Технологии производства светодиодных LED экранов: Micro-LED vs. Mini-LED
Изначально стояла задача разобраться, что из себя представляет Micro LED, а также Mini LED в области светодиодных экранов для внутреннего исполнения. Потому что на этом рынке происходит путаница из-за применения слов «micro, mini, nano» для экранов, созданных с использованием разных технологий. Заказчики в свою очередь бездумно повторяют эти пресловутые «микро», «мини» и «нано» в гонке за самым «крутым» экраном, не понимая, что эти приставки не более чем маркетинговый ход.
Прогресс на то и прогресс, чтобы идти семимильными шагами. Экран должен быть ярче, цвета насыщенней, меньше потреблять, меньше греться и так далее – ученые и инженеры трудятся над улучшением сильных технических особенностей – в каждой технической детали.
А где прогресс, там и маркетинг, который использует всевозможные маркетинговые инструменты для рекламы того, в чем маркетологи не смыслят. Важна узнаваемость на рынке, продажи, а технологии – это дело второе.
Светодиодные экраны
Их разделяют на внутренние и внешние экраны. Для стационарной установки и арендной. Всё новые технологии позволяют усовершенствовать технические особенности светодиодных экранов в части питания, креплений, новых плат, а также шага и размера самого светодиода или по-другому – пикселя.
Шаг пикселя или питч – расстояние в миллиметрах между двумя соседними центрами светодиодов. Каждый год случается эдакий технологический мини-прорыв, когда та или иная компания представляет рекордно меньший шаг пикселя. Сокращая расстояние – уменьшают и размеры самого светодиода.
Технологии производства светодиодов
DIP — The Direct In-line Package. Данную технологию используют для внешних экранов, где для каждого цвета используют отдельный светодиод. Шаг пикселя больше или равен 6 мм.
SMD – Surface Mounted Device. Данный вид технологии «3 в 1» — условно технология производства светодиодных экранов. Применяется для внутренних экранов и для внешних, — светодиод, в корпусе которого уже установлено три RGB светодиода с определенным шагом.
DIP технология разделения цвета на три разных корпуса позволяет получать высокую насыщенность цвета и обеспечивает простоту монтажа. С другой стороны, в SMD 3 in 1 общие цвета, за счет использования RGB в одном корпусе, получаются более равномерными. Это стандартная технология, используемая в высококачественных светодиодных экранах. Технологию поверхностного монтажа также применяют и для наружных экранов.
COB – Chip-On-Board. Данную технологию применяют для внутренних экранов, путем выращивания светодиода, также состоящего из светодиодов трех цветов, расположенных непосредственно на плате.
SMD 3 in 1
Практически все экраны для внутренней установки используют технологию поверхностного монтажа. Для создания светодиодных экранов требуется, чтобы каждый светодиод, он же пиксель, мог излучать красный, синий, зеленый цвета – поэтому в каждом маленьком LED находится 3xLED, соответственно и технология называется SMD 3in1.
Простая и отработанная технология. Сначала выращивают кристаллы на сапфировых подложках, далее создают светодиоды. После – производители светодиодных стен приобретают светодиоды и посредством технологии SMD создают светодиодные модули, из которых собирают видеостены.
Процесс отработанный, прост как в монтаже, так и в обслуживании – то есть не работающий светодиод убирается и припаивается новый. Есть нюансы, что не все светодиоды светят одинаково, поэтому при покупке экрана приобретаются светодиоды той же партии. Также есть различия по металлу, используемому в проводниках – если золото, то качество выше, собственно, как и стоимость самих светодиодов и готового экрана. При вводе в эксплуатацию разницы никакой, лишь через период времени можно увидеть отличия.
Так как светодиоды припаяны к плате – то при качественной уборке помещений, при протирании экрана тряпкой, маленькие светодиоды отрываются от своих посадочных мест. И через некоторое время – картинка становится не такой приятной глазу. Однако это уже проблемы эксплуатации – можно ведь и ограничить круг лиц, имеющих доступ к экрану.
Проблемы начались после того, как компании перешли границу расстояний между светодиодами меньше 1мм. Так как помимо расстояния уменьшается и светодиод, то во-первых – увеличилась сложность пайки, во-вторых – сами светодиоды стали плохо держаться на своих посадочных местах.
Поэтому придумали собирать каждый SMD 3in1 светодиод в группу по 4 светодиода и дальше припаивать группами.
IMD 4 in 1
IMD — Integrated Mounted Device. Технология поверхностного монтажа IMD 4in1 представляет не один светодиод SMD 3in1, а 4 таких светодиода в одной группе. После, за счет увеличенной площадки, группы припаиваются на основное посадочное место. Сейчас на рынке в основном представлены группы 4in1, однако в скором времени ожидается появление 9in1 и 16in1.
При этом шаги пикселей стали меньше, сами светодиоды также стали меньше, а простота монтажа осталась. На сегодняшний день существуют прототипы экранов с шагом 0,5мм и 0,6мм, выполненных по этой технологии. Они были представлены на выставке ISE2020.
Также для защиты светодиодов при таких шагах пикселей используют технологии GOB и AOB для заливки как светодиодов полностью, так и только «ножек».
COB – Chip-on-board
На картинке слева приведен пример: слева – светодиодный экран по технологии COB, где каждый пиксель не имеет корпуса, справа – по технологии IMD4in1.
Альтернативная технология создания кристаллов и светодиодов — выращивание их непосредственно на самой плате. Технология известна давно, но широкое распространение стала получать недавно – для монтажа светодиодов на плате с очень маленькими шагами пикселей.
Чип состоит также их трех светодиодов RGB. По технологии, кристалл может быть перевернут, пайка не требуется, так как кристалл выращен на плате. Соответственно, в будущем производители планируют совсем отказаться от пайки для маленького шага пикселя, убрав существующие недостатки SMD технологии.
alt=»image» />После выращивания светодиодов — производители светодиодных экранов, применяющие данную технологию – заливают модули или кабинеты со светодиодами специальным оптически прозрачным компаундом или гелем для защиты светодиодов.
Экран становится гладким, похожим на экран ЖК-панелей. Из сразу вытекающих плюсов – появляется защита светодиодного полотна от механических повреждений, например, при уборке. Ясное дело – что компаунд не обеспечивает защиту от механических воздействий.
По сравнению с обычной технологией SMD поверхностного монтажа, COB позволяет увеличить плотность размещения светодиодов на одной и той же площади. Как следствие — достигается еще большая однородность пикселизации для пользователя.
Каждый этап развития технологий пытается устранить недостатки предыдущих. Например, COB технология разработана, чтобы, с одной стороны, защитить светодиоды от повреждений, особенно когда речь идет об очень маленьких светодиодах, упростить способ компоновки сверх-маленьких светодиодов на плате, дополнительно уменьшить тепловыделение и энергопотребление, но первостепенно – это возможность применения маленьких пикселей без проблем пайки.
По сравнению с технологией DIP и SMD, светодиодные экраны по технологии COB имеют существенные преимущества.
- Меньшая глубина. За счет возможности применения платы меньшей толщины производители могут уменьшить толщину общего конструктива. Соответственно, уменьшится и общий вес экрана. Выигрыш в толщине конструктива, возможность не усиливать некоторые виды стен, а также конечная стоимость.
- Увеличенный угол обзора. Экран на основе SMD технологии создается путем установки трех светодиодов внутри корпуса, таким образом размещая RGB светодиоды в небольшой выемке. Плюс, добавляются сложности при замене светодиодов, при их новой установке, а также неровности маски и другие факторы. В итоге угол обзора уменьшается и становится неодинаковым.
DIP имеет угол обзора 100-110 градусов;
SMD – 120-140 градусов;
COB – больше 170 градусов.
*Хотя на практике производители, применяющие COB, не заявляют больше 160 градусов.
С другой стороны, технология SMD достигла также больших углов просмотра. - Возможность изгиба. Изогнутая форма печатной платы не повреждает светодиодные чипы COB, в то время как при использовании SMD технологии и изгибе печатной платы имеются существенные ограничения по углу изгиба.
- Лучшие тепловые характеристики, меньшая потребляемая мощность при тех же показателях яркости, повышенная контрастность и минимальное время отклика.
- Увеличена защита самих светодиодов за счет заливки корпуса специальным составом, что влияет на срок службы светодиодов. Однако с другой стороны, нет возможности ремонтопригодности в ближайшем обозримом будущем.
Micro-LED & COB
Если дословно – то микро светодиод. Выражение, которое применяется там, где размеры светодиодов меньше миллиметра. Говоря про светодиодную сферу – это технология Chip-on-Board. Получается, что это классный маркетинговый ход – классно ведь звучит, микро светодиод.
Теперь факты – кто и что называет микро-светодиодами. Технологию IMD 4in1 и COB – разные компании-производители называют Micro-LED.
Например, из тех компаний, которые мне известны, Leyard Planar на выставке ISE 2020 представил прекрасный экран с шагом 0,6мм по технологии SMD 4in1. Эту технологию они называют microLED.
Компания Sony уже c 2012 года представляет экраны на основе COB технологии, которую называют CLEDIS — Crystal LED Integrated Structure или коротко Crystal LED. Самый большой экран с шагом 1,25мм и размерами 19,2х5,4метра и разрешением 16К (15360х4320) остается лидером на сегодняшний день. Sony называет технологию Crystal LED — microLED.
Samsung уже несколько лет подряд представляет топовый экран The Wall с шагом 0,84мм, построенный на базе COB технологии (flip-chip RGB LED), также называется microLED.
Компания Unilumin на той же выставке представила кусок экрана с шагом 0,5мм по технологии IMD4in1. Правда, их называют не микро-ледами, вместо этого появляется приставка «нано».
Компания Konka выпустила светодиодное полотно по технологии microLED с максимальной диагональю 236”.
В отличие от вышеперечисленных компаний, китайский производитель Absen в прошлом году, на выставке InfoComm China 2019, применяя технологию 4in1, назвал ее mini-LED (вернемся к этой технологии позже). Шаг пикселя составлял 0,9мм. Стратегически классное решение, субъективно, – потому что это разделяет технологию 4in1 и COB. Но это лишь не прижившийся маркетинг. Представители компании открыто заявляли, что это рекламный ход.
Micro-LED & OLED
Эмиссия или «самоизлучение» — единственное, что объединяет эти технологии. Похожи! Однако полностью различны в технологии производства. 
Micro LED – технология создания светодиодных полотен, а значит, построения видеостен без ограничения диагонали и возможностью собирать нестандартные формы экрана. Лидером всегда была компания Sony со своим экраном с размерами 63х17 футов, что в пересчете получается 783”. За ним идет Samsung с представленным на сегодня 292”, а также заявленным 583” экраном. В то время, как OLED технология на сегодняшний день имеет максимальную диагональ 88”.
С другой стороны, технология micro LED не достигла тех возможностей, которые может показать OLED. Например, подойдя достаточно близко к видеостене человек может различить отдельные пиксели, из-за недостаточно близкого/маленького расстояния между отдельными светодиодами. Отчего экран не будет выглядеть таким же равномерным, как это достигается с технологией OLED.
Стоит отметить, что Samsung для захвата рынка ТВ сосредоточила силы на разработке 75” экрана на основе micro LED, правда нет никакой информации о технических составляющих. О продаже речи также нет.
Другими словами, пиксели OLED и micro LED имеют разный размер для разных диагоналей экранов. Возможно, в будущем технология micro LED позволит компоновать пиксели ближе друг к другу, создавая конкуренцию OLED. На сегодняшний день, 75” OLED экран будет иметь разрешение гораздо выше, чем экран той же диагонали по технологии micro LED.
Вероятно, забегая сильно вперед, можно предположить, что, когда Samsung начнет применять «Micro Quantum Dot LED» — технологию с квантовыми точками вместо обычных светодиодов, технологии создания видеостен произведут переворот по части плотности размещения пикселей.
Mini-LED & QLED
На самом деле, существует технология mini LED. И это не IMD 4in1, это уменьшенные светодиоды для обеспечения подсветки LCD панелей.
Присутствует утверждение, что это некая переходная технология между LCD и Micro LED – однако мне сложно судить, ведь технологии создания совершенно различные.
Для того чтобы ответить на вопрос «зачем» – необходимо понимать разницу, что технология OLED и QLED имеют различие в части того, что OLED расшифровывается как органический светоизлучающий диод, который не требует светодиодной подсветки, как это реализовано в технологии LCD и QLED панелей. QLED, хоть и применяет квантовый светодиод или по-другому наночастицы, называемые квантовыми точками, – требует подсветки.
Компания TCL в конце 2019 года начала продажу первых телевизоров QLED с мини-светодиодной подсветкой. Это значит, что для LED подсветки используются крошечные светодиоды, которых можно разместить не сотни, а десятки тысяч. Получаем контроль над большим количеством точек. Соответственно, для достижения черного цвета часть светодиодов отключается, и глубокий черный цвет реализуется посредством простой технологии, стоимость которой, при постоянном развитии технологии, должна быть гораздо ниже, чем OLED панели.
Результат
Подводя итоги, получаем, что светодиодные экраны, в которых используют, так называемую технологию micro LED — не является или не всегда является таковой. Технология micro LED применима именно к размеру светодиода, а не к шагу пикселя (pixel pitch). То есть другими словами – технология изготовления светодиодного экрана с шагом пикселя 0,9мм, но с используемым светодиодом физического размера меньше 50μm – будет называться micro LED.
Производители крайне редко указывают размеры самого светодиода — потому достаточно сложно определить, относятся ли используемые светодиоды к технологии microLED или нет.
Какие технологии сборки светодиодного чипа ты знаешь
1. Что такое светодиод?
Светодиод — это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение. По-английски светодиод называется light emitting diode, или LED.
2. Из чего состоит светодиод?
Из полупроводникового кристалла на подложке, корпуса с контактными выводами и оптической системы. Современные светодиоды мало похожи на первые корпусные светодиоды, применявшиеся для индикации.
3. Как работает светодиод?
Свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок в области p-n-перехода. Значит, прежде всего нужен p-n-переход, то есть контакт двух полупроводников с разными типами проводимости. Для этого приконтактные слои полупроводникового кристалла легируют разными примесями: по одну сторону акцепторными, по другую — донорскими. Но не всякий p-n-переход излучает свет. Почему? Во-первых, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой, для чего полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Эти условия в той или иной степени противоречат друг другу. Реально, чтобы соблюсти оба условия, одного р-п-перехода в кристалле оказывается недостаточно, и приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры, так называемые гетероструктуры, за изучение которых российский физик академик Жорес Алферов получил Нобелевскую премию 2000 года.
4. Означает ли это, что чем больший ток проходит через светодиод, тем он светит ярче?
Разумеется, да. Ведь чем больше ток, тем больше электронов и дырок поступают в зону рекомбинации в единицу времени. Но ток нельзя увеличивать до бесконечности. Из-за внутреннего сопротивления полупроводника и p-n-перехода диод перегреется и выйдет из строя.
5. Чем хорош светодиод?
В светодиоде, в отличие от лампы накаливания или люминесцентной лампы, электрический ток преобразуется непосредственно в световое излучение, и теоретически это можно сделать почти без потерь. Действительно, светодиод (при должном теплоотводе) мало нагревается, что делает его незаменимым для некоторых приложений. Далее, светодиод излучает в узкой части спектра, его цвет чист, что особенно ценят дизайнеры, а УФ- и ИК-излучения, как правило, отсутствуют. Светодиод механически прочен и исключительно надежен, его срок службы может достигать 100 тысяч часов, что почти в 100 раз больше, чем у лампочки накаливания, и в 5 — 10 раз больше, чем у люминесцентной лампы. Наконец, светодиод — низковольтный электроприбор, а стало быть, безопасный.
6. Чем плох светодиод?
Только одним — ценой. Пока что цена одного люмена, излученного светодиодом, в 100 раз выше, чем галогенной лампой. Но специалисты утверждают, что в ближайшие 2 — 3 года этот показатель будет снижен в 10 раз.
7. Когда светодиоды начали применяться для освещения?
Первоначально светодиоды применялись исключительно для индикации. Чтобы сделать их пригодными для освещения, необходимо было прежде всего научиться изготавливать белые светодиоды, а также увеличить их яркость, а точнее светоотдачу, то есть отношение светового потока к потребляемой энергии. В 60-х и 70-х годах были созданы светодиоды на основе фосфида и арсенида галлия, излучающие в желто-зеленой, желтой и красной областях спектра. Их применяли в световых индикаторах, табло, приборных панелях автомобилей и самолетов, рекламных экранах, различных системах визуализации информации. По светоотдаче светодиоды обогнали обычные лампы накаливания. По долговечности, надежности, безопасности они тоже их превзошли. Одно было плохо — не существовало светодиодов синего, сине-зеленого и белого цвета.
8. От чего зависит цвет светодиода?
Исключительно от ширины запрещенной зоны, в которой рекомбинируют электроны и дырки, то есть от материала полупроводника, и от легирующих примесей. Чем «синее» светодиод, тем выше энергия квантов, а значит, тем больше должна быть ширина запрещенной зоны.
10. Что такое квантовый выход светодиода?
Квантовый выход — это число излученных квантов света на одну рекомбинировавшую электронно-дырочную пару. Различают внутренний и внешний квантовый выход.Внутренний — в самом p-n-переходе, внешний — для прибора в целом (ведь свет может теряться «по дороге» — поглощаться, рассеиваться). Внутренний квантовый выход для хороших кристаллов с хорошим тепло-отводом достигает почти 100%, рекорд внешнего квантового выхода для красных светодиодов составляет 55%, а ддя синих — 35%. Внешний квантовый выход — одна из основных характеристик эффективности светодиода.
11. Как получить белый свет с использованием светодиодов?
Существует три способа получения белого света от светодиодов. Первый — смешивание цветов по технологии RGB. На одной матрице плотно размещаются красные, голубые и зеленые светодиоды, излучение которых смешивается при помощи оптической системы, например линзы. В результате получается белый свет. Второй способ заключается в том, что на поверхность светодиода, излучающего в ультрафиолетовом диапазоне (есть и такие), наносится три люминофора, излучающих, соответственно, голубой, зеленый и красный свет. Это похоже на то, как светит люминесцентная лампа. И наконец в третьем способе желто-зеленый или зеленый плюс красный люминофор наносятся на голубой свето-диод, так что два или три излучения смешиваются, образуя белый или близкий к белому свет.
12. Какой из трех способов лучше?
У каждого способа есть свои достоинства и недостатки. Технология RGB в принципе позволяет не только получить белый цвет, но и перемещаться по цветовой диаграмме при изменении тока через разные светодиоды. Этим процессом можно управлять вручную или посредством программы, можно также получать различные цветовые температуры. Поэтому RGB-матрицы широко используются в светодинамических системах. Кроме того, большое количество светодиодов в матрице обеспечивает высокий суммарный световой поток и большую осевую силу света. Но световое пятно из-за аберраций оптической системы имеет неодинаковый цвет в центре и по краям, а главное, из-за неравномерного отвода тепла с краев матрицы и из ее середины светодиоды нагреваются по-разному, и, соответственно, по-разному изменяется их цвет в процессе старения — суммарные цветовая температура и цвет «плывут» за время эксплуатации. Это неприятное явление достаточно сложно и дорого скомпенсировать. Белые светодиоды с люминофорами существенно дешевле, чем светодиодные RGB-матрицы (в пересчете на единицу светового потока), и позволяют получить хороший белый цвет. И для них в принципе не проблема попасть в точку с координатами (0.33, 0.33) на цветовой диаграмме МКО. Недостатки же таковы: во-первых, у них меньше, чем у RGB-матриц, светоотдача из-за преобразования света в слое люминофора; во-вторых, достаточно трудно точно проконтролировать равномерность нанесения люминофора в технологическом процессе и, следовательно, цветовую температуру; и наконец в-третьих — люминофор тоже стареет, причем быстрее, чем сам светодиод. Промышленность выпускает как светодиоды с люминофором, так и RGB-матрицы — у них разные области применения.
13. Каковы электрические и оптические характеристики светодиодов?
Светодиод — низковольтный прибор. Обычный светодиод, применяемый для индикации, потребляет от 2 до 4 В постоянного напряжения при токе до 50 мА. Светодиод, который используется для освещения, потребляет такое же напряжение, но ток выше — от нескольких сотен мА до 1 А в проекте. В светодиодном модуле отдельные светодиоды могут быть включены последовательно и суммарное напряжение оказывается более высоким (обычно 12 или 24 В). При подключении светодиода необходимо соблюдать полярность, иначе прибор может выйти из строя. Напряжение пробоя указывается изготовителем и обычно составляет более 5 В для одного светодиода. Яркость светодиода характеризуется световым потоком и осевой силой света, а также диаграммой направленности. Существующие светодиоды разных конструкций излучают в телесном угле от 4 до 140 градусов. Цвет, как обычно, определяется координатами цветности и цветовой температурой, а также длиной волны излучения. Для сравнения эффективности светодиодов между собой и с другими источниками света используется светоотдача: величина светового потока на один ватт электрической мощности. Также интересной маркетинговой характеристикой оказывается цена одного люмена.
14. Как реагирует светодиод на повышение температуры?
Говоря о температуре светодиода, необходимо различать температуру на поверхности кристалла и в области p-n-перехода. От первой зависит срок службы, от второй — световой выход. В целом с повышением температуры p-n-перехода яркость светодиода падает, потому что уменьшается внутренний квантовый выход из-за влияния колебаний кристаллической решетки. Поэтому так важен хороший теплоотвод. Падение яркости с повышением температуры не одинаково у светодиодов разных цветов. Оно больше у AlGalnP- и AeGaAs-светодиодов, то есть у красных и желтых, и меньше у InGaN, то есть у зеленых, синих и белых.
15. Почему нужно стабилизировать ток через светодиод?
Как видно из рисунка, в рабочих режимах ток экспоненциально зависит от напряжения и незначительные изменения напряжения приводят к большим изменениям тока. Поскольку световой выход прямо пропорционален току, то и яркость светодиода оказывается нестабильной. Поэтому ток необходимо стабилизировать. Кроме того, если ток превысит допустимый предел, то перегрев светодиода может привести к его ускоренному старению.
16. Для чего светодиоду требуется конвертор?
Конвертор (в англоязычной терминологии driver) для светодиода — то же, что балласт для лампы. Он стабилизирует ток, протекающий через светодиод.
17. Можно ли регулировать яркость светодиода?
Яркость светодиодов очень хорошо поддается регулированию, но не за счет снижения напряжения питания — этого-то как раз делать нельзя, — а так называемым методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), для чего необходим специальный управляющий блок (реально он может быть совмещен с блоком питания и конвертором, а также с контроллером управления цветом RGB-матрицы). Метод ШИМ заключается в том, что на светодиод подается не постоянный, а импульсно-модулированный ток, причем частота сигнала должна составлять сотни или тысячи герц, а ширина импульсов и пауз между ними может изменяться. Средняя яркость светодиода становится управляемой, в то же время светодиод не гаснет. Небольшое изменение цветовой температуры светодиода при диммировании несравнимо с аналогичным смещением для ламп накаливания.
18. Чем определяется срок службы светодиода?
Считается, что светодиоды исключительно долговечны. Но это не совсем так. Чем больший ток пропускается через светодиод в процессе его службы, тем выше его температура и тем быстрее наступает старение. Поэтому срок службы у мощных светодиодов короче, чем у маломощных сигнальных, и составляет в настоящее время 20 — 50 тысяч часов. Старение выражается в первую очередь в уменьшении яркости. Когда яркость снижается на 30% или наполовину, светодиод надо менять.
19. «Портится» ли цвет светодиода с течением времени?
Старение светодиода связано не только со снижением его яркости, но и с изменением цвета. В настоящее время нет стандартов, которые позволили бы выразить количественно изменение цвета светодиодов в процессе старения и сравнить с другими источниками.
20. Не вреден ли светодиод для человеческого глаза?
Спектр излучения светодиода близок к монохроматическому, в чем его кардинальное отличие от спектра солнца или лампы накаливания. Хорошо это или плохо — доподлинно не известно, потому что, насколько я знаю, серьезных исследований в этой области нигде не проводилось. Какие-либо данные о вредном воздействии светодиодов на человеческий глаз отсутствуют.
21. Какие на сегодняшний день существуют технологии изготовления светодиодов и светодиодных модулей?
Что касается выращивания кристаллов, то основная технология — металлоорганическая эпитаксия. Для этого процесса необходимы особо чистые газы. В современных установках предусмотрены автоматизация и контроль состава газов, их раздельные потоки, точная регулировка температуры газов и подложек. Толщины выращиваемых слоев измеряются и контролируются в пределах от десятков ангстрем до нескольких микрон. Разные слои необходимо легировать примесями, донорами или акцепторами, чтобы создать p-n-переход с большой концентрацией электронов в n-области и дырок — в р-области. За один процесс, который длится несколько часов, можно вырастить структуры на 6 — 12 подложках диаметром 50 — 75 мм. Очень важно обеспечить и проконтролировать однородность структур на поверхности подложек. Стоимость установок для эпитаксиального роста полупроводниковых нитридов, разработанных в Европе (фирмы Aixtron и Thomas Swan) и США (Emcore), достигает 1,5 — 2 млн долларов. Опыт разных фирм показал, что научиться получать на такой установке конкурентоспособные структуры с необходимыми параметрами можно за время от одного года до трех лет. Это — технология, требующая высокой культуры. Важным этапом технологии является планарная обработка пленок: их травление, создание контактов к п- и р-слоям, покрытие металлическими пленками для контактных выводов. Пленку, выращенную на одной подложке, можно разрезать на несколько тысяч чипов размерами от 0,24×0,24 до 1×1 мм2. Следующим шагом является создание светодиодов из этих чипов. Необходимо смонтировать кристалл в корпусе, сделать контактные выводы, изготовить оптические покрытия, просветляющие поверхность для вывода излучения или отражающие его. Если это белый свето-диод, то нужно равномерно нанести люминофор. Надо обеспечить теплоотвод от кристалла и корпуса, сделать пластиковый купол, фокусирующий излучение в нужный телесный угол. Около половины стоимости светоди-ода определяется этими этапами высокой технологии. Необходимость повышения мощности для увеличения светового потока привела к тому, что традиционная форма корпусного светодиода перестала удовлетворять производителей из-за недостаточного теплоотвода. Надо было максимально приблизить чип к теплопроводящей поверхности. В связи с этим на смену традиционной технологии и несколько более совершенной SMD-техноло-гии (surface montage details — поверхностный монтаж деталей) приходит наиболее передовая технология СОВ (chip on board). Светодиод, изготовленный по технологии СОВ, схематически изображен на рисунке. Светодиоды, выполненные по SMD- и СОВ-технологии, монтируются (приклеиваются) непосредственно на общую подложку, которая может исполнять роль радиатора — в этом случае она делается из металла. Так создаются светодиодные модули, которые могут иметь линейную, прямоугольную или круглую форму, быть 50 — 75 мм. Очень важно обеспечить и проконтролировать однородность структур на поверхности подложек. Стоимость установок для эпитаксиального роста полупроводниковых нитридов, разработанных в Европе (фирмы Aixtron и Thomas Swan) и США (Emcore), достигает 1,5 — 2 млн долларов. Опыт разных фирм показал, что научиться получать на такой установке конкурентоспособные структуры с необходимыми параметрами можно за время от одного года до трех лет. Это — технология, требующая высокой культуры. Важным этапом технологии является планарная обработка пленок: их травление, создание контактов к п- и р-слоям, покрытие металлическими пленками для контактных выводов. Пленку, выращенную на одной подложке, можно разрезать на несколько тысяч чипов размерами от 0,24×0,24 до 1×1 мм2. Следующим шагом является создание светодиодов из этих чипов. Необходимо смонтировать кристалл в корпусе, сделать контактные выводы, изготовить оптические покрытия, просветляющие поверхность для вывода излучения или отражающие его. Если это белый свето-диод, то нужно равномерно нанести люминофор. Надо обеспечить теплоотвод от кристалла и корпуса, сделать пластиковый купол, фокусирующий излучение в нужный телесный угол. Около половины стоимости светоди-ода определяется этими этапами высокой технологии. Необходимость повышения мощности для увеличения светового потока привела к тому, что традиционная форма корпусного светодиода перестала удовлетворять производителей из-за недостаточного теплоотвода. Надо было максимально приблизить чип к теплопроводящей поверхности. В связи с этим на смену традиционной технологии и несколько более совершенной SMD-техноло-гии (surface montage details — поверхностный монтаж деталей) приходит наиболее передовая технология СОВ (chip on board). Светодиод, изготовленный по технологии СОВ, схематически изображен на рисунке. Светодиоды, выполненные по SMD- и СОВ-технологии, монтируются (приклеиваются) непосредственно на общую подложку, которая может исполнять роль радиатора — в этом случае она делается из металла. Так создаются светодиодные модули, которые могут иметь линейную, прямоугольную или круглую форму, быть жесткими или гибкими, короче, призваны удовлетворить любую прихоть дизайнера. Появляются и светодиодные лампы с таким же цоколем, как у низковольтных галогенных, призванные им на замену. А для мощных светильников и прожекторов изготавливаются светодиодные сборки на круглом массивном радиаторе. Раньше в светодиодных сборках было очень много светодиодов. Сейчас, по мере увеличения мощности, светодиодов становится меньше, зато оптическая система, направляющая световой поток в нужный телесный угол, играет все большую роль.
22. Где сегодня целесообразно применять светодиоды?
Светодиоды находят применение практически во всех областях светотехники, за исключением освещения производственных площадей, да и там могут использоваться в аварийном освещении. Светодиоды оказываются незаменимы в дизайнерском освещении благодаря их чистому цвету, а также в светодинамических системах. Выгодно же их применять там, где дорого обходится частое обслуживание, где необходимо жестко экономить электроэнергию и где высоки требования по электробезопасности.
- светодиодные уличные фонари,
- автомобильная светотехника,
- рекламные вывески,
- светодиодные панели и индикаторы,
- бегущие строки и светофоры и т.д.
Так же, в последнее время набирает популярность светодизайн интерьеров и ландшафта с использованием светодиодов.
Мы занимаемся поставкой светодиодных модулей и лент. что позволяет нам предложить Вам качественный товар по низким ценам. Мы стараемся обеспечить постоянное наличие популярных позиций на складе. Но, по законам рынка спрос рождает предложение, поэтому ассортимент постоянно растет. В случае отсутствия необходимой позиции, налаженные партнерские отношения с ведущими производителями, позволяют нам оперативно поставлять требуемый товар.
Модули Chip-on-Board.
Часть 2. Технология и производство
Частично технология СоВ повторяет технологию изготовления дискретных светодиодов, то есть светодиодов в отдельных корпусах, предназначенных, как правило, для автоматизированного монтажа на печатные платы. Основные отличия относятся к процессам нанесения люминофорной смеси и будут рассмотрены более подробно в зависимости от типа конструкции модуля СоВ. Что же касается производства изделий, основанных на данной технологии, то оно имеет определенные преимущества по стоимости организации из-за экономии на оборудовании для сортировки, упаковки и монтажа.
Часть технологии, во многом общая для модулей СоВ и дискретных светодиодов, охватывает процессы монтажа светодиодных чипов на плату и разварки проволочных перемычек для соединения контактов электрической цепи платы и контактных площадок чипа. Сюда входят следующие операции: нанесение адгезива, автоматизированная посадка чипа, сушка адгезива, плазменная очистка, разварка проволочных перемычек. На рис. 1 показан участок модуля СоВ, на котором указанные операции и выполняются. Их результатом является модуль с установленными чипами, изучающий синий свет при подаче электрического тока. Чипы в таком состоянии не защищены компаундом и подготовлены к процессу нанесения люминофорной смеси.
Печатные платы
В настоящее время разработаны стандарты для производителей печатных плат, а также рекомендации относительно состава и качества металлизации, топологии, содержания органических и неорганических загрязнителей на плате, позволяющие сделать процесс монтажа чипа повторяемым и надежным. При проектировании топологии печатной платы необходимо учитывать размер и шаг между контактными площадками. Топология печатной платы для технологии СоВ практически не отличается от традиционной, контактные площадки для сварки, как часто бывает в производстве изделий светодиодной техники, требуют специальной подготовки — металлизации медного проводника печатной платы. На медь осаждается слой химического никеля толщиной 2–4 мкм, а на него, как правило, слой химического (иммерсионного) золота толщиной 0,05–0,15 мкм. В современных изделиях на печатной плате для СоВ формируют контактные площадки шириной менее 100 мкм и шагом между проводниками менее 100 мкм.
Рис. 1. Чип, установленный и разваренный на плату модуля СоВ
Для изготовления модулей СоВ обычно используют печатные платы на металлической основе (Metal Core Printed Circuit Board, MCPCB). Плата MCPCB состоит из трех основных слоев — металлической базы, диэлектрика и электропроводящего слоя. Наиболее применяемые металлы для изготовления основания платы — алюминий или медь. Алюминий более распространен благодаря низкой стоимости, небольшому весу и высокой теплопроводности. Типичная толщина основания составляет 1,0–3,2 мм. Применяемые алюминиевые сплавы AL6061/5052/1370/770/710. Медь в качестве материала основания применяется, только если это оправдано необходимостью обеспечить очень хороший теплоотвод. Критичным слоем в плате MCPCB обычно считается слой диэлектрика, который должен обеспечивать одновременно хорошую электроизоляцию (например характеризующуюся значением пробивного напряжения не менее 3 кВ) и приемлемую теплопроводность. Обычно значения толщины этого слоя лежат в диапазоне 0,075–0,2 мм. Типичные значения теплопроводности диэлектрика — 0,8; 1,5; 2,0; 3 Вт/(м·К). Электропроводящий слой стандартен для технологии печатных плат и выполняется из меди толщиной 35–350 мкм. Отличие MCPCB состоит в том, что иногда применяются слои с большей толщиной проводника для высоких значений силы тока [1].
Типы адгезивов
В качестве адгезивов может использоваться все разнообразие материалов, предназначенных для установки светодиодных чипов, с которым можно ознакомиться на сайтах компаний-производителей. В их числе можно отметить Shin-Etsu, Dow Corning, Diemat. Однако хотелось бы обратить внимание на два типа адгезивов, которые сейчас представляются весьма перспективными для монтажа широкого спектра чипов, в том числе и мощных. Один из них — известный тип адгезива, состоящего из компаундной органической связки и наполнителя (металлического серебра). Массовая доля серебра в таком адгезиве значительна и составляет более 50%. Он обладает хорошими теплопроводностью и электропроводностью. Теплопроводность обычно составляет 5–15 Вт/(м·К). В роли органической связки может выступать эпоксидная смола или силикон. Второй тип — теплопроводящий и электроизолирующий адгезив с высоким коэффициентом отражения оптического излучения. Он содержит как теплопроводящий, так и светоотражающий наполнитель. Органической связкой в этом случае может быть только силиконовый компаунд, поскольку к адгезиву предъявляется требование стабильности оптических свойств. Типичное значение теплопроводности такого материала составляет порядка 0,2 Вт/(м·К).
Образцами двух обсуждаемых типов адгезивов могут послужить материалы компании Shin-Etsu — KJR-632DA-7 и LPS-8433W-3. Первый тип (серебросодержащий) обеспечивает минимальное тепловое сопротивление на участке от p-n-перехода чипа до металлической основы платы. Второй за счет отражательной способности дает заметный выигрыш в световом потоке модуля (5–10%), но увеличивает тепловое сопротивление, хотя и до приемлемых значений. При этом соответствующее увеличение перегрева, к примеру на 10° С, закономерно сказывается на сроке жизни модуля, скажем, уменьшает его с 60 до 50 тыс. ч. Эти значения приведены здесь только для того, чтобы показать порядок цифр, в каждом конкретном случае определение срока жизни светодиодного изделия — это предмет отдельно проводимого расчета.
Нанесение адгезива
Используются несколько методов нанесения адгезива. Трафаретная печать — самый экономичный способ, однако он не позволяет формировать соединения с высокой точностью, поэтому годится для массового серийного производства без серьезных требований. Также одним из популярных методов нанесения адгезива является stamping (метод переноса, или штампования). Он финансово затратнее, чем трафаретная печать, но при этом позволяет выполнять более точные соединения с меньшим шагом. Наиболее же распространенным и перспективным в современном производстве светодиодных изделий является дозирование. Это самый дорогой из перечисленных методов, но универсальный. Для него характерна точность позиционирования дозирующих головок 20 мкм, а одна программа может включать до 100 тыс. точек дозирования.
Рис. 2.
а) Дозатор серии D-580;
б) дозирующая головка DV-7000
Дозаторы могут быть ручными, полуавтоматическими или автоматическими, что зависит от объема выпускаемых изделий. Автоматические дозаторы комплектуются специализированным программным обеспечением и библиотеками форм дозирования, что позволяет применять этот метод для множества сложных по исполнению задач. В зависимости от применяемого адгезива дозаторы оснащают соответствующими дозирующими головками. В качестве примера на рис. 2а показан дозатор серии D-580 (Asymtek), а на рис. 2б — дозирующая головка DV-7000, предназначенная для нанесения паяльных и серебросодержащих паст и адгезивов, производства компании Asymtek.
Адгезив необходимо наносить таким образом, чтобы он максимально равномерно покрывал площадь посадки чипа, но не закрывал боковые грани чипа при его последующей посадке более чем на треть высоты грани. Невыполнение этого условия с некоторыми типами чипов может стать причиной возникновения каналов утечки тока. При наличии под чипом пустот он будет локально перегреваться, что рано или поздно приведет к росту дефектов структуры. Наличие же воздуха под чипом может повлечь за собой появление пузырей при нанесении люминофорной смеси и даже привести к поломке чипа на последующих операциях. В среднем толщина наносимого адгезива должна, в зависимости от особенностей процесса, составлять 15–70 мкм. При этом большая толщина будет негативно сказываться на термической устойчивости и адгезии.
Монтаж чипа
Операция монтажа чипа проводится следующим образом. Чип берется с растяжки и устанавливается на плату на место, покрытое нанесенным адгезивом, при помощи вакуумного наконечника для захвата. Такой способ позволяет избежать повреждения кромок чипа и соскальзывания, которые наблюдаются при использовании пинцета и могут нарушить работоспособность чипа. Для этого процесса применяют ручные, полуавтоматические и автоматические установщики чипов.
Выбор вида автоматизации зависит от предполагаемого объема производства и серийности. Характерными особенностями оборудования являются высокая точность посадки чипов и производительность. Как правило, установки достаточно универсальны и могут производить монтаж на клей, адгезив, эвтектическим, ультразвуковым методом и термокомпрессией, обеспечивая высокую постмонтажную точность. В виде опции автоматический установщик чипов может иметь в своем составе модуль для нанесения адгезива методом дозирования или штампования. Типичным примером широко распространенного на различных светодиодных производствах оборудования (рис. 3) может служить установщик чипов AD830 (ASM). Точность посадки чипов для этой машины составляет ±38 мкм при продолжительности рабочего цикла 200 мс. Отверждение современных адгезивов на основе силиконовой связки проводят обычно при температуре 150 °С в течение 2–4 ч. При этом используют печи с нагревом в атмосфере азота с контролируемым содержанием кислорода.
Рис. 3. Установщик чипов AD830
Подготовка к разварке
Для подготовки полученной полусборки (чипы на плате на отвержденном адгезиве) к операции разварки проволочных перемычек полезно провести операцию плазменной очистки с целью удаления загрязнений, которые, возможно, появились в ходе предшествующих этапов — установки чипа и сушки адгезива. Загрязнения вредны прежде всего как вероятная причина образования каналов утечки тока и как негативный фактор, оказывающий влияние на полимеризацию компаунда люминофорной смеси в последующем процессе сушки этой смеси. Установка плазменной очистки представляет собой оборудование камерного типа в виде настольного или отдельно стоящего конструктивного исполнения, существуют модели конвейерного типа. Установки различаются размером рабочей камеры, максимальные габариты которой, как правило, не превышают 400×340×450 мм. Они оснащаются генератором плазмы с частотой 2,45 ГГц и мощностью до 1,2 кВт. Обычно в состав такой установки входит программируемый логический контроллер для настройки и управления параметрами процесса, массовые расходомеры для регулировки подачи рабочего газа (высокочистый аргон), несколько линий подачи газа. Пример подобной установки показан на рис. 4.
Рис. 4. Установка плазменной очистки Yield ES серии G (США)
Разварка
Заключительной технологической операцией, которая входит в первую часть технологии СоВ, является операция разварки. Разварка осуществляется методом ультразвуковой микросварки. В качестве соединительного материала можно использовать проволоку из алюминия, золота и меди. Применяются только материалы высокой степени чистоты (не хуже 99,99 масс. %). В современной технологии светодиодов вообще и модулей СоВ в частности наиболее распространено применение проволоки из золота. В некоторых случаях экономичной заменой может служить проволока из алюминия. Применяют проволоку диаметром 17–85 мкм, при этом наиболее ходовой диапазон типоразмеров — 25–38 мкм. Полезно проводить тестирование получающегося проволочного соединения на прочность — на отрыв и сдвиг. Оно проводится отдельно на специальном оборудовании.
Различают два основных способа разварки чипов — шариковый и клиновый, которые могут применяться совместно в одной сборке. Для сварочных соединений типа «шарик» применяют рабочую насадку типа капилляр, а для клиновых соединений — собственно клин.
Немаловажным аспектом планирования производства светодиодных изделий является отслеживание износа этих инструментов и своевременное пополнение их запаса. В настоящее время применяются в основном автоматизированные разварщики. Точность разварки на таком оборудовании достигает ±3 мкм с производительностью автоматизированного оборудования, как правило, до 7 соединений в секунду для клиновой сварки и до 17 соединений в секунду для шариковой. Весьма распространенными на светодиодных производствах являются автоматические разварщики iHawk и iHawkXtreme компании ASM (рис. 5).
Рис. 5. Автоматический разварщик iHawk
Операции с люминофором
Обсудим вторую часть технологии изготовления модулей СоВ, несущую в себе основные отличия от технологии дискретных светодиодов. Сюда относятся такие процессы, как формирование люминофорного слоя, формирование бортиков различной геометрии из силиконового компаунда, изготовление и установка первичной оптики. Основные типы этой части технологии могут быть классифицированы так же, как и основные типы конструкций, что было рассмотрено в предыдущей публикации ([2]), и разделены таким образом на четыре главных направления:
- плоская заливка люминофорной смеси по площади, ограниченной бортиком;
- формирование люминофорного слоя в виде капли, закрывающей чип и разварки;
- заполнение люминофорной смесью внутренней полости первичной линзы, установленной на плату модуля СоВ;
- изготовление удаленного люминофорного слоя (термин «удаленный» означает, что слой находится на определенном расстоянии от чипов).
Плоская заливка
Вариант с плоской заливкой схематически в разрезе показан на рис. 6а. Сначала формируется бортик из силиконового компаунда. Для этого используют программируемые полуавтоматические или автоматические дозаторы. Высота рамки в зависимости от конструкции модуля может составлять до 3 мм. Если рассматривать оборудование производства Asymtek, то в данном случае целесообразно применять тот же дозатор D-580, но с дозирующей головкой DV-8000, приспособленной в том числе и для быстрого нанесения на плату рамок и других подобных формообразований с характерной геометрией по типу рисунка.
Рис. 6. Варианты технологии люминофорного слоя СоВ:
а) плоская заливка;
б) капли на чипах
Наибольший интерес здесь представляет материал для рамки. В любом случае это будет силиконовый компаунд, но в выборе материала можно идти двумя путями. Первый способ — использовать тиксотропный компаунд с вязкостью более 20000 мПа·с. Во втором случае используется обычный эластомер — компаунд с вязкостью 3000–6000 мПа·с. В обоих случаях компаунд должен характеризоваться хорошим коэффициентом отражения видимого излучения — не хуже 90%. Поэтому или выбирается белый компаунд с указанными производителем оптическими свойствами, или в прозрачный компаунд замешивается достаточное количество неорганического порошкового материала с высокой отражательной способностью, например диоксида титана. Для этого имеет смысл использовать порошки с небольшим размером частиц — вплоть до десятков нанометров. Каждый из двух способов имеет свои особенности. Применение тиксотропного компаунда технически проще, но возникают вопросы, связанные с поиском подходящего под конкретное изделие материала. Использование эластомера предполагает дополнительную операцию его быстрого подсушивания для сохранения формы бортика перед процессом основной сушки рамки. После сушки рамки проводится нанесение люминофорной смеси в получившуюся емкость стандартным методом дозирования. Для этого подходит любой дозатор, обеспечивающий необходимую точность и предназначенный для работы с вязкими жидкостями.
Стандартная люминофорная смесь готовится путем смешивания собственно люминофора (порошкового неорганического кристаллического материала) с силиконовым прозрачным оптическим компаундом, обычно относящимся по своей вязкости к классу эластомеров. Завершается сборка изделия операцией сушки люминофорной смеси. Оборудование для данной операции — это различные варианты сушильных шкафов с максимальной рабочей температурой до +350 °С и, желательно, с контроллером, позволяющим задавать несколько режимов изменения температуры.
Капли на чипах
Модуль СоВ с люминофорным слоем в виде отдельных капель показан на рис. 6б. Капля закрывает чип, проволочные разварки и не покрытую маской металлизацию, обеспечивая таким образом герметизацию этого участка. Форма капли близка к полусферической, а диаметр составляет обычно около трех длин стороны чипа. Нанесение люминофорной смеси производится стандартным методом дозирования, но в качестве компаунда люминофорной смеси может быть использован только тиксотропный силикон.
Заполнение полости линз
Для изготовления модуля СоВ с линзами, внутренняя полость которых заполнена люминофорной смесью (рис. 7а), применяют несколько процессов. Во-первых, отдельно изготавливаются сами линзы. Сейчас все еще популярно производство линз из поликарбоната методом литья под давлением. Несмотря на известный недостаток этого материала — недостаточную устойчивость к воздействию тепла, определенных альтернатив пока нет.
Рис. 7. Варианты технологии люминофорного слоя СоВ:
а) отдельные линзы;
б) удаленный люминофор
К материалу линзы предъявляется достаточно много требований, среди которых инертность к применяемым в сборке светодиода материалам; хорошие оптические свойства; устойчивость к воздействию излучения; пригодность к процессу точного литья; небольшая стоимость и др. Возможно, в ближайшем будущем появятся линзы из силикона, но их применение будет иметь смысл лишь при сравнимой с поликарбонатом стоимости.
Процесс монтажа линзы из поликарбоната заключается в том, что ножки линзы закрепляются заподлицо в плате модуля методом компрессии. Метод обеспечивает одновременно воздействие ультразвука и тепла, причем локальное — только в местах крепления ножек. Качественная установка линзы совершенно исключает ее перемещение относительно платы, в том числе и при колебаниях температуры окружающей среды. Для закрепления линзы используются оригинальные установки, которые обычно разрабатываются под заказ, хотя и не относятся к категории дорогостоящего оборудования. Основой такой установки может быть, к примеру, полуавтоматический сварочный пресс.
Затем люминофорная смесь наносится в лунку линзы через отверстия в плате модуля СоВ. Одно отверстие служит для заполнения смесью, другое — для выхода воздуха в процессе заполнения. Может быть применен любой дозатор с достаточной точностью дозирования, но в качестве насадки на головку дозатора следует использовать иглу. Также имеет смысл ограничить применимость эластомеров для этого процесса материалами с твердостью в полимеризованном состоянии до 50 единиц класса А по Шору для лучшего оптического совмещения люминофорного слоя с внутренней поверхностью линзы.
Далее проводят сушку люминофорного слоя. Поскольку оптический поликарбонат начинает терять твердость при температуре +140…+145 °С, необходимо выбирать для изготовления люминофорной смеси такие силиконы, которые могут полностью отверждаться при более низкой температуре, например +100…+120 °С.
Удаленный слой
Про удаленный люминофорный слой можно сказать, что сейчас он, как правило, формируется отдельно, после чего устанавливается с помощью клея или прижима на отражатель модуля СоВ, как показано на рис. 7б. Отражатель также изготавливается отдельно из пластика с хорошей отражательной способностью и устанавливается на плату модуля. Способы установки отражателя могут быть различными, в зависимости от конструкций модуля и светильника. Удаленный слой может быть сформирован путем нанесения люминофора на поверхность компаунда или замешиванием люминофора в объем компаунда. Ввиду требований по устойчивости к факторам внешней среды, предъявляемым обычно к светодиодным изделиям, второй вариант представляется более перспективным. В таком случае изготовление слоя предполагает смешивание люминофора с компаундом и заливку полученной смеси в форму для сушки. Если используется стандартный силиконовый эластомер, форма должна быть изготовлена из материала, обладающего малой адгезией к силикону. Поиск такого материала сам по себе является достаточно нетривиальной задачей. Как вариант решения можно обратить внимание на некоторые пластики, в частности, полиметилпентен (обозначается PMP или TPX). Возможна отливка в металлическую форму с использованием тонкослойной прокладки из специального расходного материала. Сейчас в разработке ведущих компаний — производителей силиконов (например Dow Corning) находятся материалы, обладающие низкой адгезией к металлу и подходящими для изготовления удаленных люминофорных слоев механическими свойствами. Их применение представляется весьма перспективным. На рынке имеются предложения уже готовых люминофорных слоев. Применение такого материала возможно, но требует обязательных испытаний на эффективность и стабильность и, естественно, влечет за собой увеличение затрат на изготовление конечного изделия.
Материалы для люминофорной смеси
Скажем несколько слов о материалах для приготовления люминофорной смеси. Как было рассмотрено выше, в качестве компаунда в большинстве случаев целесообразно использовать силикон из класса эластомеров. Определение эластомер предполагает, что твердость компаунда в состоянии после отверждения может быть оценена с помощью шкалы Шора, класс А. Компаунд должен быть охарактеризован производителем как оптический и, что желательно, предназначенный именно для светодиодной техники. Среди известных производителей силиконов можно порекомендовать такие компании, как Dow Corning, Shin-Etsu, NuSil, Wacker. Одним из типичных примеров силиконового компаунда-эластомера можно считать материал OE-6520 компании Dow Corning. Он подходит и для изготовления варианта модуля СоВ с установленными пластиковыми линзами. В некоторых случаях в качестве компаунда люминофорной смеси необходимо использовать тиксотропный материал. Его примером может послужить силикон LPS-3421T компании Shin-Etsu.
Выбор люминофора
Отдельный аспект — выбор и приобретение люминофора. Рынок люминофоров всегда отличался некоторой закрытостью, связанной, с одной стороны, со сложностью измерения их характеристик, а с другой стороны — с патентными вопросами. Самыми лучшими люминофорами на сегодня все-таки следует признать материалы японского производства. Но сейчас продукция других разработчиков уже обладает практически теми же характеристиками, что и японские материалы, при существенно более низкой стоимости. Известны также силикатные люминофоры компании Intematix (Тайвань). Хотя они отстают по эффективности от классических вариантов на основе иттрий-алюминиевого граната, их выбор поддерживается несомненной патентной чистотой и готовыми решениями по увеличению цветопередачи. В том, что касается выбора одновременно эффективного и экономичного решения, можно обратить внимание на материалы компании Fultor (Китай) и на люминофоры НИИ «Платан» (Фрязино).
Сравнение технологий СоВ и дискретных светодиодов
Различия в технологическом цикле производства модулей СоВ и дискретных светодиодов могут быть проиллюстрированы диаграммой (рис. 8).
Рис. 8. Технологический цикл производства:
а) модули СоВ;
б) дискретные светодиоды
Первые пять операций в силу схожести технологии обеспечиваются практически аналогичной организацией производства и основным оборудованием. Процесс же нанесения люминофорной смеси, или, что точнее, формирования люминофорного слоя, отличается. Кроме стандартного дозирования, другими словами — для создания слоя специальной формы или свойств — в модулях СоВ и в дискретных светодиодах используются разные методы и оборудование.
Применение различающихся методик в основном обусловлено их целесообразностью. Для современных дискретных белых светодиодов не имеют экономического смысла ни бортик из белого отражающего силикона, ни удаленный люминофор. Вопрос об использовании синих светодиодов и удаленного люминофора оставим пока для отдельной дискуссии. Хотя из общих соображений понятно, что этот вариант является неким промежуточным между удаленным люминофором на СоВ и белыми светодиодами и несет в себе достоинства и недостатки обоих методов. С другой стороны, методы формирования малоразмерного люминофорного слоя для точечного источника света хотя и вполне применимы для изготовления СоВ, но не особенно нужны, так как точечный источник необходим прежде всего для корректной работы первичной и вторичной оптики, и его появление во многом обусловлено малыми размерами оптики дискретных светодиодов. В модуле СоВ желаемая диаграмма направленности излучения достигается вообще без использования вторичной оптики применением варианта конструкции с отдельными линзами. Точечный источник света для их работы не нужен. Оборудование для формирования люминофорных слоев тоже отличается. Экономическое преимущество в данном случае на стороне технологии СоВ. Для нанесения рамок используются те же дозаторы, что и для стандартного нанесения смеси. Для изготовления удаленного люминофора необходимо специальное оборудование, тем не менее постановка этого метода представляется сейчас менее затратной, чем организация участка производства для создания точечного источника. Самой простой технологией малоразмерного люминофорного слоя и по реализации, и по затратам является метод нанесения смеси с помощью микроспрея, внедрение которого требует как минимум установки дополнительного автоматического дозатора со специальной дозирующей головкой и насадками.
Рассмотрим следующие операции. Сушка люминофорного слоя аналогична для обоих вариантов технологии. Для дискретных светодиодов часто применяется операция изготовления линзы. Как правило, сейчас используют отливку линзы из оптического силикона высокой твердости (класс D по шкале Шора). Так на светодиоде формируется первичная оптика. Еще один процесс, который обычно отсутствует в технологии СоВ, — автоматическое разделение рамки или подложки на отдельные светодиоды. Небольшие по размеру модули СоВ (например, 20×20 мм на потребляемую мощность 8–10 Вт) тоже производятся в групповых заготовках и требуют разделения. Но такое разделение может быть ручным, а может отсутствовать при условии поставки потребителю в групповых платах. Сортировка модулей СоВ может быть значительно упрощена, поскольку не требуется высокоскоростного оборудования для проверки. Модуль проверяется на соответствие заявляемым светотехническим параметрам целиком, а не по отдельным чипам. Упаковать модуль также проще, чем отдельные светодиоды, потому что для светодиодов, как для компонентов электронной техники, требуется упаковка в специальную ленту, наматываемую на бобину. Эта операция выполняется на автоматических упаковщиках. Уже готовую бобину-катушку помещают в стандартный пакет и в коробку. Упаковка модулей СоВ может производиться обычным образом (в пакет и коробку). Для маленьких модулей можно применять упаковочную ленту, но скорость упаковки и количество изделий позволяют использовать полуавтоматическое оборудование.
Как видно, организация производства СоВ более экономична, чем производства дискретных светодиодов. Причины экономии — использование более простого оборудования для операций формирования люминофорного слоя, сортировки и упаковки. Во многих случаях не требуется оборудование для разделения групповой заготовки, если же этот процесс нужен, то он значительно упрощается в сравнении с технологией дискретных светодиодов. Не является необходимой отливка силиконовой линзы. Между тем машина для отливки линз составляет одну из самых затратных статей при подготовке светодиодного производства. Следует также учесть, что не было рассмотрено применение оборудования для поверхностного монтажа, необходимого для установки светодиодов на плату. В этом аспекте преимущество модулей СоВ — возможность простого монтажа в светильник, обычно предполагающая всего лишь проведение простой пайки и так называемой отверточной сборки.
Заключение
В первой части статьи ([2]) говорилось о разных типах конструкций модулей СоВ и было показано, что все они характеризуются своими преимуществами и вариантами применения. Сам собой возникает вопрос — не лучше ли производить вместо дискретных светодиодов только модули СоВ, если они охватывают все области применения, а организация их производства обходится заметно дешевле. Ответ на этот вопрос следующий. У светодиодов есть одно принципиальное преимущество перед модулями СоВ — универсальность использования. Используя одни и те же светодиоды, можно изготовить разные типы светильников. Однако не представляет интереса делать большие вложения в производственную линию для того, чтобы выпускать сравнительно небольшое количество светодиодов. Подобное производство становится выгодным, начиная с объемов в несколько миллионов светодиодов в месяц (оценочно, в пересчете на 1-Вт светодиоды). Как следствие, оно хорошо укладывается в бизнес-модель или крупной корпорации, имеющей несколько интегрированных производств разных типов светильников, составляющих широкий ассортимент продукции, или большого предприятия, для которого светодиоды являются конечным изделием. Эта картина совпадает с тем, что наблюдается в мировой практике организации светодиодных производств. Модуль СоВ не настолько универсален и больше подходит для создания на его основе изделий под конкретные применения, определенные с помощью маркетинговых исследований. Преимущества его производства лучше всего реализуются при организации предприятий, выпускающих обусловленный спросом модельный ряд светильников и ориентирующихся, в том числе, на выпуск продуктов для нишевых применений. Таким образом, технология СоВ является однозначно выгодной при малых и средних объемах производства. Но она применима и при больших объемах — при наличии на рынке потребителей конкретного продукта.
Какие технологии сборки светодиодного чипа ты знаешь
Аббревиатура СИД – означает светоизлучающий диод (в английском варианте LED — light emitting diode) Это своего рода полупроводниковый прибор, который широко используются в различных световых индикаторах, табло и т.д. Светодиод способен трансформировать электрическую энергию непосредственно в световую с высокой эффективностью, срок его службы может достигать десятков и сотен тысяч часов. По сравнению с традиционными лампами, светодиодные имеют такие преимущества как энергосбережение, надежность и т.д.
Тем не менее, для практического использования светодиодов в качестве источников света (Для защиты полупроводникового кристалла и обеспечения постоянной яркости свечения), их необходимо устанавливать на своеобразный корпус. Типы корпусов разрабатываются в соответствии к требованиям для каждого типа светодиодов, учитывая электрические и оптические параметры готового продукта.
Требования к корпусам светодиодов достаточно строги. Независимо от типа светодиода, будь то обычный светодиод или сверхъяркий SMD, для создания корпусов важно использовать надежное высокотехнологичное оборудование. От того насколько точно светодиодные чипы помещены в корпус, напрямую зависит яркость свечения всего устройства. Любое отклонение от установленного положения будет препятствовать отражению света и будет влиять на его яркость.
На выбор типа и корпуса светодиода влияют сфера их применения, размер, способы рассеивания тепла и яркость свечения. В настоящее время корпуса светодиодов можно разделить на следующие типы: Lamp-LED (стандартый светодиод), TOP-LED (светодиод с верхним свечением), Side-LED (светодиод с боковым свечением), SMD-LED (сверхъяркий светодиод), High-Power-LED (светодиод высокой мощности), Flip Chip-LED и так далее.
1. Lamp-LED
В этом типе светодиода применяется процесс герметизации. Жидкая эпоксидная смола заливается в формовочную полость, затем в жидкость вставляется светодиодный кристалл. Затем всё это кладется в сушильный шкаф, чтобы эпоксидная смола высохла. Светодиод, извлеченный из формы, и будет конечным продуктом. Т.к. техника производства этого вида диодов сравнительно проста, ее стоимость ниже, а доля на рынке достаточно велика.
2. SMD-LED
Сверхъяркие светодиоды SMD крепятся к поверхности печатной платы. В данном случае обычно применяется SMT-технология (Технология поверхностного монтажа). В этом типе светодиода используется пайка и с помощью неё могут быть решены проблемы, связанные с яркостью, углом свечения, плавностью, надежностью и стабильностью работы. В то же время, здесь используются более легкие печатные платы и материал отражателя. Более того, в данных сверхъярких SMD-светодиодах удалось избавиться от тяжелой углеродистой стали, из которой сделаны контакты чипов, используемые в первом описанном типе диодов, что позволило использовать меньшее количество эпоксидной смолы, необходимой при заполнении линзы отражателя. При этом размер и вес светодиодов снизился. Как правило, SMD-светодиод может снизить вес изделия на 50%.
3. Side-LED
В настоящее время одна из основных проблем светодиодных корпусов связана с боковым свечением. В процессе подсветки жидкокристаллических дисплеев необходимо, чтобы интенсивность бокового свечения была такая же, как и на поверхности. Хотя боковое свечение может быть осуществлено путем разработки необходимой конструкции, в этом случае эффект рассеивания тепла будет неидеальным. На данный момент компанией Lumileds был изобретен специальный отражатель. Используя принцип этого отражателя, диод может излучать боковой свет, и, таким образом, светодиоды высокой мощности могут успешно применяться для ЖК-подсветки.