Светодиодная лампа на технологии cob. SMD, Cob, SuperFlux - краткая информация и сравнение. Параметры и характеристики

Технология COB (Chip On Board) добралась и до светодиодов. Метод, при котором чип монтируют непосредственно на плате, давно используется в штамповке унифицированных электронных плат и зарекомендовал себя чрезвычайной надёжностью и миниатюрностью. Его появление внесло новизну в развивающийся светодиодный мир, позволило заглянуть за горизонт возможностей полупроводниковых компонентов.

Суть технологии

Идея размещения множества кристаллов светодиодов на плате в одном корпусе, возникла в результате неудачных попыток повысить светоотдачу и одновременно получить рассеянный свет от группы мощных светоизлучающих SMD элементов. Мощные SMD светодиоды нуждаются в сложной системе охлаждения, что влечет за собой значительное повышение стоимости конечного изделия.

Ученые отказались от увеличения мощности одного кристалла и начать эксперименты по увеличению и минимизации чипов светодиодов в одном корпусе. Результатом опытов стала технология COB, которая подразумевает монтаж множества мельчайших чипов, включенных последовательно-параллельно, на общее основание. Печатная плата, как правило, изготавливается на металлической основе (Metal Core Printed Circuit Board, MCPCB) и состоит из трех основных слоев – самой металлической основы, диэлектрика и токопроводящего слоя. Основу изготавливают из металлических сплавов с высокой теплопроводностью. Таким образом MCPCB выполняет роль не только материнской платы, но и является хорошим теплопроводом. На MCPCB чипы светодиодов крепятся при помощи адгезива, затем соединяются между собой и покрывают единым слоем люминофора.

Полученная COB матрица испускает равномерно рассеянный свет, не перегревается (при должном теплоотводе) и не требует сложных оптических систем. С помощью COB технологии можно изготавливать матрицы абсолютно любой геометрической формы с малой себестоимостью, чего нельзя было достичь ранее известными способами.

Еще пару слов о производстве

Изготовление COB матрицы начинается с подготовки подложки, на рабочую поверхность которой наносят тонкий слой адгезива. Требования к толщине слоя адгезива очень высокие. С одной стороны он должен обеспечить надёжный контакт с LED кристаллами микроскопических размеров, а с другой – гарантировать равномерный отвод тепла.

Ученым удалось достичь равномерного распределения вещества с высокой адгезией по поверхности основания, применив метод магнетронного распыления. В результате тепловой контакт между чипом и основанием стал более совершенным, а технологию стали именовать MCOB (Multi Chip-on-Board).

В научной литературе понятия COB и MCOB зачастую имеют один общий смысл.

На подготовленную основу будущего COB светодиода устанавливают чипы и методом плазменной очистки удаляют мельчайшие частички мусора. Затем производят электрическое соединение светодиодов и, в конце, наносят слой жидкого люминофора. После затвердевания он не только не пропускает ультрафиолет, но и защищает элементы платы от внешнего воздействия.

Отличительные характеристики COB

Наравне с другими типами светодиодов, COB матрицы имеют свои «светлые и темные стороны», о которых стоит упомянуть. Первый плюс в пользу COB – это форма матрицы, которую можно изготовить круглой, квадратной, с технологическими отверстиями… В общем, любой. Это позволяет дублировать размеры практически любого источника искусственного света и подстраиваться под нужную форму. Второй положительный аспект – качество излучаемого света. Предметы, освещаемые COB светильниками, имеют чёткую теневую границу за счет равномерного распределения светового потока. Лампы на SMD светодиодах не могут похвастаться такой контрастностью из-за отдельно расположенных кристаллов и отражателей.

Нельзя пройти мимо энергетических показателей. Мощность одной COB матрицы зависит от её геометрии, количества кристаллов и совершенства применяемой технологии изготовления. Стоит отметить высокую светоотдачу COB матриц. Например, наиболее технологически совершенная, массово производимая COB матрица CXB1820 от компании Cree, имеет светоотдачу в 166 лм/Вт.

Недостатком COB технологии можно назвать не ремонтопригодность матрицы в случае частичного или полного выхода из строя отдельных чипов.

О продукции

В экономически развитых странах COB светильники уже доказывают своё превосходство на практике. Не дожидаясь совершенствования технологического процесса и снижения себестоимости COB матриц, швейцарцы активно переоборудуют уличные фонари и рекламные вывески под новую технологию. В крупных универмагах и мелких магазинах на смену люминесцентным лампам пришли светодиоды. Такое активное внедрение энергосберегающих технологий объясняется желанием богатой Швейцарии в ближайшие 20 лет полностью отказаться от атомных электростанций.

В других странах Еврозоны светодиодные источники света также превалируют над люминесцентными, за счет государственной поддержки и рекламных акций. На российском рынке выпуск мощных светоизлучающих диодов COB наладила компания «Оптоган». Сегодня компанией «Оптоган» наиболее совершенная линейка COB светодиодных матриц представлена серией OCC. Каждая COB матрица может иметь определённую температуру цвета (тёплую, нормальную, дневную или холодную) с четким указанием бина яркости. Более подробную информацию можно найти в спецификации.

Filament LED и лампы на их основе

Светодиодные нити (filament LED) являются модифицированной версией COB матриц. Несмотря на то что COB и filament основаны на общей технологической базе, они имеют явные конструктивные отличия. В светодиодных нитях кристаллы наносят не на металлическую пластину, а, как правило, по окружности стеклянного стержня. Поэтому технологию часто называют сокращенно COG (Chip-on-Glass).

Практическое применение светодиодных нитей продиктовано необходимостью создания экономичных осветительных приборов, максимально схожих с лампами накаливания. Вместо нити накала в стандартный корпус Е14, Е27 со стеклянной колбой встраивают несколько filament стержней, а в цоколе монтируют миниатюрный драйвер. Функцию радиатора выполняет тонкое стекло колбы и газ, которым она заполнена. Конечно, конусное расположение филаментов внутри колбы не позволяет полностью имитировать нить накала, но вся конструкция в целом сохраняет эстетические свойства своего предшественника. Кроме этого, такая разновидность COB технологии дала жизнь новому подвиду светодиодных ламп.

Готовые светодиодные светильники, прожекторы и просто лампы, сконструированные по COB технологии, только берут разбег в гонке, в то время, когда аналогичная SMD продукция уже мчится на большой скорости. Этот факт хорошо заметен в розничной торговле, где по-прежнему преобладают дешёвые лампочки на SMD светодиодах. Но это только начало. Пройдет немного времени и люди достойно оценят преимущества COB технологии, что непременно отразится на спросе продукции на основе технологии Chip On Board.

Читайте так же

Основным направлением светотехники является внедрение светодиодов в светильники всех мастей и видов. Но необходимо отметить, что единого направления данного развития нет. Сегодня кроме известных LED светильников на рынок поступают и так называемые COB светильники, в основе которых лежат более мощные светодиоды. Светодиодные лампы COB (Chip-on-Board) – это по сути, все те же светодиодные источники света, с помощью которых все хотят сэкономить потребление электроэнергии. Но среди специалистов до сих пор бушуют споры, в которых стороны никак не договорятся, как правильно выбирать.

Считается, что в современной светотехники до 2009 года было всего лишь одно направление развития – это увеличение мощности свечения диодов. И тогда, и сегодня это направление называют Power LED (мощный светодиод). Ученым удалось добиться значительных результатов – на свет появились светодиоды мощностью до 10 Вт. Хотя востребованными так и остались 3-6 ваттные приборы.

В чем же суть концепции Power LED? В принципе, все достаточно просто – снизить стоимость источников света. Считалось, что увеличение мощности, а соответственно и яркости, позволит уменьшить количество светодиодов. Но на самом деле всего этого не произошло. Стоимость светильников Power LED так и не снизилась, да и светоотдача повысилась ненамного. Почему так произошло?

• Причина первая – светодиод является и всегда был точечным источником света. Но для основных условий эксплуатации любого светильника необходим рассеивающий свет. Поэтому диодные лампы для дома обеспечивались специальными оптическими системами. Без них источник света излучал яркость большой мощности, к тому же поток был ослепляющий. Но тут есть еще два фактора: во-первых, сами оптические системы стоили дорого, во-вторых, через них сам светильник терял определенное количество яркости (до 35%).
• Причина вторая – сборка светодиодных ламп на COB диодах включает в себя достаточно большой объем ручного труда. Так что и здесь расходы сильно влияли на себестоимость изделия.

Прорыв

С 2009 года появились SMD диоды, мощность которых составляет 0,01-0,2 ватта. Состоят светодиоды данного типа из 1-3 кристаллов, которые приклеивались к керамической квадратной основе размерами от 1,4 до 6 мм. И каждый точечный диод покрыт сверху люминофором. Самое главное, что соединение светодиодов с плато происходит методом пайки. А, значит, весь технологический процесс можно полностью автоматизировать, избежав дорогого ручного труда.

Но и это еще не все.

• SMD диоды маломощные, для одного светильника приходится устанавливать их в большом количестве (до 700 штук). А это стопроцентный рассеивающий свет. То есть, нет необходимости использовать дорогие и сложные оптические системы. Оптимальный вариант – плафон из обычного стекла, у которого светопотери составляют всего лишь 8%.
• Светодиоды располагаются на плато через определенные промежутки, которые в несколько раз превышают размеры самих кристаллов. Поэтому так хорошо видны сами диоды по отдельности, а не в общей массе. К тому же есть возможность увеличить оптимальное свечение в комнатах, где стоит компьютер. Можно просто установить светильники с молочными светодиодами.

Единственный минус SMD светильников – низкая их ремонтопригодность. Разобрать и перепаять сгоревший диод вручную практически невозможно. Так что лучше, если заменить полностью светильник новым. Обойдется это недорого.

Прорыв продолжается

Итак, возвращаемся к теме «диодная лампа COB». Никто не собирался отказываться от этих светодиодов, просто пришла необходимость видоизменить сам светильник, сделав его недорогим. Вариантов изменения конструкции было несколько, но оптимальным оказался один.

• Во-первых, отказались от керамических подложек. То есть кристаллы стали устанавливать на плато напрямую.
• Во-вторых, все кристаллы покрывались единым слоем люминофора. Поэтому светильник светится равномерно без видимых отдельных светящихся точек.

И вот тут COB матрицы стали выигрывать перед SMD матрицами. В схемах светодиодных ламп на 220 В помешалось до 70 кристаллов на один квадратный сантиметр. То есть, светильник становится в разы меньше, но его яркость не уступала другим моделям. В конце концов появилась возможность использовать в источниках света данного типа и отражатели, и рассеиватели, которые устанавливаются на традиционных лампах.

Процесс производства

COB матрицы изготавливаются в несколько автоматизированных этапов.

• На подложку наносится клеевой состав, который обеспечит высокие адгезионные качестве.
• Монтаж кристаллов.
• Затвердение клея.
• Чистка матрицы плазменной технологией.
• Пайка кристаллов с плато.
• Нанесение люминофора.

Внимание! В данной технологии люминофор смешивается с силиконом. Последний обеспечивает полную герметичность световой конструкции.

Самая сложная технологическая операция, которую до недавнего времени невозможно было реализовать, это нанесение тонкого адгезионного слоя. Все дело в том, что слой клея должен быть определенной толщины. Если он будет тонким, то кристаллы в процессе эксплуатации начнут отклеиваться. Если будет слишком толстым, то уменьшится тепловая отдача кристаллов на подложку. Эту проблему решили китайцы, которые предложили использовать метод магнетронного напыления. Поэтому новые матрицы теперь носят название MCOB, то есть Multi Chip-on-Board, что в переводе означает «многочисленные кристаллы на плате». Правда, от этого устройство светодиодной лампы не изменилось. Именно эта технология позволяет в настоящее время производить светодиодные лампы больших мощностей.

Параметры и характеристики

Итак, технические характеристики. Современные COB светильники могут достигать мощности 100 Вт. При этом яркость свечения достигает до 150 Лм/Вт, что является даже очень приличным показателем.

Размеры матрицы (она может быть квадратной или круглой) от 1 до 3 см. Это для внутреннего применения. Для уличных светодиодных ламп используются диоды с размером матрицы 3×12 см. Срок службы светодиодных ламп с COB диодами составляет 300000 часов, более мощные аналоги служат до 500000 часов.

Некоторые специалисты, учитывая небольшой срок службы, говорят о низкой способности данного вида светильников. Но тут есть один нюанс. Проверка срока эксплуатации ламп проводилась в экстремальных условиях. После чего математическими исчислениями подвели итог, что они в непрерывном режиме проработают 6 лет. А за это время, наверняка, появятся новые осветительные приборы, более экономичные, надежные и яркие.

Внимание! Практически все производители дают гарантийный срок эксплуатации 200000 часов, в течение которого они готовы провести ремонт.

В принципе, технические характеристики говорят о том, что светодиодные лампы на сегодняшний день это самый экономичный вариант системы освещения в доме. Конечно, он и самый дорогой в плане первого взноса (цена). Но стоит на них обратить внимание, если перед потребителем стоит проблемы экономии.

Заключение по теме

Для многих, наверное, уже не секрет, что многие европейские страны хотят отказаться от электроэнергии, которая выработана на расщеплении урана. Атомные электростанции ненадежны. К примеру, Швейцария до 2036 года закроет все АЭС, хотя на них ложиться до 41% выработки электроэнергии. Поэтому европейцы большие деньги вкладывают в разработку новых энергоемких технологий, где светодиодное освещение находится в приоритете.

И последнее по данной теме. Многие потребители задаются вопросом, какие светодиодные лампы все-таки лучше, как правильно выбрать? Если вы прочитали статью, тогда должны понять, что в этом вопросе нет смысла.

1. Введение

Одновременно с совершенствованием технологии производства кремниевых пластин, увеличением надежности чипов и улучшением их теплоотводящих свойств, произошло невероятное уменьшение размеров полупроводниковых приборов. Японский производитель электроники Mitsubishi был первым, кто запустил технологию Chip-Scale Package (CSP) в 1994 году. Сейчас CSP компоненты являются стандартными. Однако до недавнего времени технология CSP не применялась для светодиодов из-за невозможности отвода тепла от столь крошечных устройств. Но увеличение эффективности и устойчивости к высоким температурам (что являлось проблемой для предыдущих поколений светодиодов) изменили ситуацию. И сейчас производители, например Nichia, Lumileds, Samsung и Toshiba, объявили о запуске серийного производства CSP светодиодов.
Рассмотрим, как происходило развитие технологии упаковки (корпусировки) светодиодов, какие возможности проектировщикам предоставляет CSP по созданию новых компактных форм-факторов, непрактичных с использованием светодиодов предыдущего поколения.

2. Развитие технологии упаковки

Закон Мура, который недавно отпраздновал свое 50-летие, гласит, что число транзисторов на чипе заданного размера удваивается каждые 18 месяцев, с улучшением методов изготовления. Однако из этого закона также следует, что каждые 18 месяцев чип с определенным числом транзисторов уменьшается в площади до половины его предыдущего размера. И такая миниатюризация компонентов - благо для проектировщиков, сталкивающихся с ограничениями пространства, наложенными при проектировании. Например, носимых устройств (гаджетов).

Но сокращения размеров в связи с технологическими усовершенствованиями оказались недостаточными, чтобы удовлетворять запросам на бóльшую миниатюризацию. Для дальнейшего сокращения размеров электронных компонентов производители чипов систематически модифицировали упаковку, убирая ее малополезные части. Первым главным достижением в этом направлении стали компоненты для поверхностного монтажа (SMD). SMD обходились без выводов, которые проходили через отверстия в печатной плате, обеспечивая компоненту крепление и электрическое соединение. Монтаж SMD компонентов осуществлялся непосредственно на поверхность печатной платы, путем оплавления паяльной пасты, что обеспечивало механическое и электрическое соединение с одновременным сбережением значительного свободного пространства.

Рис.1. Компоненты SMD обходятся без «выводов-через-отверстие» и установлены непосредственно на печатную плату

Затем, производители чипов пошли дальше, удаляя даже небольшое количество пластмассы из корпуса SMD. Вплоть до того, чтобы компоненты, поставляемые клиенту, были чуть больше, чем голый кремний.
Результаты такой оптимизации могут быть весьма существенными. Так, например, Nordic Semiconductor - производитель микросхем для беспроводных коммуникаций предлагает свои системы на чипе (SoC) в двух исполнениях. SoC в корпусе QFN для поверхностного монтажа занимает на печатной плате площадь 36 мм 2 , в то время как CSP версия занимает всего 9.6 мм 2 . Экономия площади - почти 76%.

Однако изготовить CPS версию обычной микросхемы не так просто. Производителям полупроводников потребовалось немало лет для совершенствования производственных процессов, прежде чем начать поставку кремниевых чипов, достаточно надежных для непосредственного монтажа на печатную плату и способных выдерживать нагрузки ежедневного использования.

Хотя (за отдельными исключениями) светодиоды не производятся на кремнии, а чаще всего представляют собой структуры на основе полупроводниковых нитридов (GaN и его твердые растворы), выращенные на подложке из сапфира (Al 2 O 3) или карбида кремния (SiC), они попадают под те же самые производственные процессы, которые привели к уменьшению размеров обычной электроники.

Высокая температура - основной фактор деградации светодиодов. Чем выше температура, тем короче срок службы. Однако за многие годы тестирования был накоплен большой объем данных, и все более очевидно, что каждое новое поколение полупроводниковых приборов становится более надежным, способным к более продолжительному сроку службы. Например, светодиоды, работавшие при очень высокой температуре перехода в 105°C, показывали полезный срок службы, превышающий 36 000 часов.

3. Меньше - значит лучше

Основное преимущество технологии CSP очевидно - она значительно сокращает размер упаковки (корпуса) светодиода (рис.2).

Рис.2. Эволюция светодиодов в уменьшении размеров до chip-scale package

Но также имеются и другие важные преимущества. Например, эти крошечные приборы твердотельного освещения (SSL) существенно дешевле в производстве, что позволяет клиентам значительно снизить издержки при производстве осветительного оборудования.

CSP светодиоды сформировали новую концепцию минимальной упаковки, представляющую реальный шаг в будущее, даже по сравнению с технологией flip-chip («перевернутый кристалл» - метод непосредственного монтажа кристаллов на печатные платы и другие подложки). Контактные площадки расположены на нижней поверхности CSP светодиода с шагом, совместимым со стандартным оборудованием SMD. Эта особенность покончила с потребностью производителей чипов в добавлении подложек, каких-либо оснований или любых других форм дополнительной упаковки.

Не существует четкого определения для CSP, но промышленность, в общем, считает что «chip-scale package LED» - любое устройство, равное по размеру или до 20 процентов большее активной области (области светового излучения светодиода).

Устройства такого размера предоставляют инженерам больше гибкости в дизайне. Например, они обеспечивают свободу изменения геометрии излучающей поверхности, уровня светимости светодиодов, позволяют уменьшить размер светильников.

Рис.3. Размеры контактных площадок CSP светодиода соответствуют стандартной технологии SMD монтажа

Сборочные производства также заинтересованы в использовании CSP с их контактными площадками со стандартным шагом (как анод, так и катод на основании светодиода), потому что они делают сборочный процесс проще и дешевле. Устройства могут быть установлены непосредственно на печатную плату, используя стандартное «pick-and-place» оборудование и нет никакой нужды в разварке дополнительных проводников, необходимых другим миниатюрным типам упаковки, таким как flip-chip. Кроме того, CSP светодиоды могут быть протестированы с использованием стандартного автоматического оборудования для тестирования (ATE).
Другое важное преимущество CSP - более низкое тепловое сопротивление, чем у обычных светодиодов. Например, SMD светодиод TL2F2 компании Toshiba имеет тепловое сопротивление упаковки 30 К/Вт (от перехода до площадки пайки). Для сравнения, светодиод серии TL1WK этой же компании (рис.4) доступен в формате CSP и имеет тепловое сопротивление 17 К/Вт (от перехода до площадки пайки). Уже анонсированы светодиоды CSP с тепловым сопротивлением ниже 5 К/Вт.

Рис.4. Светодиод TL1WK компании Toshiba обладает низким тепловым сопротивлением

Низкое тепловое сопротивление позволяет CSP светодиодам работать на более высоких токах, чем светодиоды в обычных корпусах, увеличивать яркость, без чрезмерного риска преждевременного отказа из-за перегрева. Из-за своих маленьких размеров CSP светодиоды излучают как точечный источник света, а не как более диффузный источник типа традиционных корпусных светодиодов. Это позволяет использовать в осветительных приборах линзы меньших размеров, снижая тем самым стоимость, а также применять более компактные форм-факторы, которые ранее были непрактичны. Другое, оптическое преимущество CSP вытекает из эмиссии света со всех пяти сторон чипа (обычный SMD корпус светодиода излучает лишь с верхней стороны), что повышает световой поток при заданном токе.

Запрос на повышение «плотности люмен», который частично диктовался потребностью в сокращении количества светодиодов для заданной светоотдачи (выхода света), в свою очередь урезающей материалы и затраты на сборку - вероятно будет катализатором вытеснения традиционных светодиодов технологией CSP. При этом эффект может оказаться значительным. Например, типичный светодиод мог бы иметь светоотдачу 120 лм от области светового излучения 12.25 мм 2 при плотности люмен (светимости) 9.8 лм/мм 2 . Для сравнения, светодиод CSP мог бы обеспечить светоотдачу 30 лм от области светового излучения 1 мм 2 , обеспечивая светимость 30 лм/мм 2 - втрое больше, чем от обычного светодиода.

Улучшенная светимость приводит к более компактным световым «движкам», включающим меньшее количество светодиодов в излучающей матрице. Что будет востребовано для производства стандартных, готовых к применению Chip-on-Board (CoB) модулей, которые упрощают дизайн новых продуктов освещения для инженеров, даже не являющихся специалистами в светотехнике.

4. Светодиоды CSP в продаже

Ведущие производители светодиодных чипов проявляют активность в сегменте CSP решений. Так, например, компания Samsung Electronics представила свое второе поколение светодиодов CSP в середине 2015 года. Приборы изготовлены по методу flip-chip с использованием синего эмиттера и люминофора (для получения белого света), нанесенного непосредственно на каждую грань кристалла, за исключением нижней поверхности.
По утверждению производителя, данные светодиоды дают 10-процентное улучшение эффективности и светового потока относительно предыдущего поколения. Компания предлагает как одночиповые светодиоды (рис. 5), так и CSP матрицы 2х2 или 3х3 светодиода. Матрицы имеют достаточно небольшие размеры, что позволяет использовать единственную линзу, в то время как светодиоды в обычных корпусах потребовали бы множество отдельных линз.

Рис.5. CSP светодиод компании Samsung LM101A имеет площадь 1.4 мм 2

Lumileds также выпускает собственные CSP светодиоды с размерами чипа 1х1 мм (LUXEON FlipChip White 05) и 1.4x1.4 мм (LUXEON FlipChip White 10). Последний обладает тепловым сопротивлением 2 К/Вт и обеспечивает эффективность до 141 лм/Вт (при 350 мА).

Nichia объявила весной 2015 года о коммерческом запуске Elemental LEDs (ELEDS) - flip-chip светодиодов, имеющих размер 1/9 от аналогичных по свойствам приборов предыдущего поколения. CSP светодиоды компании, позднее, получили серийное название Direct Mountable Chip (DMC) и доступны в двух версиях - площадью 1 мм 2 (NCSLE17AT 1717) и 2 мм 2 (NVSLE21AT 2121). Они являются эффективной по стоимости заменой обычных мощных (1-4 Вт) светодиодов и обладают эффективностью от 120 до 150 лм/Вт.

Toshiba вывела на рынок CSP светодиоды ранее упоминавшейся серии TL1WK. Устройство имеет размеры 0.65х0.65 мм (0.42 мм 2) и может работать на 180 мА без опасности перегрева, предоставляя проектировщику определенную свободу действий в пределах рекомендаций компании по тепловому дизайну.

Cree также разрабатывает CSP светодиоды, на сегодняшний день самая маленькая упаковка из коммерчески доступных - 1.6х1.6 мм (2.56 мм 2) серий XLamp XQ. Светодиоды основаны на технологии компании SC3, которая использует SiC (silicon-carbide) подложку.

Seoul Semiconductor, Epistar, Lextar и ряд других известных производителей уже имеют в своем портфеле CSP продукты. Причем, Epistar производит не только CSP светодиоды, но и модули на их основе (рис. 6), в диапазоне мощностей 20-40 Вт, предлагающие клиентам недорогую альтернативу модулям COB.

Рис.6. Модули Epistar оснащены CSP светодиодами

5. Доминирующая тенденция

Не видно ни конца, ни края в поисках того, как сделать электронные компоненты меньшими по размеру. Компактные продукты, такие как носимые устройства (гаджеты) требуют все большей миниатюризации.

Светодиоды претерпевали гораздо более медленное сокращение в своих размерах, чем другие электронные компоненты, потому что они были подвержены тепловому разрушению, особенно в миниатюрных корпусах. Но запрос индустрии освещения по минимизации затрат сборки, повышению «плотности люмен», заставил производителей светодиодных чипов преодолеть технические проблемы. Современные чипы стали гораздо надежнее и теперь могут противостоять более высоким температурам, особенно в формате CSP.
Как следствие, эти новые приборы могут работать при более высоких прямых токах, повышая световой поток.

На сегодняшний день CSP светодиоды - не для всех. Они являются слишком хрупкими и слишком мелкими, чтобы быть принятыми любой сборочной компанией. Но преимуществ у этих крошечных «существ» достаточно много, и все основные производители светодиодных чипов работают над коммерческими продуктами для серийного выпуска в ближайшие 6-12 месяцев. Аналитики сообщают что, если в 2013 году CSP светодиоды составляли только 11% от общего количества мощных светодиодов, то их доля в 2020 году приблизится к 40%.
Пока рынок ждет перехода технологии CSP в доминирующую тенденцию светодиодного освещения, компания KTL уже сегодня производит почти все осветительное оборудование с применением светодиодов CSP.

COB светодиоды – это обычно конструкции в виде матрицы, содержащей от нескольких десятков до нескольких сотен светоизлучающих кристаллов. Примером светодиода, собранного по технологии COB является популярный светодиод типа SMD 2835, о котором есть информация в статье .

Развитие светодиодных устройств идет по пути увеличения их яркости, точнее получения всё большего светового потока. Поток можно увеличить несколькими способами:

• увеличить мощность единичного светодиода;
• скомбинировать в одном корпусе светодиода несколько десятков или сотен маломощных светоизлучающих кристаллов.

Первые попытки были в виде светодиодов типа «Пиранья». В них в один корпус помещали три или четыре кристалла небольшой мощности. Еще одним примером такого подхода стал трех-кристальный светодиод SMD 5050.

В «Пиранье» кристаллы припаиваются на торец проволочного вывода, который является пассивным теплоотводом, отводящим тепло на плату и токопроводящие медные дорожки.

В SMD корпусах кристалл(ы) устанавливаются на тонкое дно корпуса или керамические подложки. Тепло отводится через несколько тепловых контактов-переходов: кристалл – подложка – внутреннее дно корпуса, наружное дно корпуса – печатная плата или поверхность радиатора. Эти переходы имеют солидные тепловые сопротивления, не дающие теплу уходить от кристалла. Поэтому кристаллы в таких корпусах охлаждается не очень хорошо.

SMD-корпуса при установке большого количества светодиодов занимают немало места, «раздвигая» светящиеся точки светодиодов. Поэтому для выравнивания плотности свечения светильника в его конструкцию вводятся матовые или микропризматические светорассеиватели. Таким решением уменьшается световой поток. Даже прозрачные «экраны» поглощают до 10 % потока. А матовые – до 20 – 25 %.

Отличное решение этой проблемы нашли в начале этого столетия. Инженеры предложили размещать LED-кристаллы на подложке больших размеров. Если в SMD диоде ее размеры составляют от 1,4 до 6 мм, то новые подложки были диаметром 10 – 30 мм или прямоугольные – до 120 × 30 мм. Подложки изготавливают из теплопроводящей керамики, искусственного сапфира или просто из полупроводникового кремния. Кристаллы вначале приклеивали, но толщина клея была большая и его тепловое сопротивление тоже велико.

Приклеенные кристаллы соединяли в последовательные цепочки, работавшие от напряжения 9, 12, 24 В или более. Цепочки соединяли параллельно для набора нужной мощности и/или светового потока. Соединенные и проверенные цепочки покрывали люминофором на основе силикона или эпоксидных смол. Такой способ изготовления светодиодных матриц назвали COB-технологий. COB – это Chip-on-Board или «кристаллы на плате».

В 2009 г. в китайской Академии Наук придумали способ напыления тончайшего слоя адгезива («клея»). Технология получила имя Multi Chip on Board или МСОВ.

В СОВ-матрицах стоимость одного люмена светового потока колеблется от 0,07 руб. до 0,2 руб. При этом плотность кристаллов достигает 70 на кв. см. Светящиеся точки в матрице расположены намного плотнее, чем на плате с SMD-диодами. Люминофор может быть выполнен в виде линзы, которая сформирует нужную диаграмму светового потока. Так размеры COB-матрицы стали много меньше аналогичной по потоку SMD-«матрицы».

Мощность COB-матрицы может достигать сотен ватт, светоотдача – 120 – 160 Лм/Вт. Срок службы – до 50 – 60 тыс. часов. Высокая степень автоматизации производства довела среднюю стоимость не очень мощной COB-матрицы до эквивалента нескольких долларов. Поэтому ремонт светильника заменой матрицы может быть дешевле покупки нового светильника.

В чем разница между COB и SMD светодиодами?

SMD – это способ монтажа электронных элементов на печатной плате. В SMD-корпусах размещают резисторы, конденсаторы, транзисторы, катушки индуктивности и пр.

Светодиоды типа COB – это технология изготовления обычно мощного или очень мощного светодиода. Светодиоды COB могут размещаться в корпусе типа SMD. Пример, SMD 2835 изготавливается по технологии COB.

Отличие светодиода типа SMD от COB состоит в том, что SMD – это вид корпуса светодиода, предназначенного для монтажа на поверхности платы, а COB – это технология изготовления светодиода или ценой матрицы.

Современная светотехника все больше тяготеет к применению светодиодов. Но чем новее технология, тем больше вопросов она вызывает. Какие типы светодиодов бывают? Какой тип светодиодов выбрать? Какая технология самая надежная? На эти и другие вопросы Вы найдете ответы в этой статье.

Светодиод — это полупроводниковый прибор, который преобразует энергию электрического тока в свет. Светящимся элементом светодиода является полупроводниковый кристалл, имеющий многослойную структуру из тонких пленок полупроводников с разными типами проводимости - дырочной и электронной.

Дырочная проводимость связана с переходом электрона с другого атома на атом со свободным местом. На атом, откуда перешёл электрон, входит другой электрон из другого атома и т. д. Это обуславливается ковалентными связями атомов. Таким образом, происходит перемещение положительного заряда без перемещения самого атома. Этот условный положительный заряд называют дыркой.

В зонах контакта разных типов проводимости образуются p-n-переходы. Такие многослойные конструкции называются гетероструктурами.

При прохождении электрического тока в области p-n-переходов происходит рекомбинация дырок и электронов (электроны занимают вакантные места - дырки), сопровождаемая излучением света. Это излучение может быть красным, желтым, зеленым или синим - в зависимости от состава полупроводников в гетероструктуре. Гетероструктуры, состоящие из слоев нитрида галлия (GaN) с определенными примесями, излучают синий свет.

Излучающий кристалл нитрида галлия с площадками для контактных проводов в светотехнике принято называть чипом. Чип является ключевым компонентом, на базе которого собирается собственно светодиод.

Чтобы получить белый свет, на чип наносят люминофор - химическое вещество, которое возбуждается излучением, исходящим от кристалла, и испускает собственное излучение. Это объединяет светодиоды с компактными люминесцентными лампами - внутри трубки также имеется люминофор.

Чип покрывают слоем геля на основе силикона с порошком люминофора так, чтобы часть его излучения поглощалась в веществе люминофора и возбуждала его, а часть проходила сквозь люминофор свободно. В результате смешение исходного синего свечения нитрида галлия с желтым свечением люминофора дает белый свет. С помощью разных люминофоров достигается любое значение цветовой температуры излучаемого света.

На базе излучающего кристалла, покрытого люминофором и снабженного электрическими контактами, изготавливают сами светодиоды.

В зависимости от технологии сборки в настоящее время различают 4 типа светодиодов.

1. DIP-светодиоды.

Первые светодиоды массового применения появились именно в таком формате. Кристалл помещен в корпус со встроенной оптической системой - специальной линзой, которая формирует нужный световой пучок.

На сегодня это самый массовый тип светодиодов, но он практически не используется в современных высокотехнологичных источниках света. В основном он находит применение в световых табло, подсветках, различных праздничных световых украшениях.

2. Светодиоды типа «пиранья», Superflux LED или Spider LED.

Имеют конструкцию аналогичную предшественнику, но их отличие состоит в том, что вывода не 2, а 4. Это улучшает теплоотвод и дает большую надежность при монтаже. Из-за этого данный тип светодиодов распространен в автомобильной промышленности.

В освещении сегодня практически не используется из-за своих габаритов и сложности монтажа по сравнению с более современными типами конструкций светодиодов.

3. SMD-светодиоды.

Светодиоды этого типа изготовлены по технологии поверхностного монтажа ТМП (технология монтажа на поверхность) или SMT (surface mount technology). Отсюда его название SMD - surface mounted device - прибор, монтируемый на поверхность.

Основным отличием этой технологии от «традиционной» технологии сквозного монтажа в отверстия является то, что компоненты монтируются на поверхность платы. Это обеспечивает меньшие габариты конструкции, лучший теплоотвод, вариативность исполнения.

Данная конструкция на сегодня является самой распространенной в освещении и используется в источниках света практически всех типов.

4. COB-технология.

COB (Chip-On-Board - чип на плате) - технология, при которой чип кристалла монтируется (прикрепляется, впаивается) в плату, и обеспечиваются высочайшие: надёжность (защищёность контакта от окисления), миниатюрность и теплоотвод. Помимо этого, стоимость производства таких светодиодов ниже по сравнению с SMD-светодиодами.

COB технология впервые была применена в Японии в конце 2000-х годов компаниями Citizen и Sharp. Они же первыми использовали в качестве монтажной платы для светодиода керамическую пластину с низким тепловым сопротивлением. В настоящее время используются как алюминиевые, так и керамические платы, а объем производства светодиодов по этой технологии составляет порядка 20% от всех выпускаемых светодиодов и постоянно растет.

Тот факт, что все больше производителей светодиодов во всем мире начинают выпускать COB-светодиоды, говорит о хороших перспективах этой технологии вскоре занять лидирующие позиции в коммерческом и бытовом освещении на многие годы. Но, тем не менее, стоит отметить, что COB-технология не может полностью вытеснить SMD, в силу ряда технических ограничений и недостатков. Например, для профессионального освещения с заданной кривой силы света (для уличного или узконаправленного освещения) технология COB неприменима. Кроме того, если необходим равномерно светящийся источник света (например, потолочный светильник большой площади), лучше использовать много небольших SMD-светодиодов.

В заключение стоит отметить, что светодиодное освещение сегодня становится все более популярным. Высокие темпы роста этого рынка способствуют развитию новых технологий производства светодиодов, и расширяют границы их использования. В современных офисных и жилых помещениях, а также в наружном освещении, многие области применения раньше казались прочно закрепленными за классическими типами источников света. Сегодня эти постулаты подлежат пересмотру: светодиоды обеспечивают не только экономию затрат, но и широкие возможности создать высококлассное освещение для жизни, работы и творчества.