Apesar do avanço na eficácia luminosa, a iluminação LED ainda experimenta uma quantidade substancial de perda de energia no curso da conversão de energia AC-DC (circuito driver), conversão eletro-óptica (eletroluminescência na junção LED) e conversão de comprimento de onda (deslocamento Stokes em a camada de fósforo). Lâmpadas incandescentes, fluorescentes e de iodetos metálicos convertem energia residual em várias combinações de radiação infravermelha (IR), radiação ultravioleta (UV) e calor. Ao contrário das tecnologias convencionais, toda a perda de energia que ocorre durante o processo de emissão de luz dos LEDs é descarregada na forma de calor. A eficiência do sistema da maioria dos produtos LED é inferior a 50%. Isso se traduz em um enorme problema de engenharia térmica em que mais de 50% da entrada de energia do sistema é convertida em calor no nível do pacote e da placa.
Os LEDs têm uma dependência de temperatura de junção da tensão direta, distribuição de energia espectral (SPD) e fluxo luminoso (saída de luz). A quantidade de luz emitida pelo LED diminui à medida que a temperatura da junção aumenta porque a recombinação não radiativa prevalece em altas temperaturas de junção. O aumento da temperatura da junção levará a uma diminuição da energia do bandgap da região ativa dos LEDs. Isso resulta em uma redução na tensão direta. A tensão direta reduzida causa uma diminuição na energia elétrica, que, combinada com a queda térmica, agrava a perda na saída de luz. A queda de saída induzida termicamente é acompanhada pela mudança de cor. À medida que a temperatura da junção do LED aumenta, o gap entre uma banda de condução e uma banda de valência das camadas semicondutoras torna-se mais estreito. Como o comprimento de onda da radiação eletromagnética na faixa visível é determinado pelo intervalo de banda, cada aumento de 10ºC na temperatura da junção resultará em um aumento de um nanômetro no comprimento de onda dominante de um LED. Consequentemente, haverá uma mudança de cor perceptível em direção à extremidade superior do espectro (mudança de amarelo) quando os LEDs operarem em alta temperatura. A mudança de cor também ocorre na camada de fósforo quando ela é operada acima do nível de fluxo de saturação. A perda da eficiência quântica do fósforo como resultado do alto calor de Stokes leva a um deslocamento para o azul.
A operação em alta temperatura dentro de um período limitado prejudica a eficiência temporária e a qualidade espectral dos LEDs. Operar LEDs continuamente acima da temperatura máxima permitida na junção pn pode levar a danos irreversíveis aos LEDs. A taxa na qual um LED envelhece é inversamente proporcional à temperatura na junção pn. Cada aumento de 10ºC na temperatura da junção resultará em uma queda de brilho de 30% a 50% na vida útil. Essa redução permanente na saída de luz do LED acelerada por uma alta temperatura operacional é conhecida como depreciação do lúmen. Temperaturas elevadas também irão acelerar o processo de degradação da camada de fósforo à base de polímero. A degradação do fósforo e a carbonização do polímero resultam em uma mudança de cor que não pode ser tolerada na iluminação LED. A alta temperatura de junção pode causar um alto coeficiente de incompatibilidade de expansão térmica (CTE) entre a matriz de LED e os materiais de embalagem, o que apresenta um impacto significativo na confiabilidade do LED.
