Wszystkie popularne obecnie diody LED dużej mocy składają się z trzech podstawowych elementów:
- Podłoża ceramicznego, zazwyczaj wykonanego z tlenku aluminium (tzw. aluminy) lub z azotku aluminium.
- Układu scalonego LED, złożonego z kości i pokrycia fosforowego, które jest umieszczone na podłożu.
- Wypukłej soczewki krzemowej (kopułki), która otacza układ LED.
Przykładem takiego rozwiązania może być dioda LED wysokiej mocy 219C firmy Nichia, zaprezentowana na obrazku 1. Diody różnych producentów nie są identyczne, różnice można znaleźć nawet między rodzinami oferowanymi przez jednego producenta. Jednak podstawowe rozwiązanie konstrukcyjne jest stosowane niemal powszechnie, ponieważ zapewnia kilka zalet:
- Podłoże ceramiczne jest wytrzymałe i wystarczająco duże, aby można było łatwo nim manipulować podczas procesu produkcji. Można je zamontować na płytce PCB modułu oświetleniowego w procesie standardowego montażu powierzchniowego.
- Podłoże może zmieścić też diodę Zenera chroniącą LED przed wyładowaniami elektrostatycznymi, które mogą wystąpić podczas produkcji urządzenia w fabryce.
- Soczewka chroni zarówno układ scalony, jak i łączące przewody.
- Soczewka stanowi adapter współczynnika załamania, przez co maksymalizuje ekstrakcję światła z kości.
- Większe podłoża ceramiczne mogą zawierać wiele układów LED, dostarczając większą moc w jednej obudowie.
Dostawcy OEM, którzy wykorzystują diody LED dużej mocy, znają jednak kilka wad układów tego typu. Podłoże zajmuje stosunkowo dużą powierzchnię płytki – znacznie większą, niż sam układ scalony. Ponadto efekt powiększenia soczewek sprawia, że źródło światła wydaje się większe, niż jest w rzeczywistości.
Co gorsza, koszt produkcji obudów umieszczonych w złożonych konfiguracjach sprawia, że cena jednostkowa diod dużej mocy jest wyższa, niż diod LED innych rodzajów.
CSP: mniejsze i tańsze źródło światła
Wprowadzenie diod LED w obudowach scalonych (CSP – Chip Scale Package) miało na celu ominięcie ograniczeń, które powstrzymywały wykorzystanie diod dużej mocy w niektórych zastosowaniach.
Podstawowym założeniem projektu LED CSP było usunięcie tak wielu elementów obudowy występujących w diodach LED wysokiej mocy, jak to możliwe – w celu zmniejszenia wymiarów układu i obniżenia kosztów produkcji. Aby zrealizować ten cel, producenci LED wykorzystali rozwiązania stosowane w komponentach półprzewodnikowych od ponad 20 lat – uzyskując mniejsze i tańsze diody w ten sam sposób, w jaki dotychczas tworzone były dyskretne diody, tranzystory i układy scalone.
Dioda LED typu CSP składa się z kości LED – warstwy epitaksjalnej na podłożu szafirowym oraz osłony krzemowej lub fosforowej. To eliminuje z konstrukcji diody mocy podłoże ceramiczne i krzemową soczewkę. Dzięki temu dioda CSP uzyskuje kompaktowe wymiary niewiele większe od samej kości LED, a źródło światła wydaje się mniejsze, ponieważ sam element nie zawiera soczewki powiększającej. Dzięki temu diody LED CSP cechują się wyższą luminancją i są tańsze w produkcji.
Jednak te zalety są okupione pewnymi wadami. Montaż małych diod LED CSP na płytce PCB wymaga dokładnego i ściśle kontrolowanego procesu. Również sama płytka PCB musi być precyzyjnie zaprojektowana i dokładnie wydrukowana, a ewentualny odbiór płytki od zewnętrznego dostawcy wymaga uważnego jej przetestowania.
Co więcej, diody LED CSP są zazwyczaj bardziej wrażliwe od diod dużej mocy. Nie stanowi to problemu, jeśli w fabryce zastosowano środki zabezpieczające przed wyładowaniami elektrostatycznymi. Tym niemniej obudowa CSP jest bardziej wrażliwa na nieostrożną obróbkę materiałów.
Wybór diody CSP ma również wpływ na parametry optyczne modułu oświetleniowego. Oczywiście,projektanci układów optycznych uznają małe wymiary i wysoką luminancję za pożądane atrybuty. Jednak kształt wiązki promieniowania konwencjonalnych diod LED CSP nie jest już tak korzystny. Część światła jest emitowana poza użyteczną wiązką, potencjalnie prowadzając do utraty mocy optycznej.
Gdy diody CSP są montowane w gęstych strukturach, emisja boczna może doprowadzić do dalszych strat mocy optycznej na skutek przesłaniania. Co gorsza, może ona również wywołać przesłuchy. Dzieje się tak, gdy sąsiednie diody LED absorbują nawzajem swoje światło, co prowadzi do zmiany koloru.
Ostatnią wadą jest niekompatybilność diod CSP z większością istniejących układów optycznych.
Nowe diody LED DMC oferują inne właściwości optyczne
Niedawno firma Nichia, zajmująca się produkcją diod LED, wprowadziła nową generację układów w obudowach DMC (Direct Mountable Chip), które eliminują wady wcześniejszych produktów CSP.
Diody LED DMC firmy Nichia zawierają specjalną ściankę odbijającą światło, która zatrzymuje je na krawędzi kości i kieruje je do przodu, co pokazuje obrazek 2.
Innowacyjny projekt układów Nichia DMC eliminuje emisję boczną. (źródło: Nichia)
Takie rozwiązanie ma dwie istotne zalety. Pierwszą jest znacznie poprawiona ekstrakcja z układu LED. Zmniejszenie strat optycznych pozwala diodom DMC uzyskać wysoką sprawność lm/W w porównaniu do tradycyjnych diod CSP. Diody LED DMC firmy Nichia oferują typową sprawność niższą tylko o 7% w stosunku do diod wysokiej mocy wyposażonych w kopułkę.
Drugą zaletą eliminacji emisji bocznej jest możliwość montażu diod DMC w ciasnych strukturach, bez ryzyka przesłaniania lub przesłuchów. Straty wynikające z takich przesłuchów obniżają natężenie strumienia światła oraz sprawność, co pokazuje obrazek 3.
Nawet w przypadku ciasnego upakowania diody DMC utrzymują natężenie strumienia bez prawie żadnych strat optycznych. (źródło: Nichia)
Przesuniecie koloru, które występuje w tradycyjnych diodach LED CSP, zostało przedstawione na obrazku 4. Widać na nim wyraźnie, że im ciaśniej upakowane są diody LED, tym bardziej barwa światła całego modułu odbiega od wartości nominalnej pojedynczych diod LED. Natomiast diody DMC firmy Nichia zachowują stałą chromatyczność niezależnie od odstępów.
W konwencjonalnych diodach LED CSP występuje przesunięcie koloru, jeśli zostaną one umieszczone w ciasno upakowanych matrycach. (źródło: Nichia)
Z powyższych powodów diody DMC uzyskują lepszą chromatyczność i sprawność w stosunku do tradycyjnych diod CSP. Jednak, podobnie jak konwencjonalne układy CSP, są też mniejsze w stosunku do diod LED wysokiej mocy z obudowami. Obrazek 5. przedstawia znaczne zmniejszenie rozmiaru zewnętrznych soczewek w przypadku diody LED DMC, zarówno ze względu na mniejsze wymiary samego układu, jak i wyższą luminancję.
Diody LED DMC potrzebują mniejszych zewnętrznych układów optycznych w stosunku do konwencjonalnych diod z kopułką. (źródło: Nichia)
Sposoby umieszczenia diod LED DMC w systemach oświetlenia
Producenci oświetlenia mogą w różny sposób skorzystać z atrakcyjnych cech oferowanych przez nowy rodzaj obudów LED firmy Nichia.
Użytkownicy tradycyjnych rozwiązań oświetleniowych będą mogli zaobserwować powstawanie nowych produktów, które zaoferują znaczny wzrost gęstości światła, co przełoży się na mniejszy koszt systemu. Na przykład firma Rena wykorzystuje diody DMC do produkcji modułów świateł ulicznych o dwukrotnie większej gęstości. Są one kompatybilne z formatem proponowanym przez konsorcjum Zhaga i można je zobaczyć na obrazku 6.
Moduły świateł ulicznych firmy Rena – standardowe (na górze) i podwójnej gęstości (na dole). (źródło: Rena)
Moduły Rena wyróżniają się bardzo korzystnymi właściwościami termicznymi – jest to istotna cecha systemu oświetlenia opartego na diodach DMC, który mieści wiele diod LED na małej powierzchni. Oferują one ponadto aktywne sprzężenie zwrotne, które na podstawie temperatury kontroluje sterownik LED.
Innym sposobem na wykorzystanie diod DMC jest utworzenie matrycy dużej gęstości, w których odstęp między diodami dochodzi do 200 um. Jest to znakomite rozwiązanie, gdy zastosowanie wymaga małego źródła o dużej luminancji, lub też kształt elementu oświetleniowego trudno jest uzyskać z użyciem konwencjonalnych obudów LED – przykład jest widoczny na obrazku 7.
Diody DMC firmy Nichia można ciasno umieścić w matrycy, zapewniając bardzo wysoką luminancję. (źródło: Rena)
Jeszcze jednym zastosowaniem diod LED Nichia są regulowane źródła światła białego. Wykorzystują one matrycę diod LED o różnych temperaturach barwowych. Niezależnie od wybranego poziomu natężenia, powierzchnia zajmowana przez regulowane źródło będzie większa od powierzchni źródła o stałej temperaturze barwowej, ponieważ w przypadku źródła o stałej temperaturze barwowej wszystkie diody świecą z maksymalną mocą przez cały czas.
W takim przypadku małe rozmiary diod DMC pozwalają gęsto upakować je w matrycy. Dzięki temu dostawcy OEM są w stanie uzyskać gęstość światła porównywalną z systemami LED typu CoB (Chip-on-Board). Rozwiązanie takie pokazano na obrazku 8.
68 diod DMC E21A umieszczonych w odstępach poniżej 0,3 mm na powierzchni świecącej o średnicy 20 mm generują światło o natężeniu strumienia 10 klm. Ten układ regulowanego światła białego ma wysoki współczynnik CRI, znakomitą jednorodność barwy oraz stabilność koloru niezależnie od kąta. (źródło: Rena)
Nowe możliwości dla dostawców oświetlenia
Diody LED w obudowach CSP dały projektantom półprzewodnikowych urządzeń oświetleniowych nowe możliwości. Wprowadzenie technologii DMC opracowanej przez firmę Nichia dodatkowo pomaga przezwyciężyć najpoważniejsze ograniczenia diod CSP.
Future Lighting Solutions i partnerzy przemysłowi zainwestowali w technologię, dzięki której dostawcy oświetlenia OEM będą mogli natychmiast wykorzystać zalety produktów LED DMC firmy Nichia, jednocześnie ograniczając ryzyko projektowe i przyspieszając wprowadzenie produktu na rynek.
