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業(yè)內(nèi)熱點(diǎn)

基于TEC熱電制冷器的LED燈組

稿件來源:今日半導(dǎo)體 責(zé)任編輯:ICAC 發(fā)布時(shí)間:2021-03-23

   華中科技大學(xué)和中國武漢工業(yè)大學(xué)已經(jīng)開發(fā)了一種基于熱電制冷器(TEC)的藍(lán)色發(fā)光二極管(LED)燈組,以提高大功率性能。將LED芯片直接焊接到TEC的冷側(cè)基板上,避免使用有機(jī)耐熱粘合劑。

  由于焦耳和輻射熱效應(yīng),不僅會降低LED的光輸出功率外,熱問題還會導(dǎo)致器件的可靠性和使用壽命降低,并會改變發(fā)射波長。溫度每升高1°C,排放強(qiáng)度就會下降1%,散熱問題被稱為是開發(fā)大功率LED的技術(shù)瓶頸之一。

  這種情況下,使用被動散熱的方法進(jìn)行熱量管理可能達(dá)不到理想效果,但使用風(fēng)扇、液體流動等各種主動冷卻方法可能會有所幫助。固態(tài)熱電制冷器固態(tài)TEC利用珀耳帖效應(yīng)將熱量從設(shè)備中抽走。這樣的器件使用半導(dǎo)體材料和偏置來實(shí)現(xiàn)冷卻。該團(tuán)隊(duì)表示:TECs是一種有吸引力的選擇,具有清潔、無噪音、高可靠性和成本低的優(yōu)勢。

  在TEC與LED結(jié)合方法上,一開始嘗試使用了有機(jī)粘合劑,該粘合劑對熱流的抵抗力相對較高。相比之下,新組件則將焊料直接附著到TEC冷側(cè)基板上,從而提高了潛在的冷卻效果。避免使用有機(jī)粘合劑的另一個優(yōu)點(diǎn)是,此類材料長時(shí)間受熱可能會老化,從而影響可靠性。

  研究人員使用氧化鋁(Al2O3)陶瓷基板和直接鍍銅電路布線,并在其上連接LED和TEC。TE結(jié)構(gòu)由碲化鉍碲化硒硒化物p型和n型材料(p-Bi0.5Sb1.5Te3 / n-Bi2Te2.7Se0.3)組成。各個TE元件的尺寸為1mmx1mmx2mm。

  將元件在橡膠模具中對齊,并用錫(96.5%)-銀(3%)-銅(0.5%)焊膏粘貼到熱側(cè)銅/陶瓷基板上,并在260°C下焊接20s。冷側(cè)基板也貼有焊膏,并在260°C下焊接20s。

  在冷側(cè)基板上鍍鈦/銅/鎳/金布線,然后使用回流工藝涂覆錫(48%)-鉍(52%)焊膏并連接452nm波長的LED。

  TEC的冷卻效果隨著注入電流的增加而增加到2A左右,此后便沒有太多其他的好處。在注入2.5A電流時(shí),偏置電壓達(dá)到3.1V,電流-電壓關(guān)系近似線性。根據(jù)熱紅外成像,對于大小為0.5、1.0、1.5和2.0A的注入電流,冷側(cè)溫度分別為4.0°C、-7.9°C、-19.9°C和-25.8°C。環(huán)境溫度(0A)接近30℃(27℃= 300K?)。

  使用1.5A注入的TEC提高了大功率LED在給定電流下的光輸出功率性能,當(dāng)注入電流在1.0A增加到35.25%時(shí),性能的提高百分比會增加。還應(yīng)注意,關(guān)閉TEC時(shí),峰值波長會更長,這種紅移是增加結(jié)溫的效果。

  模擬表明,在未注入TEC的情況下,在注入1.0A電流時(shí),LED的溫度可能達(dá)到244°C。計(jì)算還表明,使用TEC可以將溫度降至150°C。使用熱紅外成像儀進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)溫度測量在TEC關(guān)閉的情況下為232°C,在冷卻器開啟的情況下為114°C。

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