LED-urile au revoluționat iluminarea modernă. În vreme ce numai acum câțiva ani tehnologiile cu fluorescență și halogenuri metalice erau încă prezențe uzuale în birouri și pe străzi, fiind, de asemenea, utilizate și ca iluminare de fond pentru ecranele calculatoarelor, astăzi lumea noastră este aproape complet iluminată de emițătoare cu semiconductoare. De la clădiri la drumuri și până la dispozitive portabile, LED-urile sunt peste tot – și pentru un bun motiv. Ele operează cu temperaturi mai mici, utilizează mai puțină energie și sunt adesea mai strălucitoare decât tehnologiile de iluminare convenționale pe care le înlocuiesc.
Chiar și astăzi, tehnologia de iluminare cu LED-uri trece încă prin îmbunătățiri. Inovații precum cip pe placă (CoB) și conectare de tip flip chip au permis LED-urilor să ofere un randament chiar și mai mare, precum și o durată de viață mai ridicată. Acum producătorii vorbesc despre ajungerea la următorul nivel, odată cu încapsularea la nivel de cip (CSP). Prin prinderea LED-ului încă din faza de turnare, amprenta acestuia este minimizată, reducând resursele necesare și îmbunătățind eficiența termică.
Figura 1: Acest LED de la Kingbright ilustrează factorul de formă tipic al unui LED DIP.
De la DIP la SMD
Pentru a înțelege eficiența LED-urilor CSP, este nevoie de a avea cunoștințele de bază asupra evoluției încapsulării LED-urilor. Inventate în anii 1960, LED-urile originale erau realizate în capsulă de tip DIP (dual in-line). Constând dintr-o plăcuță de siliciu emițătoare închisă într-un bulb din plastic, cu două fire lungi ce ieșeau în afară, aceste dispozitive optoelectronice simple au fost alături de noi timp de decenii, deoarece erau ușor de utilizat și rezistente, motiv pentru care sunt încă implicate în aplicații precum iluminare stradală, precum și pentru electronica DIY.
Totuși, grosimea factorului de formă DIP, înseamnă că ceva trebuia să se schimbe. Dispozitivele cu montare pe suprafață (SMD), au înlocuit firele lungi ce au caracterizat componentele cu montare prin găuri, precum LED-urile DIP. În schimb, LED-urile SMD erau plasate direct pe PCB și apoi lipite pentru a oferi conexiune electrică și fizică. Abordarea cu montare pe suprafață a oferit o serie întreagă de avantaje pentru LED-uri. Prin eliminarea capsulei din plastic, groase și izolatoare termic și fiind mai aproape de PCB, LED-urile SMD aveau o disipare termică mai bună prin comparație cu echivalentele lor DIP. Acest lucru a condus la o îmbunătățire a caracteristicilor termice, permițând LED-urilor SMD să fie comandate la curenți mai mari (rezultând o strălucire de ieșire mai mare), dar menținând durata de viață extinsă. Acolo unde LED-urile DIP aveau o lungime de câțiva cm pentru a permite ajustarea terminalelor de prindere prin găuri, LED-urile SMD moderne ajung până la 1mm2. Dimensiunea compactă a acestor LED-uri SMD a permis ca mai multe LED-uri să fie încapsulate într-un spațiu restrâns, pentru a crea o aproximare a unei surse punctuale de lumină. Aceasta înseamnă că performanțele corpurilor de iluminat pot fi reglate prin alegerea tipului și cantității LED-urilor SMD utilizate.
Figura 2: LED-urile Philips CoB combină un mare număr de LED-uri, într-un singur modul ușor de integrat.
Tehnologia CoB LED
LED-urile SMD au reprezentat o bună îmbunătățire a LED-urilor DIP în termeni de dimensiune, densitate și eficiență, dar încă nu s-au dovedit a fi ideale. Încapsulate individual, LED-urile SMD sunt relativ solicitante când este vorba despre instalat într-un corp de iluminat. Fiecare LED SMD necesită propria sa conexiune de lipire la placa de circuit, și are propriul său circuit. În final, consistența culorii între LED-uri SMD individuale în cadrul unui corp de iluminat poate fi o provocare. LED-urile CoB au reprezentat o dezvoltare ulterioară, care s-a dorit să răspundă tuturor problemelor anterior menționate. În loc de a avea dispozitive LED SMD încapsulate individual, care să trebuiască apoi prinse pe PCB unul câte unul, LED-urile CoB au numeroase LED-uri integrate pe un singur modul încapsulat, gata de a fi instalat și comandat ca o singură unitate.
Fiecare LED CoB va avea numeroase plăcuțe LED mici, adesea de la zeci la chiar sute. Aceste plăcuțe sunt conectate direct la nivel de substrat și sunt apoi uzual acoperite cu un strat fosforos, creând o singură suprafață de iluminare, în loc de mai multe surse punctiforme, precum în cazul LED-urilor SMD. Deoarece plăcuțele de pe un CoB sunt în același strat, culoarea luminii este mult mai consistentă față de cazul utilizării unor LED-uri SMD multiple. Deoarece plăcuțele de siliciu sunt montate direct pe substrat, în loc să fie separate prin încapsulare adițională, disiparea căldurii este, de asemenea, îmbunătățită. Cu toate acestea, LED-urile CoB pot încă genera o căldură semnificativă dacă trebuie să opereze mai multe LED-uri într-o suprafață redusă. În funcție de aplicație, ar putea fi necesare radiatoare.
LED-urile CoB simplifică substanțial proiectele și fabricația de dispozitive de iluminare cu LED-uri, deoarece nu este nevoie ca LED-uri individuale să fie lipite și comandate printr-un PCB particularizat. În schimb, LED-urile CoB sunt comandate ca modul complet. Adesea, pentru crea un corp de iluminare, nu este nevoie decât de LED CoB, driver LED, radiator, carcasă și lentile. Nu mai sunt necesare cuptoare de recristalizare și capabilități de fabricație PCB.
Toate acestea însemnă că LED-urile CoB sunt capabile să furnizeze randament ridicat, cost redus și chiar să distribuie uniform lumină pentru aplicații ce utilizau LED-uri multiple SMD.
Figura 3: FlipChip White de la Lumileds combină tehnologia cu cip răsturnat cu încapsularea CSP pentru a maximiza suprafața de iluminare, minimizând amprenta LED-ului.
Încapsulare cu cip răsturnat (Flip Chip)
Cipul răsturnat (Flip chip) reprezintă un nou tip de încapsulare, care îmbunătățește eficiența termică și performanțele optice oferite de LED-urile CoB. În cazul unui LED CoB tradițional, cipul LED este atașat la substrat utilizând epoxy, cu electrozii pe partea de deasupra. Acești electrozi sunt apoi lipiți cu fire la substrat. Având partea emițătoare a luminii aproape de partea de jos, iar conexiunile electrice pe partea de sus, performanțele de iluminare și disiparea de căldură sunt îngreunate – după cum firele creează umbre, în vreme ce legătura epoxy între cipul LED-ului și substrat obstrucționează buna conductivitate termică. În schimb, în cazul unui LED cu cip răsturnat, stratul emițător de lumină este poziționat pentru a maximiza ieșirea luminoasă.
În loc de a fi în partea superioară, electrozii sunt dispuși în partea inferioară, lipiți direct pe substrat, eliminând astfel necesitatea de a avea fire și rezultând, evident, dispariția umbrelor. De vreme ce stratul epoxy nu mai este necesar, LED-ul are, de asemenea, o mai bună interfață termică la substrat pentru a crește disiparea de căldură.
În cazul LED-urilor flip chip, eliminarea necesității unei lipiri cu rășină epoxidică și a firelor conduce, la o reducere a costului, dar și la o fabricație îmbunătățită (cu productivitate mai bună) și siguranță funcțională mai ridicată – pașii sunt mai puțini și este necesar mai puțin material, plus că produsul final este mai robust cu privire la șocuri și vibrații. În același timp, performanțele termice îmbunătățite permit LED-urilor CoB cu cip răsturnat să fie mai eficiente decât în cazul LED-urilor CoB uzuale.
LED-uri CSP
LED-urile CSP pornesc de la ideea de reducere chiar și mai mare a capsulei LED-ului. Uzual, o plăcuță LED este tăiată dintr-un disc de siliciu, iar apoi încapsulată într-un pas ulterior. În cazul unui LED CSP, încapsularea este realizată de la nivelul discului de siliciu, înainte chiar ca acesta să fie tăiat. Prin încapsulare, emițătorul LED este realizat la nivelul discului, dispozitivul LED final fiind capabil de a avea aceeași dimensiune ca aceea a plăcuței în sine. Terminalele de interconectare sunt create la pas standard utilizat pentru alte emițătoare SMD. Minimizarea dimensiunilor LED-urilor permite cheltuieli de fabricație mai mici, performanțe optice mai bune, conductivitate termică îmbunătățită și o amprentă globală mai mică a LED-ului.
Atunci când sunt utilizate în locul LED-urilor tradiționale SMD, LED-urile CSP dispun de o suprafață de iluminare mai mare pentru aceeași suprafață PCB. Performanțele operaționale sunt îmbunătățite, deoarece lumina este emisă de cinci laturi ale cipului, în loc de doar partea superioară. Suplimentar, încapsularea minimalistă permite creșterea conductivității termice în cazul acestor dispozitive. Rezistența termică mai scăzută înseamnă că LED-urile CSP pot fi comandate la curenți mai ridicați față de alte tipuri de încapsulare, îmbunătățind performanțele de iluminare, fără impact asupra duratei de viață.
Viitorul iluminării cu LED-uri
După cât de strălucitoare este lumina LED-urilor de astăzi, viitorul arată chiar și mai strălucitor. Implementarea tehnologiei LED CoB a redus puternic costul creării de dispozitive de iluminare cu LED-uri moderne și eficiente energetic. Prin integrarea mai multor LED-uri pe o singură placă, LED-urile CoB oferă o lumină LED de înaltă performanță, care nu este numai eficientă energetic, dar este și ușor de integrat. Creșterea performanțelor iluminării cu LED-uri nu arată niciun semn de încetinire, de vreme ce noi tehnologii precum cea cu cip răsturnat și CSP continuă să se dezvolte – stabilind noi limite în ceea ce privește randamentul energetic și calitatea luminii, reducând costurile prin minimizarea încapsulării.
Autor:
Mark Patrick
Mouser Electronics | www.mouser.com