LED tüpün ısı dağılımı
İnsanlar LED'lerin ısı dağılımına giderek daha fazla dikkat ediyor. Bunun nedeni, LED'lerin ışık azalması veya ömürlerinin doğrudan bağlantı sıcaklığı ile ilgili olmasıdır. 10°C'yi düşürmek ömrü 2 kat uzatacaktır. Işık zayıflaması ile Cree tarafından yayınlanan bağlantı sıcaklığı arasındaki ilişkiden (Şekil 1) görülebilir ki bağlantı sıcaklığı 65°C'de kontrol edilebilirse, %70'e kadar olan ışık zayıflamasının ömrü 100.000 saate kadar çıkabilir! Bu, insanların hayalini kurduğu uzun ömürdür, ancak gerçekten elde edilebilir mi? Evet, ısı dağılımı sorunu ciddiyetle ele alınabildiği sürece, bunu yapmak mümkün! Ne yazık ki, LED ışıkların gerçek ısı dağılımı bu gereklilikten uzaktır! Sonuç olarak, LED tüpün ömrü, performansını etkileyen önemli bir sorun haline geldi, bu yüzden ciddiye alınmalıdır!
Şekil 1. Işık zayıflaması ve bağlantı sıcaklığı arasındaki ilişki
Ayrıca, LED tüpünün bağlantı sıcaklığı sadece uzun vadeli ömrü etkilemekle kalmaz, aynı zamanda kısa vadeli ışık verimini de doğrudan etkiler. Örneğin, Cree's XLamp7090XR-E'nin ışık çıkışı ile bağlantı sıcaklığı arasındaki ilişki Şekil 2'de gösterilmektedir.
Şekil 2. Bağlantı sıcaklığı ve ışık emisyonu arasındaki ilişki
25 derecelik bir bağlantı sıcaklığındaki ışıldama %100 ise, bağlantı sıcaklığı 60 dereceye yükseldiğinde, ışıldama yalnızca %90 olacaktır; bağlantı sıcaklığı 100 derece olduğunda %80'e düşer; 140 derecede ise sadece %70 olacaktır. Isı dağılımını iyileştirmenin ve bağlantı sıcaklığını kontrol etmenin çok önemli olduğu görülebilir.
Ayrıca LED'in ısısı, spektrumunun hareket etmesine neden olacaktır; renk sıcaklığı artar; ileri akım artar (güç sabit voltajla sağlandığında); ters akım da artar; termal stres artar; fosfor epoksi reçinesinin yaşlanması hızlanır, vb. Çeşitli problemler vardır, bu nedenle LED tüp tasarımında LED'in ısı dağılımı en önemli problemdir.
LED çipinin ısı dağılımının ilk kısmı
1. Bağlantı sıcaklığı nasıl oluşturulur?
LED'in ısınmasının nedeni, eklenen elektrik enerjisinin tamamının ışık enerjisine dönüşmemesi, bir kısmının ısı enerjisine dönüşmesidir. LED'in ışık verimliliği şu anda yalnızca 100lm/W'dir ve elektro-optik dönüşüm verimliliği yalnızca yaklaşık %20-30'dur. Başka bir deyişle, elektrik enerjisinin yaklaşık %70'i ısıya dönüşmektedir.
Spesifik olarak, LED bağlantı sıcaklığına iki faktör neden olur.
1. Dahili kuantum verimliliği yüksek değildir, yani elektronlar ve delikler yeniden birleştirildiğinde fotonların %100'ü üretilemez. Genellikle"akım kaçağı" bu, PN bölgesindeki taşıyıcıların rekombinasyon oranını azaltır. Gerilim ile çarpılan kaçak akım, bu kısmın ısı enerjisine dönüştürülen gücüdür, ancak bu kısım ana bileşeni hesaba katmaz, çünkü dahili foton verimliliği artık %90'a yakındır.
2. Dahili olarak üretilen fotonların tümü çipin dışına yayılamaz ve sonunda ısıya dönüştürülemez. Bu kısım ana kısımdır, çünkü şu anda sözde dış kuantum verimliliği sadece yaklaşık %30'dur ve çoğu ısıya dönüştürülür.
Akkor lambanın ışık verimi çok düşük olmasına rağmen, sadece 15lm/W civarındadır, neredeyse tüm elektrik enerjisini ışık enerjisine çevirir ve yayar. Radyan enerjinin çoğu kızılötesi olduğundan, ışık verimliliği çok düşüktür, ancak ısı yayılımı sorunu yoktur.
2. LED tüpündeki LED çipinden alt plakaya ısı dağılımı
LED çipinin özelliği, çok küçük bir hacimde son derece yüksek ısı üretmesidir. LED'in ısı kapasitesi çok küçüktür, bu nedenle ısı en hızlı şekilde iletilmelidir, aksi takdirde yüksek bağlantı sıcaklığı üretecektir. Çipten ısıyı olabildiğince çekebilmek için LED çipin yapısında birçok iyileştirme yapıldı.
LED çipinin ısı yayılımını iyileştirmek için ana gelişme, daha iyi ısı iletimine sahip bir alt tabaka malzemesi kullanmaktır. Erken LED'ler, substrat olarak yalnızca Si silikon kullandı. Daha sonra substrat olarak safir olarak değiştirildi. Bununla birlikte, safir substratın termal iletkenliği çok iyi değildir (100°C'de yaklaşık 25W/(mK)). Substratın ısı yayılımını iyileştirmek için Cree, termal iletkenliği (490W/() mK)) safirden yaklaşık 20 kat daha yüksek olan bir silikon karbür substrat kullanır. Safirin kristali katılaştırmak için gümüş tutkal kullanması gerekir ve gümüş tutkalın ısı iletimi de çok zayıftır. Silisyum karbürün tek dezavantajı daha pahalı olmasıdır. Şu anda yalnızca Cree, silikon karbür alt tabakalara sahip LED'ler üretmektedir.
Şekil 3. Safir ve silisyum karbür alt tabakanın LED yapı diyagramı
Alt tabaka olarak silisyum karbür kullandıktan sonra, ısı yayılımını gerçekten büyük ölçüde iyileştirebilir, ancak maliyeti çok yüksektir ve patent korumasına sahiptir. Son zamanlarda yerli üreticiler substrat olarak silikon malzemeleri kullanmaya başladılar. Çünkü silikon substrat patentlerle sınırlı değildir. Ve performans safirden daha iyidir. Tek sorun, GaN'nin genleşme katsayısının silikonunkinden çok farklı olması ve çatlamaya meyilli olmasıdır. Çözüm, tampon olarak ortasına bir alüminyum nitrür (AlN) tabakası eklemektir.
Yüzey malzemesi ısıl iletkenliği W/(m·K) genleşme katsayısı (x10E-6) kararlılık ısıl iletkenlik maliyeti ESD (antistatik)
Silisyum karbür (SiC) 490-1.4 iyi yüksek iyi
Safir (Al2O3) 461.9 genellikle SiC'nin 1/10'udur
Silikon (Si) 1505-20 iyidir, 1/10 safir iyidir
LED çip paketlendikten sonra çipten pine kadar olan termal direnç, uygulamadaki en önemli termal dirençtir. Genel olarak konuşursak, çipin bağlantı alanının boyutu, ısı dağılımının anahtarıdır. Farklı anma güçleri için ilgili boyutlar gereklidir. Kavşak alanı. Aynı zamanda farklı bir termal direnç olarak kendini gösterir. Çeşitli LED türlerinin termal direnci aşağıdaki gibidir:
Tip hasır şapka tüpü piranha 1W yüzey parlaması
Termal direnç tamam/W150-200508-155
Erken LED çipleri, çipin dışına esas olarak iki metal elektrot tarafından yönlendirildi, en tipik olanı ф5 veya F5 olarak adlandırıldı.
