تبديد الحرارة لأنبوب LED
يولي الناس المزيد والمزيد من الاهتمام لتبديد الحرارة لمصابيح LED. وذلك لأن اضمحلال الضوء لمصابيح LED أو عمرها مرتبط بشكل مباشر بدرجة حرارة الوصلة. يؤدي خفض درجة حرارة 10 درجة مئوية إلى إطالة العمر الافتراضي بمقدار مرتين. يمكن ملاحظة العلاقة بين توهين الضوء ودرجة حرارة الوصلة الصادرة عن Cree (الشكل 1) أنه إذا كان من الممكن التحكم في درجة حرارة الوصلة عند 65 درجة مئوية ، فإن العمر الافتراضي لتوهين الضوء إلى 70٪ يمكن أن يصل إلى 100000 ساعة! هذا هو طول العمر الذي يحلم به الناس ، لكن هل يمكن حقًا تحقيقه؟ نعم ، طالما يمكن التعامل مع مشكلة تبديد الحرارة بجدية ، فمن الممكن القيام بذلك! لسوء الحظ ، فإن تبديد الحرارة الفعلي لمصابيح LED بعيد كل البعد عن هذا المطلب! نتيجة لذلك ، أصبح عمر أنبوب LED مشكلة رئيسية تؤثر على أدائه ، لذلك يجب أخذها على محمل الجد!
الشكل 1. العلاقة بين توهين الضوء ودرجة حرارة الوصلة
علاوة على ذلك ، فإن درجة حرارة التوصيل لأنبوب LED لا تؤثر فقط على العمر الطويل ، بل تؤثر أيضًا بشكل مباشر على كفاءة الإضاءة قصيرة المدى. على سبيل المثال ، العلاقة بين الخرج المضيء لـ Cree&# 39 ؛ s XLamp7090XR-E ودرجة حرارة الوصلة موضحة في الشكل 2.
الشكل 2. العلاقة بين درجة حرارة الوصلة وانبعاث الضوء
إذا كان التألق عند درجة حرارة تقاطع 25 درجة هو 100٪ ، فعندما ترتفع درجة حرارة الوصلة إلى 60 درجة ، سيكون اللمعان 90٪ فقط ؛ عندما تكون درجة حرارة الوصلة 100 درجة ، تنخفض إلى 80٪ ؛ عند 140 درجة ، ستكون 70٪ فقط. يمكن ملاحظة أنه من المهم جدًا تحسين تبديد الحرارة والتحكم في درجة حرارة الوصلة.
بالإضافة إلى ذلك ، ستؤدي حرارة LED إلى تحريك طيفه ؛ تزداد درجة حرارة اللون. يزيد التيار الأمامي (عندما يتم إمداد الطاقة بجهد ثابت) ؛ يزيد التيار العكسي أيضًا ؛ يزيد الإجهاد الحراري. تسارع شيخوخة راتنجات الايبوكسي الفوسفور ، وما إلى ذلك. هناك العديد من المشاكل ، وبالتالي فإن تبديد حرارة LED هو أهم مشكلة في تصميم أنبوب LED.
الجزء الأول من تبديد الحرارة لرقاقة LED
1. كيف يتم إنشاء درجة حرارة الوصلة
السبب في ارتفاع درجة حرارة LED هو أن الطاقة الكهربائية المضافة لا يتم تحويلها بالكامل إلى طاقة ضوئية ، ولكن يتم تحويل جزء منها إلى طاقة حرارية. تبلغ كفاءة الإضاءة لـ LED حاليًا 100lm / W فقط ، وكفاءة التحويل الكهروضوئي حوالي 20-30٪ فقط. بمعنى آخر ، يتم تحويل حوالي 70٪ من الطاقة الكهربائية إلى حرارة.
على وجه التحديد ، درجة حرارة وصلة LED ناتجة عن عاملين.
1. كفاءة الكم الداخلية ليست عالية ، أي عندما يتم إعادة تجميع الإلكترونات والثقوب ، لا يمكن توليد 100٪ من الفوتونات. وعادة ما يطلق عليه&مثل ؛ التسرب الحالي&مثل ؛ الذي يقلل من معدل إعادة التركيب للناقلات في منطقة PN. إن تيار التسرب المضاعف بالجهد هو قوة هذا الجزء الذي يتم تحويله إلى طاقة حرارية ، لكن هذا الجزء لا يفسر المكون الرئيسي ، لأن كفاءة الفوتون الداخلي تقترب الآن من 90٪.
2. لا يمكن أن تنبعث جميع الفوتونات المولدة داخليًا إلى الجزء الخارجي من الشريحة وتحويلها في النهاية إلى حرارة. هذا الجزء هو الجزء الرئيسي ، لأنه في الوقت الحالي ، فإن ما يسمى بكفاءة الكم الخارجية تبلغ حوالي 30 ٪ فقط ، ويتم تحويل معظمها إلى حرارة.
على الرغم من أن كفاءة الإنارة للمصباح المتوهج منخفضة جدًا ، فقط حوالي 15 لومن / وات ، فإنه يحول كل الطاقة الكهربائية تقريبًا إلى طاقة ضوئية ويشعها للخارج. نظرًا لأن معظم الطاقة المشعة هي الأشعة تحت الحمراء ، فإن كفاءة الضوء منخفضة جدًا ، ولكنها لا تمثل مشكلة تبديد الحرارة.
2. تبديد الحرارة من رقاقة LED في أنبوب LED إلى اللوحة السفلية
تتميز شريحة LED بأنها تولد حرارة عالية جدًا بحجم صغير جدًا. السعة الحرارية لمصباح LED نفسه صغيرة جدًا ، لذلك يجب إجراء الحرارة بأقصى سرعة ، وإلا ستنتج درجة حرارة عالية للتقاطع. من أجل سحب الحرارة من الشريحة قدر الإمكان ، تم إجراء العديد من التحسينات في هيكل شريحة LED.
من أجل تحسين تبديد الحرارة لشريحة LED نفسها ، فإن التحسين الرئيسي هو استخدام مادة ركيزة مع توصيل حرارة أفضل. تستخدم المصابيح المبكرة السيليكون Si فقط كركيزة. في وقت لاحق تم تغييره إلى الياقوت باعتباره الركيزة. ومع ذلك ، فإن التوصيل الحراري لركيزة الياقوت ليست جيدة جدًا (حوالي 25 واط / (مللي كلفن) عند 100 درجة مئوية). من أجل تحسين تبديد الحرارة للركيزة ، يستخدم Cree ركيزة كربيد السيليكون التي تكون الموصلية الحرارية فيها (490W / () mK)) أعلى بحوالي 20 مرة من الياقوت. ويحتاج الياقوت إلى استخدام غراء الفضة لترسيخ البلورة ، كما أن التوصيل الحراري للغراء الفضي ضعيف للغاية. العيب الوحيد لكربيد السيليكون هو أنه أغلى ثمناً. حاليًا ، تنتج شركة Cree فقط مصابيح LED مع ركائز كربيد السيليكون.
الشكل 3. مخطط هيكل LED للركيزة الياقوت وكربيد السيليكون
بعد استخدام كربيد السيليكون كركيزة ، يمكنه بالفعل تحسين تبديد الحرارة بشكل كبير ، لكن تكلفته مرتفعة للغاية وله حماية براءات الاختراع. في الآونة الأخيرة ، بدأ المصنعون المحليون في استخدام مواد السيليكون كركائز. لأن الركيزة السيليكونية غير مقيدة ببراءات الاختراع. والأداء أفضل من الياقوت. المشكلة الوحيدة هي أن معامل التمدد لـ GaN يختلف كثيرًا عن معامل السيليكون وهو عرضة للتصدع. الحل هو إضافة طبقة من نيتريد الألومنيوم (AlN) في الوسط كمخزن مؤقت.
الموصلية الحرارية لمادة الركيزة W / (m · K) معامل التمدد (x10E-6) تكلفة التوصيل الحراري للثبات ESD (مضاد للكهرباء الساكنة)
كربيد السيليكون (SiC) 490-1.4 جيد عالي جيد
الياقوت (Al2O3) 461.9 هو بشكل عام 1/10 من SiC
السيليكون (Si) 1505-20 جيد ، 1/10 من الياقوت جيد
بعد تعبئة رقاقة LED ، تكون المقاومة الحرارية من الشريحة إلى الدبوس هي أهم مقاومة حرارية في التطبيق. بشكل عام ، حجم منطقة تقاطع الشريحة هو مفتاح تبديد الحرارة. بالنسبة للقوى المصنفة المختلفة ، فإن الأحجام المقابلة مطلوبة. منطقة التقاطع. يتجلى أيضًا كمقاومة حرارية مختلفة. المقاومة الحرارية لعدة أنواع من مصابيح LED هي كما يلي:
اكتب أنبوب قبعة القش سمكة البيرانا 1W توهج السطح
المقاومة الحرارية oK / W150-200508-155
تم نقل رقائق LED المبكرة إلى الجزء الخارجي من الشريحة بشكل أساسي بواسطة قطبين معدنيين ، كان الأكثر شيوعًا يسمى ф5 أو F5
