An investigation into junction temperature of green and blue LEDs

Abstract

As more advanced technologies are developed, energy considerations are becoming more serious. This is also true for lighting systems that play a crucial role in worldwide energy consumption consisting of 15% of general consumption. Hence, integrating improved LED systems into today's lighting applications has become a critical task to build a greener future because of their high efficacy and less energy consumption. They also offer a wide variety of color options applicable for general lighting, backlighting, mobile devices, medical services, automotive lighting, display and a number of niche applications. Although the light output from LEDs is the most efficient at a narrow optical spectrum compared to conventional lighting sources, they are still not adequate to satisfy consumer demands due to considerable amounts of lost energy and emerging thermal issues. Degradation of LED components with generated heat is one of the most critical issues that directly affect the efficiency and lifetime of LEDs. Actually, while approximately 45% of electrical energy is converted into heat directly at an LED die, this becomes around 70% after considering additional heating inside an LED package. This is mainly attributed to excessive heat generation at the p-n junction region and resulting rise in the junction temperature. Among various factors, the temperature rise of the junction region has been shown as the primary cause of the degradation due to the heat generation that occurs in the package and mainly due to noncombined radiation in the die region and re-absorption of back scattered light in the package. Accomplishing an effective thermal solution is possible if the LED junction temperature is precisely determined. A number of techniques have been proposed for the junction temperature measurement such as forward voltage change (FVC), IR thermal imaging, and Raman Spectroscopy. Since the wavelength shift method was not found accurate enough, this study focused on the first two techniques. Due to fast and reliable aspects of the forward voltage method, it has been defined as the basic method for measuring the junction temperature in the current study and the findings have been compared experimentally using the infrared thermal imaging technique. Moreover, experimental results have been validated by means of ANSYS Icepak computational models for green and blue LEDs. Consequently, junction temperature results of green LEDs have been compared with blue LEDs and it has been determined that both LED types are sensitive to junction temperature showing a considerable change from 200 mA to 500 mA. The effect of lens over junction temperature and optical extraction has also been investigated in the current study by comparing thermal and optical properties of an LED package in different cases including lens and without lens configurations. A detailed study is necessary to determine the transmission value of the LED lens. It may bring some uncertainties and restricts the practicality of the IR imaging technique. However, removing the lens offers some advantages such as enabling direct access to the chip. It is found that impact of LED lens is significant in heat dissipation from the junction region. In fact, blue LEDs are more affected by the lens as the junction temperature increased by 7.1 ºC compared to 4.8 ºC in green LEDs at 500 mA. As the final step of the work, an experimental setup for the junction temperature measurement was produced by the help of experience obtained in manually conducted junction temperature measurements and the interpretation of measurement results given in the thesis. The first proposed model of the setup is working based on (FVC) method and it is designed to realize the calibration and test phases respectively with automation. The junction temperature results of Tj measurement setup have been determined properly for green and blue LEDs and compared with the results of manual Tj measurement. Consequently, variances of junction temperature results measured in both manual and produced auto setup were observed in an acceptable range with 6%.

Teknoloji geliştikçe enerji konusundaki hassasiyetler daha da önemli hale gelmiştir. Bu durum, dünya genelinde önemli rol oynayan ve enerji tüketimi % 15'ten fazla paya sahip olan aydınlatma sistemleri için de geçerlidir. Bu sebeple, yüksek verimli ve düşük enerji tüketimli LED sistemlerin aydınlatma uygulamalarına entegrasyonu yeşil bir aydınlık gelecek için kritik öneme sahiptir. Aynı zamanda LED sistemler geniş ve farklı renk opsiyonlarıyla genel aydınlatma uygulamalarında, cep telefonlarında, medikal uygulamalarda, otomotiv aydınlatmasında, televizyon gibi birçok ihtiyaç duyulan alanda faaliyet göstermektedir. Elde edilen ışık miktarı ve görüntü kalitesi bakımından diğer ışık kaynaklarına göre daha verimli olan LED sistemler, yüksek miktarda enerji kaybına sebep olan termal problemler sebebiyle hala müşteri ihtiyacını karşılayabilecek seviyede değildirler. Kullanım ömrünü ve performansını azalttığı gibi, LED komponentlerinde meydana gelen bozulmalara sebep olan ısı oluşumu bu sistemlerdeki en kritik problemdir. LED sistemlere uygulanan elektrik gücünün %45'i direkt olarak ısıya dönüşürken, bunlara LED paketinin içindeki ısınmayı arttırıcı diğer faktörler eklendiğinde ısıya dönüşen enerji miktarı %70'lere çıkmaktadır. Diğer faktörler de göz önünde bulundurulduğunda, bu durumun en büyük etkisinin ısının ilk açığa çıktığı nokta olarak bilinen p-n jonksiyon noktasındaki elektron kombinasyonunu sağlayamayan elektronların ve geri yansıyan fotonlardan kaynaklanan radyasyon enerjisinin ısıya dönüşmesi sonucu meydana gelmektedir. Etkili termal çözümler üretebilmenin tek yolu ise p-n jonksiyon noktasının sıcaklığını kesin bir şekilde ölçülmesidir. Önceki çalışmalarda bu noktanın ölçülmesiyle ilgili çeşitli yöntemler geliştirilmiş olup bunlardan bazıları şöyledir: İleri voltaj değişim yöntemi, Termal görüntüleme, Raman spektroskopi. Raman spektroskopi yöntemi her ölçüme uygun olmadığı ve sonuçlarında yeterli kesinlik bulunmadığı için bu çalışmada diğer iki yöntem dikkate alınmıştır. İleri voltaj değişim yöntemi hızlı olması ve güvenilir sonuçlar vermesinden dolayı, bu çalışmada temel jonksiyon ölçüm yöntemi olarak belirlenmiştir. Bu iki yöntemin deneysel sonuçları kıyaslanmış, buna ek olarak deneysel sonuçların validasyonu için ANSYS Icepak kullanımı ile modellemeler yapılmıştır. Yeşil ve mavi LED'lerin jonksiyon sıcaklıklarının sonuçları birbirleri ile kıyaslanmış olup, sonuçlara bakıldığında tüm LED çeşitlerinin 200 mA'den 500 mA'e arttırılan akım değerleri arasındaki gözle görülür farktan dolayı jonksiyon sıcaklığındaki değişime olan hassasiyetleri gözlenmiştir. Yürütülen çalışmanın diğer bir bölümünde, karşılaşılan belirsizlikler ve sınırlamalardan dolayı termal görüntüleme yönteminin uygulanabilmesi için LED çipler üzerinde bulunan silikon lens komponentinin çıkarılmasının gerektiği sonucuna varılmıştır. Lens etkisinin LED sitemler üzerindeki termal ve optik performanslarına olan etkisinin araştırılması için, silikon lens çıkarma işlemi gerçekleştirilip, çalışmalar lensli ve lenssiz LED'ler üzerinde ayrı ayrı yapılmıştır. Silikon lensin çıkartılması direkt olarak chip yüzeyinin ölçülmesine olanak sağlamış ve LED chip üzerinde bulunan bu lensin ısı yayılımına ve jonksiyon sıcaklığı üzerindeki etkisi gözlemlenmiştir. Sonuç olarak, 500 mA uygulanan akım koşulunda lens çıkarma işleminden en çok etkilenen LED tipi 7.1ºC artış ile mavi LED olarak belirlenirken, yeşil LED tipinde ise bu artış 4.8ºC yeşil LED gözlemlenmiştir. Çalışmanın son bölümünde, yapılan tüm deneysel çalışmalar ve elde edilen sonuçlar ışığında, jonksiyon sıcaklık ölçümü yapabilen kompak bir deneysel setup üretimi ve testleri ile ilgili çalışmalar yürütülmüştür. Çalışma prensibi ileri gerilim (FVC) yöntemine dayandırılan sistem, kalibrasyon ve test evreleri arası otomatik geçiş yapabilecek şekilde ayarlanmıştır. Son haline getirilen sistemde gerekli deneyler yeşil ve mavi LED'ler için gerçekleştirilmiş ve jonksiyon sıcaklık sonuçları manuel olarak yapılan deney sonuçlarıyla kıyaslanmıştır. Sonuç olarak, manuel ve otomatik jonksiyon ölçüm methodları arasında fark % 6 olarak ölçülmüş ve kabul edilebilir bir aralık olduğu sonucuna varılmıştır.