Номенклатура и параметры современных белых светодиодов компании OSRAM Opto Semiconductors

Компания OSRAM Opto Semiconductors GmbH (Регенсбург, Германия) является одним из крупнейших производителей светодиодов в мире и входит в состав концерна OSRAM GmbH, история которого насчитывает более 100 лет. Торговая марка OSRAM была зарегистрирована в 1906 г. как научно-прозводственное предприятие Auer-Gesellschaft в Берлине и составлена из частей названий элементов осмия и вольфрама [1].

Рис. 1. Лампа накаливания OSRAM 1910 г.

На рис. 1 показана одна из первых ламп накаливания, выпущенная компанией в 1910 г. Основное участие в разработке металлических нитей накала из редкоземельных элементов принял австрийский химик Карл Ауэр фон Вельсбах (1858–1929 гг., рис. 2), основавший OSRAM [2].

Рис. 2. Карл Ауэр фон Вельсбах

OSRAM Opto Semiconductors GmbH образована в 1999 г. как совместное предприятие OSRAM GmbH и Infineon Technologies. В 2001 г. все акции оптического подразделения Infineon перешли к OSRAM. В 2003 г. компания запустила первую очередь самого современного в мире завода по производству оптических чипов площадью 36 000 м² в Регенсбурге, вторая очередь завода официально была открыта в 2008 г. Компания сертифицирована по стандартам качества EN ISO 9001:2008, ISO TS 16949:2009, DIN EN ISO/IEC 17025:2005 l SQ-1000.

OSRAM разрабатывает передовые технологии производства светодиодов на основе материалов InGaAlP, InGaN, GaAs. Перечислим некоторые из достижений фирмы:

• 1996 г. — в сотрудничестве с институтом Фраунгофера разработан первый конверторный белый светодиод (White converted LED).
• 2002 г.— запущен в производство первый полимерный OLED.
• 2007 г. — выпуск модуля OSTAR со световым потоком более 1000 лм.
• 2009 г. — выпуск мощных светодиодов в керамических корпусах семейства OSLON.
• 2009 г. — первый OLED для освещения ORBEOS.
• 2011 г. — начало производства светодиодных чипов по технологии ThinGaN на пластинах диаметром 6″.

Компания имеет обширную сеть дистрибьюторов по всему миру, в России это EBV Electronik, RUTRONIK, имеется также офис продаж OSRAM Russia.

OSRAM Opto Semiconductors разрабатывает и производит продукты в следующих категориях: светодиоды; инфракрасные приборы; лазерные диоды; интеллектуальные дисплеи; продукты, соответствующие требованиям директивы RoHS; решения по стандартизации; светодиодные решения, а также ряд продуктов материнской компании OSRAM AG [3].

В каталоге фирмы 2012 г. представлена широчайшая номенклатура цветных и белых светодиодов различного назначения:

• Светодиоды стандартной мощности класса SMT Top Emitter серий TOPLED, Mini TOPLED, PointLED, SmartLED, CHIPLED. Выпускается широкая номенклатура приборов различных цветов в разнообразных корпусах, в том числе белых или черных, с линзами и без них, с различными типами креплений. Выпускаются также сверхтонкие приборы толщиной 0,35 мм.
• Светодиоды средней мощности класса SMT Top Emitter серий Power TOPLED, Advanced Power TOPLED, Advanced Power TOPLED Plus. Приборы отличаются высокой световой эффективностью и компактными корпусами, в номенклатуре представлены все цвета и оттенки белого света.
• Мощные светодиоды класса SMT Top Emitter серий OSLON Black Series, OSLON SX, OSLON MX, OSLON LX, OSLON SSL, OSLON Square. Приборы данного класса выпускаются в компактных корпусах с силиконовыми линзами и отличаются хорошими тепловыми параметрами.
• Светодиоды семейства DURIS — DURIS E 5, DURIS E 3, DURIS P. Приборы сочетают высокую эффективность с широкой диаграммой углового распределения силы света и выполнены в компактных корпусах.
• Светодиоды семейства DRAGON — Golden DRAGON, Golden DRAGON Plus, Golden DRAGON Plus oval, Platinum DRAGON, Diamond DRAGON, Golden DRAGON ARGUS. Приборы обеспечивают точечное освещение большой мощности, выпускаются светодиоды различных цветов и оттенков белого света.
• Импульсные светодиоды для фотовспышек серий CERAMOS, OSLUX.
• Светодиоды семейства OSRAM OSTAR — OSRAM OSTAR Lighting Plus, OSRAM OSTAR SMT, OSRAM OSTAR Projection, OSRAM OSTAR Headlamp. Приборы предназначены для целевых применений, таких как автомобильные фары и прожекторы, отличаются очень высокой яркостью, низким тепловым сопротивлением и длительным сроком службы.
• Светодиоды с боковым излучением класса SMT Side Emitter серий SIDELED, Multi SIDELED, Micro SIDELED, FIREFLY. Основное назначение приборов — подсветка дисплеев и световодов, доступны исполнения с высотой 0,35–4 мм различных цветов.
• Многоцветные светодиоды класса SMT Multicolor LED серий MULTILED, Multi TOPLED, Multi SIDELED, Multi CHIPLED, OSRAM OSTAR SMT. Выпускаются двух- и трехцветные приборы с высокой эффективностью и в различных корпусах.
• Светодиоды в корпусах с выводами для монтажа в отверстия, выпускаются приборы диаметром 5 мм и овальные [4].

Рис. 3. Внешнее освещение жилых домов

Рис. 4. Автомобильное освещение

Рис. 5. Театральное освещение

Светодиодные решения OSRAM нашли применение в самых различных областях человеческой деятельности, в том числе: для внутреннего и внешнего освещения жилых помещений и домов (рис. 3); автомобильных приложений (рис. 4); студийного и театрального освещения (рис. 5); освещения витрин и торговых залов магазинов; освещения офисов; промышленного освещения; проекционных систем; медицинских приложений (на рис. 6 показана подсветка эндоскопов, на рис. 7 — подсветка наголовных приборов).

Рис. 6. Подсветка эндоскопов

Рис. 7. Наголовное освещение

На рис. 8 можно видеть выполненную компанией систему освещения ресторана круизного лайнера Celebrity Solstice, а на рис. 9 и 10 — архитектурную подсветку стадиона Green Point в Кейптауне (2010 г.) и отеля YAS в Абу-Даби.

Рис. 8. Освещение круизного лайнера

Рис. 9. Архитектурная подсветка стадиона

Рис. 10. Архитектурная подсветка отеля

Классификационные параметры белых светодиодов приведены в таблице.

Примечание: * — продукты, рекомендуемые производителем для новых разработок; ** — продукты, применимость которых для новых изделий нужно уточнять у производителя; пустые ячейки таблицы свидетельствуют об отсутствии соответствующих параметров в DataSheets приборов.

Как видно из таблицы, для многих моделей нормированы индексы цветопередачи, в том числе и для светодиодов с высокой цветовой температурой (до 8200 К), имеются устройства с очень высоким качеством цветопередачи (CRI = 95). Рассмотрим особенности некоторых приборов компании, Datasheets на которые выпущены или откорректированы в 2010–2012 гг.

Светодиоды стандартной мощности (Standard Power LED)

Приборы этой категории обеспечивают световой поток в диапазоне от 0,4 лм при прямом токе 5 мА (серия CHIPLED) до 6,3 лм/20 мА (серия TOPLED) и выпускаются в различных корпусах, к основным из которых относятся PLCC2. Варианты исполнения показаны на рис. 11, 12, 13.

Рис. 11. LUW T6SG в корпусе PLCC2

Рис. 12. LW M67C в корпусе White SMT

Рис. 13. LW L283 в корпусе SMT 0603

LUW T6SG (Datasheet 2010 г.) — приборы выполнены по технологии ThinGaN в корпусах 3,4×2,3×0,9 или 3×2,1×0,7 мм (без учета выводов) и содержат защитные диоды, включенные в обратной полярности параллельно светодиодам. Предусмотрено 12 исполнений (бинов) по цветовым координатам и четыре исполнения по световому потоку и силе света. Области применения светодиодов, рекомендованные производителем: открытые дисплеи (outdoor display); системы подсветки (ЖК-дисплеи, кнопки, переключатели, надписи, реклама); замена небольших ламп накаливания, светильники для чтения; аварийное освещение; подсветка знаков и указателей. Основные параметры приборов (кроме приведенных в таблице):

• диапазон рабочих температур –40…+110 °С;
• максимальная температура кристаллов T_j = +125 °С;
• максимальный прямой ток 50 мА;
• максимальная потребляемая мощность 185 мВт;
• тепловое сопротивление p-n-переход/окружающая среда (Junction/ambient) — 340 К/Вт, p-n-переход/точка пайки (Junction/solder point) — 180 К/Вт;
• прямое напряжение 2,9–3,7 В (при I_пр = 20 мА);
• расчетный срок службы 50 000 ч (при I_пр = 10 мА, Т = +25 °С), 10 000 ч (при I_пр = 20 мА, Т = +85 °С).

Светодиоды средней мощности (Mid Power LED)

Приборы данной категории обеспечивают световой поток в пределах от 0,95 лм при токе 30 мА (серия Power TOPLED) до 39 лм/100 мА (серия Advanced Power TOPLED Plus) и выпускаются в корпусах PLCC4 (рис. 14, LUW E6SG), PLCC6 (рис. 15, LW G6CP).

Рис. 14. Корпус PLCC4

В состав серии Advanced Power TOPLED Plus входят приборы белого света LUW G5GP, LCW G5GP. Они являются продолжением Advanced Power TOPLED и обеспечивают примерно на 15% больший световой поток. В состав серии входят также светодиоды красного (l_d = 623 нм), зеленого (527 нм) и синего (457 нм) цветов. Световая эффективность прибора LUW G5GP может достигать значения 90 лм/Вт. Модели этой серии отличаются низкой мощностью рассеяния, что позволяет обеспечить высокую освещенность в любых приложениях, в том числе для освещения небольших комнат или замкнутых объектов.

Рис. 15. Корпус PLCC6

Структура светодиодов этой серии показана на рис. 16. В пластиковый корпус впрессованы позолоченные выводы анода и катода (материал NiAu) и интегрированы чипы светодиода и защитного (ESD) диода (закреплены на выводах анода).

Рис. 16. Структура светодиодов Advanced Power TOPLED Plus

На верхнем торце корпуса установлена силиконовая линза. Такая конструкция обеспечивает тепловое сопротивление порядка 40 К/Вт и антистатическую защиту до 2 кВ в соответствии со стандартом JESD22-114D. Области применения, рекомендованные производителем:

• системы прямой (Direct-view) задней подсветки и подсветки через световоды (Light guide) ЖК-панелей;
• видеостены с крупными элементами изображения;
• световые табло со сменным изображением (Variable-message signs — VMS);
• освещение холодильников, морозильных камер и стиральных машин;
• внутреннее и внешнее освещение зданий;
• архитектурная подсветка;
• освещение коммерческих и жилых помещений;
• освещение территорий и вывесок;
• указатели (маршруты отправления и т. п.);
• объемные вывески и знаки (Channel letters).

На рис. 17 показана лампа, состоящая из 30 светодиодов LCW G5GP. При длине светового окна 350 мм такая лампа обеспечивает световой поток 540 лм при цветовой температуре 3000 К Общая мощность потребления лампы — 12 Вт, включая схему управления. Электронные компоненты заключены в алюминиевый кожух, выполняющий роль теплоотвода.

Рис. 17. Светодиодная лампа

Основные параметры прибора LCW G5GP:

• число исполнений по цветовым координатам — 54 (14 для LUW G5GP);
• число исполнений по световому потоку и силе света — 6 (5 для LUW G5GP);
• рабочий диапазон температур — –40…+85 °С;
• максимальный прямой ток — 200 мА;
• прямое напряжение — 2,8–3,8 В.

Светодиоды большой мощности

Приборы этой категории обеспечивают световой поток от 6 (серия DURIS E3) до 1120 лм (серия OSRAM OSTAR Headlamp). Некоторые светодиоды отличаются высокой световой эффективностью — более 100 лм/Вт.

Рис. 18. Керамический корпус SMD

Приборы выпускаются в различных корпусах: керамический SMD с линзой (рис. 18, LUW CN7N), специальный (рис. 19, LE UW D1W), multi chip SMT (рис. 20, LE CWS2LN.EC) и др.

Рис. 19. Специальный корпус

В составе семейства OSLON шесть серий приборов (таблица) со световым потоком от 18 (серия OSLON SX) до 360 лм (серия OSLON Square). Наибольшей эффективностью характеризуются светодиоды OSLON Black Series (до 145 лм/Вт) и OSLON Square (до 146 лм/Вт). Кроме приборов белого света в состав семейства входят красные, синие, зеленые, янтарные и желтые светодиоды. Белые выпускаются двух разновидностей — с теплым (Multiphosphor White) и холодным (Ultra White) светом.

Рис. 20. Корпус multi chip SMT

Светодиоды этого семейства выпускаются в керамических корпусах с силиконовыми линзами, обеспечивающими тепловое сопротивление в пределах 4–27 К/Вт. Компактная конструкция приборов позволяет легко компоновать их в кластеры. Эскиз конструкции представителей данного семейства в разрезе показан на рис. 21, на подложке из керамики с высокой теплопроводностью установлены светодиодный чип и ESD; подвод тока к кристаллам осуществляется через золотые траверсы, приваренные к контактным площадкам, интегрированным в керамическую подложку.

Рис. 21. Структура светодиодов OSLON

В OSLON Black Series, кроме белых, входят ярко-синий, синий, зеленый (технология ThinGaN), красный, янтарный и желтый (технология Thinfilm) светодиоды. Приборы серии отличаются высокой надежностью и длительным сроком службы. На рис. 22 приведены зависимости светового потока светодиодов, выполненных по технологии ThinGaN, от расчетного срока службы при температуре в точке пайки T_s = +85 °С (находится в районе расположения кристалла на нижней стороне подложки) и различных значениях прямого тока. Как видно на графиках, деградация светового потока приборов достигает порядка 20% при их эксплуатации в течение 100 000 ч, что является очень высоким показателем надежности этих светодиодов.

Рис. 22. Расчетный срок службы

LUW H9GP (Datasheet 2011 г.) — серийный белый светодиод семейства OSLON Black Series с высокой световой эффективностью (145 лм/Вт). Выпускаются две разновидности приборов: LUW H9GP-KYLY-4C8E-1 с типовой цветовой температурой 6500 К и LUW H9GP-KYLY-5F8G-1 с Т_цв = 5700 К. Светодиоды выполнены в керамических корпусах с силиконовыми линзами размерами 3,85×3,95×2,41 или 3,65×3,75×2,17 мм. Предусмотрено несколько десятков исполнений (бинов) по цветовым координатам и по четыре исполнения по прямому напряжению и световому потоку/силе света. Приборы удовлетворяют требованиям стандарта AEC-Q101-REV-C (параметры стресс-тестов дискретных полупроводниковых приборов для автомобильных приложений). Основные характеристики приборов:

• диапазон рабочих температур –40…+125 °С;
• максимальная температура кристаллов T_j = +150 °C;
• электростатическая устойчивость до 8 кВ, в соответствии со стандартом JESD22 – A114- D;
• прямое напряжение — 2,75–3,75 В (при I_пр = 350 мА, Т = +25 °С);
• тепловое сопротивление кристалл/точка пайки R_{th js} = 6,5 К/Вт.

В состав серии OSLON SSL, кроме белых, входят синие, ярко-синие (Deep Blue), зеленые, желтые, янтарные, красные и ярко-красные (Hyperred) светодиоды. В семействе OSLON Square имеются белые и ярко-синие светодиоды. Приборы рассматриваемых серий разрабатывались для систем общего и архитектурного освещения с высокой интенсивностью излучения и длительным сроком службы. Компактные корпуса приборов позволяют легко собирать их в кластеры большой мощности. При изготовлении светодиодов используются технологии Thin film, ThinGaN (или UX:3). Приборы серий характеризуются очень большим расчетным сроком службы, например для белых, синих и зеленых светодиодов (технология ThinGaN) достигнут уровень излучения порядка 80–85% от исходного значения через 100 000 ч при токах до 530 мА (OSLON SSL)/1,1 A (OSLON Square) и температуре точек пайки T_s = +85 °C.

Рис. 23. Спектральная характеристика

LCW CQ7P.CC (2011 г) — прибор серии OSLON SSL с теплым белым светом и высоким качеством цветопередачи (типовой индекс CRI = 95). Его спектральная характеристика приведена на рис. 23, там же показана стандартная кривая видности. Области применения, рекомендованные изготовителем: освещение магазинов; модернизация систем освещения жилых помещений и осветительных приборов (Residential retrofits & fixtures); прожекторы (Spot lights); освещение музеев; освещение развлекательных мероприятий (Stage lighting). Основные особенности и параметры прибора:

• световой поток от 74 лм (при I_пр = 350 мА) до 127 лм (700 мА);
• малая высота корпуса — 2,35 или 2,11 мм;
• различные исполнения по цветовым координатам, световому потоку и прямому напряжению;
• сохранение величины светового потока при длительной эксплуатации в соответствии со стандартом IESNA LM-80;
• диапазон рабочих температур –40…+120 °С;
• максимальная температура кристаллов +135 °С;
• максимальный прямой ток — 800 мА;
• прямое напряжение — 2,75–3,5 В;
• тепловое сопротивление кристалл/точка пайки — 7 К/Вт.

LUW CQAR, версия EQW (2011 г.) входит в серию OSLON Square. Приборы типа Streetwhite отличаются несколько меньшей световой эффективностью (139 лм/Вт), бóльшим числом исполнений и по некоторым другим параметрам. Области применения, рекомендованные изготовителем: техническое энергосберегающее освещение; системы промышленного освещения; замена менее эффективных светодиодов. Для приборов Streetwhite — наружное освещение; освещение туннелей и улиц; промышленные светильники; освещение знаков и указателей. Основные особенности и параметры представителей данной серии:

• различные исполнения по цветовым координатам, световому потоку и прямому напряжению;
• диапазон рабочих температур –40…+110 °С;
• максимальная температура кристаллов +125 °С;
• максимальный прямой ток 1,5 А;
• прямое напряжение 2,75–3,5 В;
• тепловое сопротивление кристалл/точка пайки — 3,8 К/Вт.