Thermal and optical interaction of tightly packaged LEDs in automotive lighting applications

Abstract

This study aims to enhance the thermal management of an LED light engine for automotive exterior lighting with an advanced heat spreader. Although LEDs have many advantages, their applications require an accurate thermal management. To house driver electronics and LEDs in a typical automotive exterior lighting, conventionally FR4 based printed circuit board is usually used. Over the board, local hotspots are observed due to low thermal conductivity of FR4 based PCB and high heat flux caused by LEDs and electronics. LEDs in automotive back lighting units operated with different input power for position, stop and signal lights. Moreover, in some instances, these three lights perform simultaneously in the automobiles. Therefore, heat flux dissipation over LEDs and electronics become abundant making thermal performance of the FR4 board inadequate to diffuse this flux. Thus, in this study, an advanced heat spreader board technology was investigated and compared with the conventional FR4 based and Al metal core printed circuit boards. An experimental study was conducted via thermal imaging technique in order to inspect local hot spots. Also, an optical performance investigation for advanced heat spreader based LED light engine is conducted. Then, a numerical analysis is also performed in order to validate experimental results. According to experimental data, advanced heat spreader has performed 7.4% better thermal performance than Al metal core board and 25.8% FR4 based board. Besides, when advanced heat spreader board base used instead of FR4 board base, luminous efficacy can be improved by 25.9%. In addition, improving thermal spreading capability of PCBs is one of the alternative solution in order to distribute heat from source, efficiently. Various type of materials is investigated to improve thermal characteristics of PCBs. In this study, multilayer ceramic flex PCB is analyzed as alternative PCB solution to overcome thermal problems. To analyze thermal performance of the PCB, it is compared with that of FR4 flex PCB experimentally and computationally. While thermal performance degrades 36.5% when FR4 flex PCB is used, radiant flux and luminous flux of the LED light engine decrease by 13.3% and 14.6%, respectively. Besides, there is strong dependency between photometric, electrical and thermal properties of LEDs. Hence, while a lighting system is designed, thermal and electrical parameters of the system should be considered to achieve desired performance. Therefore, another aim of the study is to analyze dependency between photometric, electrical and thermal parameters of the FR4 LED light engine with FR4 flex PCB is analyzed. On the other hand, in recent years, paradigm of Internet of Things which will be effective in all areas of our lives is in the foreground and lighting systems with over 500 billion fixtures globally are seen as a great opportunity for a widespread application. In addition, automobiles may constitute a platform for IoT applications due to their current electronics system and mobility feature. Thus, in this study, a possible candidate automotive rear LED lighting system is evaluated in terms of thermal performance for new generation IoT added applications. Firstly, thermal performance of FR4 based LED engine is evaluated and it is modeled in a CFD program. Then, computational model is solved for different cases such as; 25%, 50% and 70% power addition to electronics to determine the adverse effects due to IOT power needs. Metal and advanced heat spreader substrate technologies are presented as solution to overcome thermal problems. While power consumption of electronic increases by 70%, maximum temperatures that is experienced on electronics increase by +38.4%. Maximum temperatures of amber LEDs increased by +12.5%, when temperature rise of +11.2% is experienced on red LEDs. As conventional FR4 substrate is not adequate for future electronic systems, advanced heat spreader board technology which consists of vapor chamber structure can be a possible substrate technology for new generation smart applications.

Bu çalışma gelişmiş ısı dağıtıcı elektronik kart kullanımı ile LED otomotiv dış aydınlatma sistemlerinin termal yönetimini iyileştirmeyi amaçlamaktadır. LED'ler geleneksel aydınlatma sistemlerine kıyasla birçok avantaj sunmasına rağmen, LED uygulamaları da gelişmiş bir termal yönetim gerektirmektedir. Genellikle, otomotiv dış aydınlatma sistemlerinde elektronik kart malzemesi olarak FR4 malzemesi kullanılmaktadır. FR4 malzemesinin sahip olduğu düşük termal iletkenlik katsayısı sebebiyle elektronik kartlar üzerinde çeşitli bölgelerde kritik ısı yoğunlukları oluşmaktadır ve LED ve elektronikler yüksek miktarda ısı akısı yaymaktadırlar. Otomotiv dış aydınlatma sistemleri pozisyon, sinyal ve stop fonksiyonlarını gerçekleştirmek ile sorumludur. Her bir fonksiyon için LED'ler farklı güç değerlerinde sürülürler. Bazı durumlarda, bu üç fonksiyon simultane olarak çalışır. Bu durum komponentlerin ısı akısını daha da kritik hale getirir. Dolayısıyla bu çalışmada, geliştirilmiş bir ısı dağıtıcı elektronik kart tabanı, FR4 ve Alüminyum elektronik kartlar ile karşılaştırılarak analiz edilmiştir. Lokal ısı yoğunluklarının tespit edilmesi amacı ile infrared termografi metodu kullanılmıştır. Ayrıca, LED kartlarının optik performans analizleri de gerçekleştirilmiştir. Bunun yanı sıra, deneysel sonuçları doğrulamak amacı ile hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) çalışması gerçekleştirilmiştir. Deneysel dataya göre, geliştirilmiş ısı dağıtıcı kart ile Alüminyum karta göre %7.4, FR4 karta göre %25.8 gelişim elde edilmiştir. Ayrıca, geliştirilmiş ısı dağıtıcı kart sayesinde efikasite değeri FR4 karta göre %25.9 arttırılmıştır. Baskılı devre kartının ısıl dağıtım kapasitesini arttırmak termal yönetimi geliştirmenin bir başka yoludur. Bunun için elektronik kart malzemesi olarak birçok farklı malzeme çeşidi denenmiştir. Bu çalışmada, termal sorunları gidermek amacı ile çok katmanlı seramik esnek baskılı elektronik kart, FR4 esnek baskılı elektronik karta alternatif olarak deneysel ve sayısal olarak analiz edilmiştir. Seramik kart yerine FR4 kart kullanıldığında termal performansın %36.5 düştüğü saptanırken, ışınım akısının ve ışık akısının sırasıyla %13.3 ve %14.6 azaldığı belirlenmiştir. Ayrıca, LED'lerin fotometrik, elektriksel ve termal özellikleri arasında güçlü bir bağ vardır. Bu nedenle, bir aydınlatma sistemi tasarlanırken tüm bu özelliklere dikkat edilmelidir. Dolayısıyla, bu çalışmanın bir amacı da fotometrik, elektriksel ve termal parametreler arasındaki ilişkiyi saptamaktır ce FR4 kart bu doğrultuda analiz edilmiştir. Bir diğer yandan, son yıllarda, en az 500 milyar cihazın kullanacağı Nesnelerin İnterneti birçok uygulama için büyük bir potansiyel oluşturmaktadır. Ayrıca, otomobiller halihazırda sahip oldukları elektronik sistemlerden dolayı Nesnelerin İnterneti uygulamaları için potansiyel bir platform olarak görülmektedir. Bu sebeple, bu çalışma, Nesnelerin İnterneti uygulamaları için otomotiv aydınlatmasında kullanılan bir elektronik LED kart potansiyel bir aday olarak analiz edilmiştir. Sonrasında, hesaplamalı akışkanlar mekaniği modeli, elektronik komponentlere %25, %50 ve %70 daha fazla güç verilerek Nesnelerin İnterneti uygulamalarının sonucunda oluşabilecek güç gereksinimi artışlarını simule edebilmek amacıyla analiz edilmiştir. Elektroniklerin güç tüketimi %70 arttırıldığında, maksimum elektronik komponent sıcaklığının %38.4, maksimum amber LED sıcaklığının %12.5 ve maksimum kırmızı LED sıcaklığının %11.2 arttığı gözlemlenmiştir. Dolayısıyla, ileride kullanılabilecek elektronik sistemler için FR4 malzemesinin kart malzemesi olarak kullanılmasının mümkün olmadığı saptanmıştır. Geliştirilmiş ısı dağıtıcı kart tabakasının yeni jenerasyon akıllı sistemlerde kullanılabilecek potansiyel bir kart tipi olduğu analiz edilmiştir.