'est pas bonne, la température de jonction sera plus élevée et la durée de vie sera courte. Selon la loi d'Arrhenius Baisser 10 ° C prolongera la durée de vie de 2 fois. On peut voir à partir du diagramme de relation entre l'atténuation de la lumière et la température de jonction libérée par CREE (Figure 1) que si la température de jonction peut être contrôlée à 65 ° C, la durée de vie de l'atténuation de la lumière à 70% peut atteindre 100000 heures! La durée de vie tant attendue peut-elle vraiment être atteinte? Oui, tant que le problème de dissipation thermique peut être traité sérieusement! Malheureusement, la dissipation thermique réelle des lumières LED est loin de cette exigence! En conséquence, les lampes LED La longévité est devenue un enjeu majeur affectant ses performances, il faut donc la prendre au sérieux!

De plus, la température de jonction affecte non seulement la durée de vie à long terme, mais affecte également directement l’efficacité lumineuse à court terme. Par exemple, la relation entre l’intensité lumineuse du XLamp7090XR-E de Cree et la température de jonction.

Si la luminescence à une température de jonction de 25 degrés est de 100%, alors lorsque la température de jonction monte à 60 degrés, l'émission de lumière ne sera que de 90%; lorsque la température de jonction est de 100 degrés, elle chutera à 80%; à 140 degrés, elle ne sera que de 70%. On peut voir que l'amélioration de la dissipation thermique et le contrôle de la température de jonction sont très importants.

De plus, la chaleur de la LED fera bouger son spectre; la température de couleur augmente; le courant direct augmente (lorsque la tension constante est fournie); le courant inverse augmente également; la contrainte thermique augmente; le vieillissement de la résine époxy phosphoreuse s'accélère, etc. Divers problèmes, de sorte que la dissipation thermique des LED est le problème le plus important dans la conception des lampes LED.

La première partie de la dissipation thermique de la puce LED

一 Comment se produit la température de jonction?

La raison pour laquelle la LED chauffe est que l'énergie électrique ajoutée n'est pas entièrement convertie en énergie lumineuse, mais qu'une partie est convertie en énergie thermique. L'efficacité lumineuse de la LED n'est actuellement que de 100lm / W et son efficacité de conversion électro-optique n'est que d'environ 20 ~ 30%. En d'autres termes, environ 70% de l'énergie électrique est transformée en chaleur.

Plus précisément, la température de jonction LED est causée par deux facteurs.

1. L'efficacité quantique interne n'est pas élevée, c'est-à-dire que lorsque les électrons et les trous sont recombinés, ils ne peuvent pas générer 100% de photons. On parle généralement de "fuite de courant" qui réduit le taux de recombinaison des porteurs dans la région PN. Le courant de fuite multiplié par la tension est la puissance de cette partie, qui est convertie en énergie thermique, mais cette partie ne tient pas compte du composant principal, car le rendement interne des photons est désormais proche de 90%.

2. Les photons générés en interne ne peuvent pas tous être émis à l'extérieur de la puce et finalement convertis en chaleur.Cette partie est la principale, car le rendement quantique actuel dit externe n'est que d'environ 30%, et la plupart d'entre eux sont convertis en chaleur.

Bien que l'efficacité lumineuse de la lampe à incandescence soit très faible, seulement environ 15lm / W, elle convertit presque toute l'énergie électrique en énergie lumineuse et la rayonne. Parce que la majeure partie de l'énergie radiante est infrarouge, l'efficacité lumineuse est très faible, mais elle élimine Le problème de la dissipation thermique.

二. La dissipation thermique de la puce LED à la plaque inférieure

La puce LED se caractérise par une génération de chaleur extrêmement élevée dans un très petit volume. La capacité thermique de la LED elle-même est très petite, donc la chaleur doit être évacuée à la vitesse la plus rapide, sinon elle produira une température de jonction élevée. Afin d'attirer au maximum la chaleur vers l'extérieur de la puce, de nombreuses améliorations ont été apportées à la structure de la puce LED.

Afin d'améliorer la dissipation thermique de la puce LED elle-même, la principale amélioration consiste à utiliser un matériau de substrat avec une meilleure conduction thermique. Les premières LED n'utilisaient que du silicium Si comme substrat. Plus tard, il a été changé en saphir comme substrat. Cependant, la conductivité thermique du substrat en saphir n'est pas très bonne (environ 25W / (mK) à 100 ° C). Afin d'améliorer la dissipation thermique du substrat, Cree utilise un substrat en carbure de silicium dont la conductivité thermique est de (490W / () mK)) est près de 20 fois plus élevé que le saphir. Et le saphir doit utiliser de la colle argentée pour solidifier le cristal, et la conductivité thermique de la colle argentée est également très mauvaise. Le seul inconvénient du carbure de silicium est qu'il est plus cher. Actuellement, seul Cree produit des LED avec des substrats en carbure de silicium.

Après avoir utilisé du carbure de silicium comme substrat, il peut en effet grandement améliorer sa dissipation thermique, mais son coût est trop élevé et il bénéficie d'une protection par brevet. Récemment, les fabricants nationaux ont commencé à utiliser des matériaux de silicium comme substrats. Parce que le substrat de silicium n'est pas limité par les brevets. Et les performances sont meilleures que celles du saphir. Le seul problème est que le coefficient de dilatation du GaN est trop différent de celui du silicium et qu'il est sujet aux fissures.La solution est d'ajouter une couche de nitrure d'aluminium (AlN) au milieu comme tampon.

Une fois la puce LED emballée, la résistance thermique de la puce à la broche est la résistance thermique la plus importante de l'application. De manière générale, la taille de la zone de jonction de la puce est la clé de la dissipation thermique. Pour différentes puissances nominales, les tailles correspondantes sont requises La zone de jonction. Il se manifeste également par une résistance thermique différente.

Les premières puces LED étaient dirigées vers l'extérieur de la puce principalement par deux électrodes métalliques. La plus typique était un tube de chapeau de paille appelé ф5 ou F5. Sa dissipation thermique était complètement évacuée par deux fils métalliques minces, de sorte que l'effet de dissipation thermique était très faible. La résistance thermique est très grande, c'est pourquoi la légère décomposition de ce tube de chapeau de paille est très grave. En outre, le matériau utilisé dans les emballages est également un problème très important. Les LED à faible puissance utilisent généralement de la résine époxy comme matériau d'emballage, mais le taux d'absorption de la résine époxy à 400-459 nm de la lumière est aussi élevé que 45%. La durée de vie de la décroissance de la lumière est inférieure à 10 000 heures. Par conséquent, le gel de silice doit être utilisé comme matériau d'emballage dans les LED haute puissance. Le taux d'absorption du gel de silice à la lumière de même longueur d'onde est inférieur à 1%. Cela peut prolonger la durée de vie de la même atténuation lumineuse à 40 000 heures.

Il ressort du tableau que la résistance thermique des LED de Cree est au moins deux fois inférieure à celle d’autres sociétés en raison de l’utilisation de carbure de silicium comme substrat. Afin d'améliorer la dissipation thermique des LED haute puissance, une plaque de base en cuivre soudable est généralement placée sous la base pour être soudée au dissipateur thermique. Ces résistances thermiques sont en fait mesurées sur cette plaque de base en cuivre.