An experimental and numerical investigation of immersion cooled blue led combined with yag:ce phosphor for thermal, electrical and optical performance

Abstract

At the new age of illumination, light emitting diodes (LEDs) have been proven to be the most efficient alternative to conventional light sources. Yet, in comparison to the other lighting systems, LEDs can withstand a lower maximum operating temperature while junction temperature (Tj) is among the main factors dictating their lifespan, reliability, and luminance performance. Thermal concerns in high power LEDs are important not only because of the dramatic failure of the chip, but also lowered performance in terms of light characteristics. Generated heat and increased device temperatures are direct indicators of poor performance. In fact, heat generation in LED packages occurs mainly on the chip and phosphor layers, both of which lead to a decrease in light output due to the reduction in internal and external quantum efficiencies. In addition to the heat losses over an LED die due to the losses in combination of carrier charges, optical losses are also significant. Moreover, with the increase in Tj during the operation of an LED, the transparency of optical components in the package is disrupted and leads to absorption losses. This eventually results in degradation of components in the package and performance losses. However, the highest absorption losses are observed in the LED die due to internal reflections of a portion of emitted light over the chip surface and eventually loss as heat. Although phosphor coating over LED die is a common practice, absorption losses and increased temperature of a phosphor coated layer over the die negatively affect the optical performance. Therefore, removing the phosphor layer from the die and coming up with a novel thermal package design will enhance the optical efficiency of an emission process. In addition to absorptive and reflective losses, certain losses are related to down conversion or Stokes loss of the phosphor layer in the package. During the conversion from blue to white light, a part of light emission is lost as heat, and it affects the amount of light emission and light characteristics. Since the optical performance of LEDs is thermally limited, novel cooling techniques that also favor optical behavior are continuously investigated. Air cooling is very effective in cooling low power LEDs due to availability, low cost, and reliability, although its performance is very limited due to the low thermal capacity of air. On the other hand, the efficiency of indirect liquid cooling is an order of magnitude higher compared to air cooling; however, the cooling performance is negatively affected by additional interfaces between LED to heat sink and heat sink to air. Direct immersion cooling of an LED chip with natural convection is found to be a promising and cost-effective solution for high power LEDs subjected to high heat fluxes. In addition, temperature uniformity of package components is achieved especially at higher driving currents that cause local temperature gradients. Moreover, in recent years, the interaction of unrestricted particles with the dispersed multi-phase flow has been linked to a number of important engineering applications. Among these applications, the novel idea of immersion cooled phosphor particles, which has the potential of significantly increasing the thermal limits of phosphor converted white LEDs (Pc-LEDs), has yet to be thoroughly investigated. Thus, considering the above-mentioned thermal, optical, and electrical concerns with current LED devices, this thesis focused on the accurate thermal characterization of LEDs through experimental and computational measurements and proposed a novel immersion cooling technique combined with YAG:Ce to improve the performance of Pc-LED while light systems. With this objective, first, an extensive literature review was conducted on experimental junction temperature (Tj) measurement of LEDs. For the purpose of attempting to address the governing phenomena, benefits, drawbacks, possibilities, and applications, a wide range of measurement techniques and systems are covered. The literature review section included a large number of published measurement approaches such as Temperature Sensitive Optical Parameters (TSOPs), Optical Temperature Probing, Temperature Sensitive Electrical Parameters (TSEPs), and a few other methods. Some of the corrections noted in non-ideal thermal calibration processes are discussed and presented. In addition, a summary of the experimental parameters employed in the literature is given as a reference. Secondly, based on the outcomes of the literature review, a more accurate and time efficient forward voltage method (FVM) was studied for experimental characterization of transient and opto-thermal behavior of bare and coated LED chips under operation. For pulse duration smaller than 50 ms, pulse currents ranging from 1 to 10 mA were found to be causing an acceptable temperature rise in all short pulse durations. On the contrary, pulse currents as high as 100 mA were suggested to be avoided unless they performed in the 1 ms range. Moreover, according to the bare chip thermal characterizations and reported interrelations between output and input powers, Tj and input currents, efficiency higher than 35% cannot be achieved in useful emission power losses due to the Auger losses that significantly reduce internal quantum efficiency and interfacial thermal resistance in thermal design. Correspondingly, an immersion cooling technique that directly targets heat generation zones was suggested to increase extraction efficiency and further reduce the junction temperature. In the experimental study, a preparation method for an immersion cooled LED package with dispersed phosphor particles was introduced. Details of the package design, step-by-step preparation, and material property specifications were explained in detail. Following that, an experimental setup that enables thermal characterization of immersion cooled LED package simultaneous to the particle velocity measurements was demonstrated. As a result, Tj and fluid temperature near the dome surface were measured to be 100 °C and 40 °C when LED has driven at 1 A current. The effectiveness of the immersion cooling technique was acknowledged by reaching lower junction temperature at higher driving currents. In addition, image processing of particle-based investigation of phosphor has revealed that in the presence of blue light, a 10-fold increase in particle velocity can be observed. This variation was mainly attributed to the photopheresis force acting on the particle when optical effects were incorporated. The origins of this force were discussed, and alterations in particle and fluid motion due to the intense photopheresis effect were reported. The findings presented in that part aim to shed light on future studies for particle trapping and the light attraction of photoluminescence particles. Thirdly, two-phase flow analyzes were conducted computationally by utilizing a discrete phase modeling approach in ANSYS Fluent environment. The impact of different heat generation rates of an LED package was investigated by considering natural convection currents and corresponding phosphor particle trajectories inside a fluid domain. Phosphor location and movement within a buoyancy-driven flow were further analyzed by including the self-heating effect. For that purpose, heat transfer, fluid flow, and energy paths of self-heating phosphor particles were extracted, and the influence of particle sizes was analyzed in detail. The results have shown that with immersion liquid cooling, the highest phosphor particle temperature was recorded to be under 147 °C, while larger size particles introduced higher heat transfer rates to the Pc-LED package for the same number of particles. Moreover, depending on the particle size and position, individual phosphor particles can follow a different trajectory that can affect the probability of obtaining white light emission.Aydınlatmanın yeni çağında, ışık yayan diyotların (LED) geleneksel ışık kaynaklarına en verimli alternatif olduğunu kanıtlamıştır. Bununla birlikte, diğer aydınlatma sistemleri ile karşılaştırıldığında, LED'ler daha düşük maksimum çalışma sıcaklığına dayanabilirken, jonksiyon sıcaklığı (Tj) LED'lerin ömrünü, güvenirliğini ve parlaklık performansını belirleyen ana faktörler arasında yer alır. Yüksek güçlü LED'lerdeki termal kaygılar, yalnızca çipin dramatik arızası nedeniyle değil, aynı zamanda ışık performansında yol açtığı düşüşler nedeniyle de kritik önem taşımaktadır. Üretilen ısı ve artan cihaz sıcaklıkları, LED'lerde düşük performansın doğrudan göstergesidir. Isı üretimi esas olarak çip ve fosfor tabakasında meydana gelir ve her iki sıcaklık üretim noktası da iç ve dış kuantum verimliliğindeki azalma nedeniyle ışık çıkışında azalmaya neden olur. Taşıyıcı yüklerin kombinasyonu sırasında oluşan çipteki ısı kayıplarına ek olarak, optik kayıplar da önemlidir. Bir LED'in çalışması sırasında Tj'lığındaki artış ile sistem içerisindeki optik bileşenlerin şeffaflığı bozulur ve ışık soğurma kayıplarına yol açar. Bu da paketteki bileşenlerin bozulmasına ve performans kayıplarına neden olur. Bununla birlikte, yayılan ışığın bir kısmının çip yüzeyinde tekrar yansıması ile oluşan ısı, en yüksek soğurma kayıplarının LED çipinde gözlemlenmesine neden olmaktadır. Dahası, beyaz ışık elde etmek için LED kalıbı üzerine fosfor kaplama yaygın bir uygulama olmasına rağmen, kalıp üzerindeki fosfor kaplı tabakanın soğurma kayıpları ve artan sıcaklığı optik performansı ayrıca olumsuz yönde etkiler. Bu nedenle, fosfor tabakasının kalıptan çıkarılmasının ve yeni bir termal paket tasarımının geliştirilmesinin, optik verimliliği arttıracağı ön görülmektedir. Soğurucu ve yansıtıcı kayıplara ek olarak, paketteki fosfor tabakasının aşağı dönüşümü (down conversion) ve Stokes kaybı da verimlilik düşürücü etkiye sahiptir. Maviden beyaz ışığa dönüşüm sırasında, ışık emisyonun bir kısmı ısı olarak kaybolur ve bu durum ışık emisyon miktarını ve ışık özelliklerini olumsuz etkiler. Yukarıda da özetlendiği gibi, LED'lerin optik performansı termal olarak sınırlı olduğundan, optik verimliliği arttıracak yeni soğutma teknikleri sürekli olarak araştırılmaktadır. Hava soğutma, düşük termal kapasitesi nedeniyle performansı sınırlı olmasına rağmen, kullanılabilirlik, düşük maliyet ve güvenilirlik nedeniyle düşük güçlü LED'lerin soğutulmasında sık tercih edilmektedir. Öte yandan, dolaylı sıvı soğutmanın verimliliği, hava soğutmasına kıyasla çok daha yüksektir; fakat, soğutma performansı, LED'den ısı emiciye ve ısı emiciden hava arasındaki ek arabirimlerden ve ısıl dirençlerden olumsuz etkilenir. Doğal konveksiyonlu bir LED çipinin doğrudan sıvı ile soğutulması, yüksek ısı akışlarına maruz kalan yüksek güçlü LED'ler için umut verici ve uygun maliyetli bir çözüm olarak bulunmuştur. Ek olarak, bu uygulama, bölgesel sıcaklık artışlarına sebep olan yüksek çalışma akımlarında bile termal homojenlik sağlanmasına olanak sağlamaktadır. Bunlara ek olarak, son yıllarda, parçacıkların akış içerisindeki dağınık etkileşimi, bir dizi önemli mühendislik uygulaması ile ilişkilendirilmiştir. Bu uygulamalar arasında, fosforla dönüştürülmüş beyaz LED'lerin (Pc-LED) termal sınırlarını önemli ölçüde artıma potansiyeline sahip olan fosfor parçacıklarının doğrudan sıvı soğutulması fikri henüz tam olarak araştırılmamıştır. Bu nedenle, mevcut LED cihazlarıyla ilgili yukarıda bahsedilen termal, optik ve elektriksel kaygılar göz önüne alındığında, bu tez, deneysel ve hesaplamalı ölçümler yoluyla LED'lerin doğru termal karakterizasyonuna ve Pc-LED'lerin performansını artırmak için YAG:Ce ile birleştirilmiş yeni bir soğutma tekniğine odaklanmıştır. Bu amaçla, öncelikle LED'lerin jonksiyon sıcaklığı ölçümü hakkında kapsamlı bir literatür taraması yapılmıştır. Çalışma mekanizmaları, faydaları, negatif yanları, olasılıkları ve uygulama yöntemlerini ele almak amacıyla çeşitli ölçüm teknikleri ve sistemler incelenmiştir. Literatür taraması bölümü, bu alanda yayımlanmış birçok makaleyi içermekte ve Sıcaklığa Duyarlı Optik Parametreler (TSOP'ler), Optik Yöntemlerle Sıcaklık İzlenimi, Sıcaklığa Duyarlı Elektrik Parametreler (TSEP'ler), ve diğer birkaç yöntemi kapsamaktadır. İdeal olmayan termal kalibrasyon işlemlerinde not edilen bazı düzeltmeler bu bölümde tartışılan konular arasındadır. Ayrıca literatürde kullanılan deneysel parametrelerin özetleri referans olarak verilmiştir. İkinci olarak, literatür taraması çıkarımlarına dayanarak, çalışma altındaki kaplamasız ve kaplamalı LED çiplerinin zamana bağlı optik ve termal davranışlarının deneysel karakterizasyonu için daha doğru ve zaman açısından verimli bir ileri gerilim jonksiyon sıçaklık yöntemi geliştirilmiş ve sunulmuştur. 50 ms'den küçük sinyal süresi için, 1 ile 10 mA aralığındaki sinyal akımlarının, kabul edilebilir bir sıcaklık artışına neden olduğu bulunmuştur. Aksine, 100 mA kadar yükek sinyal akımlarından, 1 ms aralığında uygulanmadığı sürece, kaçınılması gerektiğini önerilmiştir. Ayrıca, kaplamasız LED çiplerin termal sonuçları ve giriş-çıkış güçleri, Tj ve giriş akımı arasındaki ilişkiler ele alındığında, Auger kayıplarının ve termal tasarımdaki ısıl dirençlerinin %35'ten daha yüksek verim elde edimini mümkün kılmadığı gözlemlenmiştir. Buna uygun olarak, optik verimliliği arttırmak ve jonksiyon sıcaklıklarını azaltmak için doğrudan ısı üretim bölgelerini hedef alan doğrudan sıvı soğutma tekniği önerilmiştir. Devamında yapılan deneysel çalışmada, dağılmış fosfor parçacıkları içeren doğrudan sıvı soğutmalı LED paketi hazırlama yöntemi tanıtılmıştır. Paket tasarımının detayları, hazırlanma adımları ve malzeme özellikleri detaylı olarak anlatılmıştır. Bunu takiben, doğrudan sıvı soğutmalı LED paketinin parçacık hızı ölçümleri ile eş zamanlı olarak termal ölçümlere imkân sağlayan bir deney düzeneği kurulmuştur. Sonuç olarak, LED'in 1 A akımda sürüldüğünde Tj ve lens yüzeyine yakın sıcaklıkları 100 °C ve 40 °C olarak ölçülmüştür. Doğrudan sıvı soğutma tekniğini ile daha yüksek sürüş akımlarında daha düşük jonksiyon sıcaklıklara ulaşılarak, yöntemin etkinliği kabul edilmiştir. Ek olarak, fosforun parçacık bazlı incelenmesi sonucunda, mavi ışık ile etkileşimi sonucu parçacıkların 10 kat daha yüksek hızlara ulaştığı gözlemlenmiştir. Bu değişim, optik etkiler dahil edildiğinde parçacık üzerinde etkili olan fotoferez kuvvetine bağlanmıştır. Bu kuvvetin ana sebepleri tartışılmış ve yoğun fotoferez etkisi nedeniyle parçacık ve sıvı hareketindeki değişiklikler not edilmiştir. Bu bölümde sunulan bulguların, parçacık takibi ve ışık yayan parçacıkların kontrolü için gelecekteki çalışmalara öncü olması amaçlanmıştır. Üçüncü olarak, ANSYS Fluent ortamında ayrık faz modelleme yaklaşımı kullanılarak hesaplamalı olarak iki fazlı akış analizleri yapılmıştır. LED paketinin farklı ısı üretim oranlarının etkisi, doğal konveksiyon akımları ve karşılık gelen fosfor parçacık hareketleri dikkate alınarak araştırılmıştır. Doğal konveksiyon akışı içindeki fosforun konumu ve hareketi, kendi kendine ısınma etkisi dahil edilerek ayrıca analiz edilmiştir. Bu amaçla, kendiliğinden ısınan fosfor parçacıklarının ısı transferi, sıvı akışı ve enerji yolları çıkarılmış ve parçacık boyutlarının etkisi ayrıntılı olarak analiz edilmiştir. Sonuçlar, doğrudan sıvı soğutması ile en yüksek fosfor partikül sıcaklığının 147 °C'nin altında kaydedildiğini, daha büyük çaplı parçacıkların aynı sayıda parçacık sayısı için Pc-LED paketine daha yüksek ısı aktarımı yaptığı gösterilmiştir. Ayrıca, parçacıkların boyut ve konuma bağlı olarak farklı yörüngelerde hareket edebildiği ve bunun beyaz ışık etkisi üzerinde etkisi olabileceği tartışılmıştır.