A pesar del gran avance en la eficacia luminosa, la iluminación LED todavía experimenta una cantidad sustancial de pérdida de energía en el curso de la conversión de potencia CA-CC (circuito controlador), conversión electroóptica (electroluminiscencia en la unión LED) y conversión de longitud de onda (desplazamiento de Stokes en la capa de fósforo). Las lámparas incandescentes, fluorescentes y de halogenuros metálicos convierten la energía residual en varias combinaciones de radiación infrarroja (IR), radiación ultravioleta (UV) y calor. A diferencia de las tecnologías convencionales, toda la pérdida de energía que se produce durante el proceso de emisión de luz de los LED se descarga en forma de calor. La eficiencia del sistema de la mayoría de los productos LED es inferior al 50 por ciento. Esto se traduce en un gran problema de ingeniería térmica que más del 50 por ciento de la entrada de energía del sistema se convierte en calor a nivel de paquete y placa.
Los LED dependen de la temperatura de unión del voltaje directo, la distribución de energía espectral (SPD) y el flujo luminoso (salida de luz). La cantidad de luz emitida por el LED disminuye a medida que aumenta la temperatura de unión debido a que la recombinación no radiante prevalece a altas temperaturas de unión. El aumento de la temperatura de unión dará lugar a una disminución de la energía de banda prohibida de la región activa de los LED. Esto da como resultado una reducción en el voltaje directo. El voltaje directo reducido provoca una disminución en la energía eléctrica que, combinada con la caída térmica, agrava la pérdida en la salida de luz. La caída de salida inducida térmicamente se acompaña del cambio de color. A medida que aumenta la temperatura de la unión LED, la banda prohibida entre una banda de conducción y una banda de valencia de las capas de semiconductores se vuelve más estrecha. Dado que la longitud de onda de la radiación electromagnética en el rango visible está determinada por la banda prohibida, cada aumento de 10 ºC en la temperatura de la unión dará como resultado un aumento de un nanómetro en la longitud de onda dominante de un LED. En consecuencia, habrá un cambio de color notable hacia el extremo superior del espectro (cambio al amarillo) cuando los LED funcionen a alta temperatura. El cambio de color también ocurre en la capa de fósforo cuando se opera por encima del nivel de flujo de saturación. La pérdida de eficiencia cuántica de fósforo como resultado del alto calor de Stokes conduce a un desplazamiento hacia el azul.
La operación a alta temperatura dentro de un período limitado perjudica la eficiencia temporal y la calidad espectral de los LED. El funcionamiento continuo de los LED por encima de la temperatura máxima permitida en la unión pn puede provocar daños irreversibles en los LED. La velocidad a la que envejecerá un LED es inversamente proporcional a la temperatura en la unión pn. Cada aumento de 10 ºC en la temperatura de la unión resultará en una caída del brillo del 30 % al 50 % durante toda la vida útil. Esta reducción permanente en la salida de luz del LED acelerada por una temperatura de funcionamiento alta se conoce como depreciación del lumen. Las temperaturas elevadas también acelerarán el proceso de degradación de la capa de fósforo a base de polímero. La degradación del fósforo y la carbonización del polímero terminan en un cambio de color que no se puede tolerar en la iluminación LED. La alta temperatura de la unión puede causar un alto coeficiente de expansión térmica (CTE) que no coincide entre la matriz del LED y los materiales de empaque, lo que presenta un impacto significativo en la confiabilidad del LED.
