Подписка на новости

Опрос

Какие лампы Вы используете для домашнего освещения?

Реклама

2015 №1

Новые серии светодиодов компании Cree на основе улучшенной технологической платформы

Туркин Андрей

Червинский Михаил


В настоящей статье приводится обзор новых серий полупроводниковых светодиодов, разработанных на основе новой технологической платформы SC5, представленной компанией Cree во второй половине 2014 года. Компания Cree продолжает укреплять лидирующие позиции среди производителей светодиодов, постоянно совершенствуя технологию изготовления и ежегодно выводя на рынок новые интересные продукты.

Введение

Осветительные устройства на основе светодиодов (СД) все больше заполняют рынок светотехнических изделий. Внедрение таких устройств идет достаточно быстрыми темпами и широким фронтом, охватывая различные области освещения. СД можно встретить повсеместно, поэтому потребители начинают к ним привыкать, а разработчики пытаются обосновать, какие светильники где применять, и объяснить, как лучше и правильнее сконструировать изделие.

С момента своего изобретения в начале 1960-х и до (настоящего времени СД прошли значительный путь, став одними из самых ярких источников света ([15]. Особенно надо отметить прорыв в физике и технологии полупроводников, произошедший в середине 90-х (годов ХХ века благодаря созданию гетероструктур на основе нитрида галлия (GaN) и его твердых растворов [16]. Благодаря этому достижению, которое было отмечено Нобелевской премией, врученной японским ученым Исаму Акасаки, Хироси Амано и Сюдзи Накамуре [7], светодиоды смогли проникнуть в коротковолновую область и тем самым перекрыть весь видимый диапазон оптического спектра [18], а также получить высокие значения квантового выхода и КПД [19]. Другими словами, удалось достичь результатов, прежде никогда не наблюдавшихся у светодиодов, что позволило начать их применение в светосигнальной аппаратуре [10]. Появление же в конце 90-х годов XX века светодиодов белого свечения, и особенно разработка в начале 2000-х принципиально нового класса светодиодов — мощных светодиодов, позволило говорить о светодиодах как о новых перспективных источниках света для освещения [4711].

На сегодня СД уже стали хорошей заменой практически для всех типов ламп — от накаливания до разрядных. Их основные преимущества — высокая световая отдача, компактные размеры, надежность и возможность выбирать необходимый оттенок света — повсеместно используются разработчиками в различных отраслях. Разнообразие применений обусловлено, прежде всего, многообразием типов и моделей СД различных цветов, размеров, форм и параметров.

В настоящее время рынок светотехнических изделий поступательно развивается благодаря постоянному появлению новых светодиодных продуктов. Хотя круг основных типов светодиодных изделий, можно сказать, практически сформировался, новые приборы продолжают появляться. Связано это как с новыми поколениями существующих серий светодиодов и изделий на их основе, предлагаемых компаниями-производителями, так и с освоением ими новых типов продукции, до настоящего времени не присутствовавшей в их линейке.

В качестве примера рассмотрим продукты серий XHP50 и XHP70 новой технологической платформы компании Cree — SC5, которая определяет принципиально новый класс мощности дискретных SMD-светодидов — eXtreme High Power. Двусмысленность расшифровки аббревиатуры SC — Silicon Carbide или System Cost — неслучайна. С одной стороны, создание новой технологической платформы предусматривало улучшение параметров основных компонентов светодиодов — кристалла, подложки, люминофора и линзы, устойчивых к работе на высоких температурах и плотностях мощности. С другой — именно высокие уровни светового потока и рабочей температуры, характерные для продуктов платформы SC5, являются ключевыми для снижения системной стоимости светильников за счет других наиболее дорогостоящих элементов конструкции — радиатора, оптики, размера печатных плат и т. д.

На рис. 1 приведен пример структуры себестоимости компонентов для уличного светодиодного светильника со световым потоком 15 000 лм, реализованного на светодиодах XP-G2 (платформа SC3 [14, 15]) и на светодиодах платформы SC5.

Пример структуры себестоимости компонентов для уличного светодиодного светильника

Рис. 1. Пример структуры себестоимости компонентов для уличного светодиодного светильника со световым потоком 15 000 лм на разных типах светодиодов Cree

Новая технологическая платформа

Итак, в основе новых светодиодов компании Cree, вышедших на рынок в конце 2014 года, лежит разработанная компанией новая технологическая платформа SC5. Концепция данной платформы содержит три основных тезиса:

  • достижение принципиально нового уровня светового потока с одного корпуса СД (1000-3000 лм) как ключ к радикальному уменьшению себестоимости системы (светильника);
  • минимальная и прогнозируемая деградация светового потока и стабильность цвета при длительной работе на повышенной температуре (от 35 000 ч по критерию L90 при температуре в точке пайки 105 °С [15]);
  • увеличение плотности светового потока и светимости (или OCF, Optical Control Factor) как возможность уменьшить размеры вторичной оптики (рефлектора, апертуры светильника и т. д.).

Как было отмечено выше, технологическая платформа SC5 определяет весь процесс изготовления светодиодов, начиная с выращивания эпитаксиальных структур для производства кристаллов. Традиционно компания Cree применяет собственную технологию выращивания гетероструктур GaN и его твердых растворов на подложках из карбида кремния (SiC), что предопределяет отсутствие дефектов кристалла и возможность его надежной эксплуатации в агрессивных режимах [16].

На первом этапе улучшения коснулись технологического процесса эпитаксиального выращивания структур с целью повышения внутреннего квантового выхода.

На втором этапе была разработана новая конструкция кристалла (чипа) для увеличения вывода излучения, уменьшения теплового сопротивления и, как следствие, повышения внешнего квантового выхода излучения при повышенной рабочей температуре р-n-перехода. Третий этап — улучшение параметров корпуса, особенно его оптической системы. Хочется обратить внимание на оптимизацию формы линзы для лучшего вывода излучения, повышение стабильности оптических характеристик при продолжительной работе на повышенной температуре, а также улучшение интенсивности и однородности свечения.

С точки зрения практического применения этих усовершенствований новой технологии наиболее интересной представляется возможность использовать светодиоды при больших мощностях (до 30 Вт на корпус) и температурах и достичь принципиально нового уровня светового потока. Как было сказано, это позволит использовать в светильниках нового поколения меньшее количество светодиодов для достижения целевого светового потока и, как следствие, снизить себестоимость решения за счет остальных компонентов.

По результатам испытаний инженерного центра компании Cree, увеличение температуры эксплуатации светодиодов с 55 до 85 °С позволяет сократить размеры и вес радиатора до двух раз, что помимо уменьшения стоимости светильника может положительно сказаться на потребительских характеристиках продукта (более компактный и легкий светильник).

Отдельно хочется отметить, что все новые светодиоды компании Cree проходят тестирование на деградацию светового потока при температурах 85 и 105 °С по стандарту LM80, результаты которых регулярно обновляются в документе, опубликованном на сайте компании www .cree.com/lm80.

В рамках рассматриваемой технологической платформы компания Cree вывела на рынок два новых продукта, представленных в ушедшем году, — светодиоды XHP50 и XHP70, принадлежащие к новому классу светодиодов экстремально высокой мощности. На рис. 2 показано позиционирование новых серий в дорожной карте дискретных продуктов Cree с точки зрения размера посадочного места и уровня производительности.

Дорожная карта мощных СД компании Cree

Рис. 2. Дорожная карта мощных СД компании Cree

Рассмотрим данные светодиоды и их преимущества более подробно.

Серия XLamp XHP50

Серия XHP50 (рис. 3) является младшей в сверхмощном классе. В корпусе светодиода расположены четыре кристалла размером 1,5×1,5 мм.

Мощный СД Cree XLamp серии XHP50

Рис. 3. Мощный СД Cree XLamp серии XHP50

Размеры основания данного СД составляют 5×5 мм [12], при этом важной особенностью является совместимость с посадочным местом и некоторыми линзами для популярной серии XM-L2.

Как и большинство серий XLamp, XHP50 выпускается в диапазоне цветовых температур 2700-6500 K [12], что соответствует теплому естественному и холодному оттенкам белого цвета. Важным преимуществом для разработчиков является унифицированная система биннинга многокристальных светодиодов EasyWhite, которая позволяет заказывать светодиоды по целевой цветовой температуре с необходимой повторяемостью цвета в пределах 2, 3 или 5 шагов Мак-Адама. XHP50 сохранили типичные для большинства дискретных серий XLamp форму и угол светораспределения (120°) [12].

Для всей серии XHP характерной особенностью является возможность универсального подключения для рабочего напряжения 12 и 6 В путем изменения топологии посадочного места на печатной плате, как показано на рис. 4.

Схема концепции топологии СД серии XHP компании Cree

Рис. 4. Схема концепции топологии СД серии XHP компании Cree

Таким образом, в зависимости от типа подключения, номинальное (максимальное) значение тока для данной серии составляет 1400 мА (3000 мА) и 700 мА (1500 мА) соответственно для 6 и 12 В. Значение светового потока XHP50 может достигать 2100 лм при максимальной мощности 18 Вт и температуре активной области (р-n-перехода) 85 °C [12].

Подобный уровень светового потока, учитывая относительно небольшие для четырехкристального СД размеры корпуса, можно получить только при очень хороших тепловых характеристиках, которые заложены в технологическую платформу SC5. Так, XHP может похвастаться достаточно низким тепловым сопротивлением между кристаллом и нижней точкой подложки (точкой пайки) — всего 1,2 °C/Вт.

На рис. 5 показан один из рекомендуемых сценариев применения XHP50 на примере реальных макетов демонстрационных модулей компании Cree. Видно, что решение на базе XHP50 позволяет более чем в 3 (!) раза уменьшить размеры и стоимость радиатора и печатной платы, а также сократить количество линз при сохранении основных параметров. Данный пример может быть масштабирован для светильников практически любой мощности.

Примеры реальных макетов демонстрационных модулей компании Cree

Рис. 5. Примеры реальных макетов демонстрационных модулей компании Cree с применением СД серии XHP50

Светодиоды XHP70 XLamp компании Cree

Серия XHP70 (рис. 6) заимствует многие черты конструкции XHP50, являясь, по сути, масштабированной копией с размером корпуса 7×7 мм [13], где расположены четыре кристалла размером 2×2 мм. Тип и размер кристалла унаследован от другого светодиода-рекордсмена — серии XP-L, инженеры, имеющие опыт работы с данным продуктом, сразу смогут оценить производительность XHP70.

Мощный СД Cree XLamp серии XHP70

Рис. 6. Мощный СД Cree XLamp серии XHP70

Система биннинга, форма светораспределения и тип подключения с двумя опциями по напряжению для серии XHP70 аналогичны серии XHP50 [13]. Номинальное (максимальное) значение тока в зависимости от типа подключения составляет 2100 мА (4800 мА) и 1050 мА (2400 мА) соответственно для 6 и 12 В.

Как было отмечено выше, значение светового потока XH350 может достигать 3500 лм при максимальной мощности 30,5 Вт и температуре активной области (р-n-перехода) 85 °C [13]. Следует обратить внимание, что здесь и выше оценка сделана для лучшего бина по световому потоку, доступного для заказа на момент написания статьи. При этом скорость увеличения светоотдачи серийных продуктов Cree составляет 7-14% в год.

Как и в случае с серией XHP50, достижение максимальных значений светового потока серии XHP70 возможно только при очень хороших тепловых характеристиках, которые обеспечивает технологическая платформа SC5. Так, тепловое сопротивление корпуса данного типа СД составляет всего 0,9 °C/Вт, а первый пакет данных испытаний светодиода по стандарту LM-80 подтверждает высокий срок службы свыше 35 000 часов по критерю L90 на токе 3 А (6 В) при температуре 105 °C. Также по мере прохождения испытаний планируется публикация данных о тестировании при температуре 125 °С при значениях тока, близких к максимальному.

Еще раз хочется подчеркнуть, что основной идеей разработки новых продуктов была не просто демонстрация технологических возможностей компании Cree в виде высокого уровня мощности и надежности, определяющего новый класс светодиодов в индустрии освещения. Увеличение светового потока при повышенной температуре при достаточно небольших размерах корпуса позволяет существенно снизить число светодиодов в изделии. При грамотном применении меньшего количества вторичной оптики, оптимизации топологии печатной платы и уменьшении размера радиатора можно достичь существенного снижения стоимости новых решений.

Заключение

На текущем этапе развития индустрия светодиодного освещения требует постоянного сокращения стоимости решений для их повсеместного внедрения. Анализ структуры себестоимости типовых решений для светильников уличного и промышленного освещения показывает, что на долю собственно светодиодов приходится лишь 15-30%. Причем значительный потенциал по снижению себестоимости кроется в таких компонентах, как система теплоотвода, драйвер и оптика.

Рассматривая в качестве основного источника света светодиод со световым потоком от 1000 лм, обеспечивающий высокую светоотдачу и стабильность характеристик при температурах порядка 105 °C, компания Cree предлагает новые продукты сверхвысокой мощности, которые призваны помочь участникам рынка радикально пересмотреть подход к проектированию светильников. Анализ последнего десятилетия развития светодиодов показывает, что в ближайшем будущем такой режим может стать индустриальным стандартом для рынка, так же как в свое время признавались эталонными серии XR-E, XP-E, XP-G, XM-L, чьи параметры определяли общий подход к проектированию светильников предыдущих поколений.

Литература

  1. Юнович А. Э. Светодиоды на основе гетероструктур из нитрида галлия и его твердых растворов // Светотехника. 1996. № 5-6.
  2. Юнович А. Э. Ключ к синему лучу, или о светодиодах и лазерах, голубых и зеленых // Химия и жизнь. 1999. № 5-6.
  3. Туркин А. Н. Нитрид галлия как один из перспективных материалов в современной оптоэлектронике // Компоненты и технологии. 2011. № 5.
  4. Туркин А. Н. Полупроводниковые светодиоды: история, факты, перспективы // Полупроводниковая светотехника. 2011. № 5.
  5. Туркин А. Н. Обзор развития технологии полупроводниковых гетероструктур на основе нитрида галлия (GaN) // Полупроводниковая светотехника. 2011. № 6.
  6. Kudryashov V. E., Turkin A. N., Yunovich A. E., Zolina K. G., Nakamura S. Spectra of superbright blue and green InGaN/AlGaN/GaN light-emitting diodes. Journal of the European Ceramic Society. 1997. Vol. 17, Issues 15-16.
  7. Туркин А. Н., Юнович А. Э. Лауреаты Нобелевской премии 2014 года по физике — И. Акасаки, Х. Амано, С. Накамура // Природа. 2015. № 1.
  8. Золина К. Г., Кудряшов В. Е., Туркин А. Н., Юнович А. Э. Спектры люминесценции голубых и зеленых светодиодов на основе многослойных гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN с квантовыми ямами. ФТП, 1997. Том 31. № 9.
  9. Туркин А. Н., Юнович А. Э. Измерения мощности излучения голубых и зеленых InGaN/AlGaN/GaN-светодиодов с помощью фотопреобразователей из аморфного кремния // Письма в ЖТФ. 1996. Том 22. Вып. 23.
  10. Тринчук Б. Ф. Светосигнальная аппаратура на светодиодах // Светотехника. 1997. № 5.
  11. Светодиоды и их применение для освещения. Под общей редакцией ак. АЭН РФ Ю. Б. Айзенберга. М.: Знак, 2012.
  12. www .cree.com/LED-Components-and-Modules/Products/XLamp/Arrays-Directional/XLamp-XHP50
  13. www .cree.com/LED-Components-and-Modules/Products/XLamp/Arrays-Directional/XLamp-XHP70
  14. Туркин А., Червинский М. Новинки от компании CREE — светодиоды средней мощности на керамическом основании и расширение линейки высоковольтных светодиодов // Полупроводниковая светотехника. 2014. № 4.
  15. Юровских Д. Деградация светодиодов. Связь между условиями эксплуатации, реальным и прогнозируемым сроком службы // Доклад на открытой дискуссии Светотехнической торговой ассоциации. www .lta.ru/images/Presentations/%D0%A1%D0%A2%D0%90_%D0%BA%D1%80%D1%83%D0%B3%D0%BB%D1%8B%D0%B9_%D1%81%D1%82%D0%BE%D0%BB_2014-11.pdf
  16. Туркин А. Н., Дорожкин Ю. Б. Новое поколение мощных светодиодов Cree: особенности, преимущества, перспективы // Полупроводниковая светотехника. 2012. № 4.

Скачать статью в формате pdf  Скачать статью в формате pdf


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке