Dissipation thermique du tube LED
Les gens font de plus en plus attention à la dissipation thermique des LED. En effet, la décroissance lumineuse des LED ou leur durée de vie est directement liée à sa température de jonction. Abaisser 10°C prolongera la durée de vie de 2 fois. On peut voir à partir de la 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 100 000 heures ! C'est la longévité dont les gens rêvent, mais peut-elle vraiment être atteinte ? Oui, tant que le problème de dissipation thermique peut être traité sérieusement, il est possible de le faire ! Malheureusement, la dissipation thermique réelle des lumières LED est loin de cette exigence ! De ce fait, la durée de vie du tube LED est devenue un enjeu majeur affectant ses performances, il faut donc le prendre au sérieux !
Figure 1. Relation entre l'atténuation de la lumière et la température de jonction
De plus, la température de jonction du tube LED 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 la sortie lumineuse de Cree's XLamp7090XR-E et la température de jonction est illustrée à la figure 2.
Figure 2. Relation entre la température de jonction et l'émission lumineuse
Si la luminescence à une température de jonction de 25 degrés est de 100 %, alors lorsque la température de jonction s'élève à 60 degrés, la luminescence ne sera que de 90 % ; lorsque la température de jonction est de 100 degrés, elle chute à 80 % ; à 140 degrés, il ne sera que de 70 %. On voit qu'il est très important d'améliorer la dissipation thermique et de contrôler la température de jonction.
De plus, la chaleur de la LED fera bouger son spectre ; la température de couleur augmente ; le courant direct augmente (lorsque le courant est fourni avec une tension constante); le courant inverse augmente également ; la contrainte thermique augmente ; le vieillissement de la résine époxy phosphorescente s'accélère, etc. Il existe divers problèmes, de sorte que la dissipation thermique de la LED est le problème le plus important dans la conception du tube LED.
La première partie de la dissipation thermique de la puce LED
1. Comment la température de jonction est générée
La raison pour laquelle la LED chauffe est que l'énergie électrique ajoutée n'est pas entièrement convertie en énergie lumineuse, mais une partie est convertie en énergie thermique. L'efficacité lumineuse de la LED n'est actuellement que de 100 lm/W et son efficacité de conversion électro-optique n'est que d'environ 20 à 30 %. En d'autres termes, environ 70 % de l'énergie électrique est transformée en chaleur.
Plus précisément, la température de jonction des 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, 100% des photons ne peuvent pas être générés. Il est généralement appelé"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 prend pas en compte la composante principale, car le rendement photonique interne est désormais proche de 90 %.
2. Les photons générés en interne ne peuvent pas tous être émis vers l'extérieur de la puce et finalement convertis en chaleur. Cette partie est la principale, car à l'heure actuelle, le soi-disant rendement quantique 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 15 lm/W, elle convertit presque toute l'énergie électrique en énergie lumineuse et la diffuse. Parce que la majeure partie de l'énergie rayonnante est infrarouge, l'efficacité lumineuse est très faible, mais ce n'est pas le cas. Le problème de la dissipation thermique.
2. Dissipation thermique de la puce LED dans le tube LED vers la plaque inférieure
La caractéristique de la puce LED est qu'elle génère une chaleur extrêmement élevée dans un très petit volume. La capacité calorifique de la LED elle-même est très faible, la chaleur doit donc être évacuée à la vitesse la plus rapide, sinon elle produira une température de jonction élevée. Afin d'évacuer au maximum la chaleur 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 (490W/() mK)) est près de 20 fois supérieure à celle du saphir. Et le saphir doit utiliser de la colle d'argent pour solidifier le cristal, et la conduction thermique de la colle d'argent 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.
Figure 3. Diagramme de structure LED du substrat de saphir et de 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 en silicium comme substrats. Parce que le substrat de silicium n'est pas limité par des brevets. Et la performance est meilleure que le saphir. Le seul problème est que le coefficient de dilatation du GaN est trop différent de celui du silicium et qu'il est sujet à la fissuration. La solution consiste à ajouter une couche de nitrure d'aluminium (AIN) au milieu comme tampon.
Matériau du substrat conductivité thermique W/(m·K) coefficient de dilatation (x10E-6) stabilité conductivité thermique coût ESD (antistatique)
Carbure de silicium (SiC) 490-1,4 bonne bonne bonne
Le saphir (Al2O3) 461,9 est généralement 1/10 de SiC
Le silicium (Si) 1505-20 est bon, 1/10 de saphir est bon
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, des tailles correspondantes sont nécessaires. La zone de jonction. Il se manifeste également par une résistance thermique différente. Les résistances thermiques de plusieurs types de LED sont les suivantes :
Type tube de chapeau de paille piranha 1W lueur de surface
Résistance thermique OK/W150-200508-155
Les premières puces LED étaient dirigées vers l'extérieur de la puce principalement par deux électrodes métalliques, la plus typique était appelée ф5 ou F5
