Перспективные светодиоды компании Avago Technologies

Деятельность компании Avago Technologies началась еще в составе подразделения электронных компонентов корпорации Hewlett-Packard (НР), основанной в 1939 г. однокурсниками Стэнфордского университета. На фотографии (рис. 1) Билл Хьюлетт (Bill Hewlett, 1913–2001 гг.) и Дэйв Паккард (Dave Packard, 1912–1996 гг.) запечатлены 1 января 1939 г. в «гаражной» лаборатории НР (рис. 2) [1]. В 1999-м из головной корпорации НР была выделена компания Agilent Technologies, в которую вошла Semiconductor Products Group (SPG). В 2005 г. за $2,66 млрд она была выкуплена компаниями KKR и Silver Lake Partners, основавшими затем Avago Technologies. В последующие годы в новой компании собралась команда из более чем 2000 разработчиков и конструкторов, поддерживающая сотрудничество со специалистами по разработке и проектированию во всем мире, что позволило создать множество принципиально новых технологий [2].

Рис. 1. Б. Хьюлетт и Д. Паккард

Рис. 2. Гаражная лаборатория НР

Компания выпускает широкую номенклатуру изделий электроники (более 6500 продуктов) для четырех основных целевых рынков: беспроводная связь, приборы для сетевых инфраструктур, промышленная и автомобильная электроника, бытовая и вычислительная техника. Продукты компании применяются в сотовых телефонах, сетях передачи и хранения данных, телекоммуникационном оборудовании, системах автоматизации производства, энергетике, альтернативных источниках электроэнергии, мониторах, оптических «мышах», принтерах и в других приложениях. Фирма владеет более чем пятью тысячами американских и зарубежных патентов и патентных заявок [3], капитализация компании $7,515 млрд (по данным на 12.09.2011), президент и CEO — Хок Тан (Hock E. Tan). Продукцию компании в России представляют известные мировые и отечественные дистрибьюторы электронных компонентов: Arrow Electronics Russia, EBV Electronik, «ЭФО», «ЭЛКОТЕХ», Farnell, ГАММА, Макро Групп и др.

Укажем некоторые ключевые моменты в развитии бизнеса и технологий компании:

• 1960-е гг. (в составе НР) — первые серийно выпускаемые светодиоды для точечно-матричных индикаторов. Разработка качественно новых GaAsP-светодиодов, впоследствии нашедших применение в алфавитно-цифровых индикаторах, светофорах, указателях.
• 1970-е гг. (в составе НР) — выпуск первых волоконно-оптических приемников и передатчиков для передачи данных.
• 1990-е гг. (в составе НР, SPG) — выпуск самого яркого в мире светодиода с высокой надежностью и низким потреблением электроэнергии, способного заменить лампы накаливания.
• 2005 г. — создание одной из крупнейших в мире частной независимой компании Avago Technologies, специализировавшейся на полупроводниковых приборах.
• 2007 г. — приобретение оптоволоконного подразделения компании Infineon.
• 2009 г. — первичное размещение акций на бирже NASDAQ (биржевое сокращение AVGO).
• 2010 г. — получение рекордного годового дохода — $2,1 млрд.
• 2011 г. — выход на новый уровень качества изображения электронных информационных панелей и полноцветных дисплеев (благодаря самым ярким на рынке овальным светодиодам для сквозного монтажа).

Компания является одним из крупнейших производителей светодиодов в мире и ежегодно выпускает миллиарды единиц высоконадежной продукции в широчайшем ассортименте. Светодиоды и светодиодные блоки предназначены для широкого применения, в том числе для электронных знаков и сигналов, в автомобильной промышленности, системах освещения и для подсветки ЖК-дисплеев. Потребителям доступны, кроме белых, светодиоды различных цветов: оранжевые, голубые, янтарные, красные, темно-красные, синие, зеленые, желтые и др., а также двух- и трехцветные. Производство продукции осуществляется в соответствии с требованиями стандарта качества ISO 9001.

В каталоге компании 2011 г. представлены следующие категории светодиодов:

• цветные AlInGaP ChipLED для автомобильной электроники (три типа приборов);
• цветные AlInGaP и InGaN высокой яркости для поверхностного монтажа (восемь серий по четыре цвета);
• цветные AlInGaP и InGaN высокой яркости для сквозного монтажа (19 серий, более 500 типов) в круглых и овальных корпусах диаметром 3, 4 и 5 мм;
• цветные AlInGaP, InGaN и белые InGaN высокой мощности (65 типов);
• цветные AlInGaP, InGaN и белые InGaN высокой мощности Moonstone (77 типов);
• цветные и двухцветные AlInGaP и InGaN со встроенным резистором стандартной яркости для сквозного монтажа (более 250 типов) выпускаются в прямоугольных и круглых корпусах диаметром 3 и 5 мм;
• цветные AlInGaP и InGaN сверхминиатюрные в корпусах размерами 2,2×2,1×2,2; 3,2×2,4×2,4; 2,2×2,1×2,9 мм с куполообразными линзами (185 типов);
• цветные, двух- и трехцветные AlInGaP и InGaN ChipLED для поверхностного монтажа (54 типа);
• цветные, многоцветные и белые InGaN в PLCC-корпусах для поверхностного монтажа (семь серий, более 130 типов);
• одноцветные для поверхностного монтажа (66 типов) в сверхминиатюрных корпусах размерами 1,6×(0,4/0,6/0,8)×(0,35/0,4/0,6/0,8) мм;
• светодиоды для вспышек фотокамер (четыре типа) [4].

Классификационные параметры большинства белых светодиодов компании для систем освещения и подсветки из каталога 2011 г. приведены в таблице.

Рассмотрим особенности и параметры некоторых перспективных серий приборов более подробно.

Серия ASMT-Ax00

Кроме приведенных в таблице приборов, в состав серии входят красные (λ_д = 620–635 нм), оранжево-красные (λ_д = 610–620 нм), янтарные (λ_д = 587–597 нм, четыре бина), синие (λ_д = 455–475 нм, четыре бина), ярко-синие (λ_д = 440–460 нм, четыре бина), голубые (λ_д = 490–520 нм, шесть бинов) и зеленые (λ_д = 515–535 нм, четыре бина) светодиоды. Белые светодиоды в круглых корпусах размерами Ø8×4,1 мм выпускаются в сорока различных исполнениях с цветовыми температурами 2700–10000 К, их внешний вид показан на рис. 3. Особенности приборов серии:

• металлическая вставка (Metal Slug) в корпусах для улучшения отвода тепла;
• возможность пайки оплавлением припоя;
• возможность работы при больших токах;
• длительный срок службы;
• широкий угол распределения силы света;
• герметизация силиконом (Silicon encapsulation);
• высокая устойчивость к статическим зарядам (порог >16 кВ);
• чувствительность к воздействию влаги уровня 2а MSL (Moister Sensitivity Level).

Рис. 3. Внешний вид светодиодов серии ASMT-Ax00

Области применения светодиодов серии, рекомендованные производителем: архитектурное, дорожное (Channel Backlighting) и контурное (Contour Lighting) освещение, подсветка витрин, декоративное и парковое освещение. Приборы на основе AlInGaP (красные, оранжево-красные, янтарные) могут эксплуатироваться при температурах окружающей среды –40…+115 °С и максимальной температуре кристаллов +125 °С, а на основе InGaN (остальные цвета и белые) — при –40…+120 °С/+135 °С. Максимально допустимый постоянный прямой ток светодиодов 500 мА; потребляемая мощность AlInGaP-приборов — 1,23 Вт, InGaN — 1,83 Вт (1,98 Вт для голубых светодиодов). На рис. 4 приведена зависимость относительного светового потока InGaN-светодиодов от прямого тока. Прямое напряжение AlInGaP-светодиодов находится в пределах 1,7–2,3 В, белых InGaN-светодиодов — 2,8–3,5 В.

Рис. 4. Зависимость относительного светового потока светодиодов серии ASMT-Ax00 от прямого тока

Серия ASMT-Ax3x

В данную серию входят светодиоды с такими же цветами, основными параметрами и областями применения. Отличиями, кроме приведенных в таблице, являются более высокий максимальный прямой ток (до 700 мА) и потребляемая мощность: 1,82 Вт для AlInGaP, 2,73 Вт для InGaN. Внешний вид приборов соответствует приведенному на рис. 3. Спектральные характеристики белых InGaN-светодиодов серии показаны на рис. 5.

Рис. 5. Спектральные характеристики белых светодиодов серии ASMT-Ax3x

Серии ASMT-Jx1x, ASMT-Jx3x

В состав этих серий входят приборы тех же цветов, что и рассмотренных выше светодиодов (в серии ASMT-Jх3x добавлен глубоко красный цвет — Deep Red), а также белые приборы в 29 исполнениях с цветовой температурой 2700–10000 К. Внешний вид приборов показан на рис. 6. Размеры корпусов светодиодов 4×4×1,85 мм, чувствительность к воздействию влаги уровня 1 MSL, другие особенности те же, что и у приборов серий Ах00, Ах3х. К областям применения светодиодов рассматриваемых серий добавлены: подсветка указателей и знаков, освещение рабочих мест, настольные лампы, коммерческое освещение (на потолках, стенах и т. д.), световые линейки и массивы, портативное освещение, фары велосипедов, фонари, освещение улиц, тротуаров и тоннелей, садов и огородов. Параметры приборов в основном такие же, как и у светодиодов серий ASMT-Ax00/Ax3x (отличия в таблице), максимальная температура переходов кристаллов T_j для InGaN-светодиодов серии ASMT-Jx1x составляет +150 °С.

Рис. 6. Внешний вид светодиодов серии ASMT-Jx1x

Серии ASMT-Jx32, ASMT-Jx33

В этих сериях представлены холодные, нейтральные и теплые белые InGaN-светодиоды в 29 исполнениях с цветовой температурой 2700–10000 К. Для приборов серии ASMT-Jx33 нормированы индексы цветопередачи CRI (см. таблицу). Внешний вид приборов соответствует показанному на рис. 6 (прибор с желтой линзой). Максимальный прямой ток — 700 мА; потребляемая мощность 2,73 Вт. Спектральные характеристики светодиодов серии ASMT-Jx33 приведены на рис. 7. Как видно по графикам, минимальный уровень составляющих спектра в диапазоне длин волн 480–500 нм (сине-зеленые цвета) обеспечивают теплые светодиоды, имеющие наибольший индекс цветопередачи в данной серии.

Рис. 7. Спектральные характеристики светодиодов серии ASMT-Jx33

Серии Moonstone ASMT-Mx00, ASMT-Mx6x, ASMT-Mx22, ASMT-MxE2

В серию ASMT-Mx00 входят следующие светодиоды:

• красные AlInGaP ASMT-MR00-AGH00 (Ф_v ≈ 35 лм, эффективность 48 лм/Вт), ASMT-MR00-AHJ00 (Ф_v ≈ 40 лм, эффективность 54 лм/Вт);
• янтарные AlInGaP ASMT-MA00-AGH00 в пяти исполнениях (Ф_v ≈ 35 лм, эффективность 48 лм/Вт);
• зеленые InGaN ASMT-MG00 в четырех исполнениях (Ф_v ≈ 60 лм, эффективность 54 лм/Вт);
• синие InGaN ASMT-MB00 в четырех исполнениях (Ф_v ≈ 15 лм, эффективность 13 лм/Вт).

Другие параметры приборов:

• диапазон рабочих температур –40…+100 °С, максимальная температура переходов кристаллов +125 °С;
• максимальный прямой ток 350 мА;
• потребляемая мощность 805 мВт (AlInGaP), 1,225 Вт (InGaN);
• прямое напряжение 1,7–2,3 В (AlInGaP), 2,8–3,5 В (InGaN);
• ширина диаграммы углового распределения силы света 2Θ1/2 — 120 °;
• тепловое сопротивление — 12 °С/Вт (AlInGaP), 10 °С/Вт (InGaN).

В состав серии ASMT-Mx6x входят холодные (4000–10 000 К) и теплые (2600–4000 К) белые InGaN-светодиоды в 14 исполнениях. Приборы допускают работу при максимальной температуре кристаллов +145 °С (Т_{раб.окр.ср.} — –40…+120 °С). Чувствительность к воздействию влаги соответствует уровню 4 MSL, устойчивость к статическим зарядам 8 кВ (ESD HBM Class 3). Пример изделий данной серии приведен на рис. 8.

Рис. 8. Внешний вид светодиодов серии ASMT-Mx6x

В состав серий ASMT-Mx22, ASMT-MxE2 также входят холодные (4000–10 000 К) и теплые (2600–4000 К) белые InGaN-светодиоды в 38 исполнениях. Максимальная температура кристаллов +125 °С, диапазон рабочих температур при прямом токе 350 мА — –40…+125 °С, при 700 мА — –40…+90 °С (внешний вид приборов соответствует рис. 8).

В состав светодиодов серий Moonstown ASMT-Мxxx входят также ззащитные стабилитроны, размеры корпусов приборов 10×8,5×3,3 мм.

Серия Moonstone ASMT-MxK0

Серия представлена следующими светодиодами:

• красные AlInGaP ASMT-MRK0 в пяти исполнениях (Ф_v ≈ 40 лм, эффективность 48 лм/Вт);
• янтарные AlInGaP ASMT-MAK0 в четырех исполнениях (Ф_v ≈ 35 лм, эффективность 42 лм/Вт);
• зеленые InGaN ASMT-MGK0 в четырех исполнениях (Ф_v ≈ 60 лм, эффективность 48 лм/Вт);
• синие InGaN ASMT-MBK0 в четырех исполнениях (Ф_v ≈ 15 лм, эффективность (12 лм/Вт);
• холодные и теплые белые InGaN (таблица) в 54 исполнениях с цветовыми температурами 2600–10000 К.

Другие параметры изделий:

• работа при температуре окружающей среды –40…+85 °С;
• конструктивное исполнение на радиаторах типа «звезда» ∅19,9 мм (в принципе, приборы могут быть использованы без дополнительных теплоотводов, если максимальная температура кристаллов не будет превышать +110 °С (InGaN);
• максимальный прямой ток 350 мА;
• потребляемая мощность 1,05 Вт (AlInGaP), 1,4 Вт (InGaN);
• прямое напряжение 2–3 В (AlInGaP), 3,2–4 В (InGaN);
• ширина диаграммы углового распределения силы света 2Θ1/2 — 120 °;
• тепловое сопротивление 12 °С/Вт (AlInGaP), 18 °С/Вт (InGaN).

Внешний вид приборов показан на рис. 9, спектральные характеристики белых, синих и зеленых светодиодов серии приведены на рис. 10.

Рис. 9. Внешний вид светодиодов серии ASMT-MxK0

Рис. 10. Спектральные характеристики светодиодов серии ASMT-MxK0

Приборы промышленного назначения в корпусах PLCC-4

ASMT-QWBF-NKL0E, ASMT-QWBC-Nxxx

Серию составляют холодные белые InGaN-светодиоды с цветовой температурой 4500–10000 К. Приборы выпускаются в 12 исполнениях по световому потоку (от 3,4–4,3 до 56–73 лм) и в 23 исполнениях по цветовой температуре. Области применения приборов, рекомендованные производителем: электронные сигналы и знаки, декоративное освещение, офисные и домашние приложения, промышленное оборудование, подсветка информационных панелей и кнопок.

ASMT-QYBC-NGJ0E, ASMT-QYBC-NHJ0E, ASMT-QYBF-NJK0E

В этих сериях представлены теплые белые InGaN-светодиоды. Они выпускаются в десяти исполнениях по световому потоку и восьми исполнениях по цветовой температуре (2500–4800 К). Внешний вид светодиодов показан на рис. 11. В дополнение к перечисленным выше областям применения добавлены автомобильные приложения: подсветка измерительных панелей, центральной консоли, панелей навигационных и звуковых устройств, кнопок управления, подсветка околодверного пространства (Puddle Lamp), бардачков, автомобильных номеров.

Рис. 11. Внешний вид светодиодов в корпусах PLCC-4

ASMT-QWBC-NHJ0E, ASMT-QWBC-NJK0

В состав данных серий входят холодные белые InGaN-светодиоды в 12 исполнениях по световому потоку и в 18 по цветовой температуре. Все рассматриваемые светодиоды выполнены в малогабаритных корпусах размерами 3,2×2,8×1,9 мм и работоспособны в диапазоне температур –40…+120 °С, максимальная температура переходов кристаллов +125 °С. Основные параметры приборов:

• максимальный прямой ток 150 мА;
• мощность рассеяния 570 мВт;
• прямое напряжение 3,3–3,8 В;
• тепловое сопротивление 40–50 °С/Вт.

Приборы промышленного назначения в корпусах PLCC-6

К одной из последних разработок компании относятся трехцветные светодиодные сборки промышленного назначения ASMT-YTB2-0BB02, ASMT-YTC2-0AA02, ASMT-YTD2-0BB02 в высоконадежных корпусах PLCC-6 черного (рис. 12) и белого цвета (рис. 13). Светодиоды каждого цвета в составе приборов имеют отдельные выводы. Основное назначение приборов — полноцветные видео- и информационные дисплеи для помещений и наружных приложений. Светодиоды сборок отличаются высокой яркостью, широкой диаграммой углового распределения силы света (120 °). Влаго- и брызгозащитные корпуса приборов размерами 3×2,8×1,8 мм удовлетворяют требованиям IPX6 стандарта IEC 60529:2001. Диапазон рабочих температур –40…+110 °С, максимальная температура переходов кристаллов +125 °С.

Рис. 12. Внешний вид приборов ASMT-YTB2-0BB02

Рис. 13. Внешний вид приборов ASMT-YTD2-0BB02

Приборы состоят из красных AlInGaP (I_v ≈ 745 мкд, λ_д ≈ 622 нм), зеленых InGaN (I_v ≈ 1600 мкд, λ_д ≈ 530 нм) и синих (I_v ≈ 380 мкд, λ_д ≈ 470 нм) светодиодов. Сила света указана для прямого тока 20 мА. Зависимость относительной силы света от прямого тока приборов приведена на рис. 14. Максимальный постоянный прямой ток не должен превышать 50 мА (AlInGaP) и 30 мА (InGaN), импульсный — 100 мА (коэффициент заполнения 10%, частота следования импульсов 1 кГц).

Рис. 14. Зависимость относительной силы света приборов в корпусах PLCC-6 от прямого тока

Миниатюрные светодиодные лампы

К последним разработкам компании также относятся миниатюрные светодиодные лампы AMLD-EG3D-VX002 (красная, λ_д ≈ 626 нм, I_v — 4200–9300 мкд), ALMD-EL3D-VX002 (янтарная, λ_д ≈ 590 нм, I_v — 4200–9300 мкд), ALMD-CM3D-XZ002 (зеленая, λ_д ≈ 525 нм, I_v — 7200–16000 мкд), ALMD-CB3D-SU002 (синяя, λ_д ≈ 470 нм, I_v — 1900–4200 мкд). Все приборы имеют узкую (30°) диаграмму распределения силы света и выполнены в компактных корпусах размерами 4,2×4,2×6,5 мм (с выводами). Внешний вид приборов показан на рис. 15. Основное назначение изделий — подсветка различных знаков, указателей и т. п.

Рис. 15. Внешний вид миниатюрных светодиодных ламп

Тестовые испытания приборов Avago

Компания уделяет большое внимание надежности выпускаемых светодиодов, тестовые испытания проводятся в соответствии с последними редакциями стандартов JEDEC. Рассмотрим параметры и результаты испытаний на примере светодиодов серии ASMT-Jx1x [5]. Структура прибора, установленного на радиатор охлаждения, приведена на рис. 16.

Рис. 16. Структура светодиодов серии ASMT-Jx1x

Испытания на длительность работы при максимально возможной температуре кристаллов T_j = +150 °C проводились для 160 InGaN-приборов (T_hs = +132 °C); при T_j = +125 °C — для 80 AlInGaP-приборов. Общее время испытаний составило 160 000 ч (Total Device Hrs, 160×1000 ч) и 80 000 часов соответственно (80×1000 ч). Результаты испытаний: отказов нет, среднее время безотказной работы (MTBF) — 174600/94200 ч, интенсивность отказов (Failure Rate) — менее 0,57%/1000 ч и менее 1,06%/1000 ч соответственно. Температура переходов кристаллов светодиодов определяется выражением T_j (°C) = T_hs (°C)+R_Θj-hs×P_avg, где T_hs — температура в центре радиатора охлаждения; R_Θj-hs — тепловое сопротивление кристалл–теплоотвод (°С/Вт); P_avg — средняя мощность рассеяния (Вт).

Кроме того, приборы серии проходили ряд дополнительных испытаний:

• на воздействие термоциклирования по стандарту JESD22-A104 — 100 циклов по 5 мин. при –40…+ 120 °С (2159 приборов);
• на длительность работы при комнатной температуре по стандарту JESD22-A108 — T_hs = +25 °C, I_пр = 350 мА, 1000 ч (280 приборов);
• на длительность работы при низкой температуре по стандарту JESD22-A108 — T_hs = –40 °С, I_пр = 350 мА, 1000 ч (320 приборов);
• на длительность работы при высокой температуре и влажности по стандарту JESD22-A101 (T_hs = +85 °C, влажность 85 %) — I_пр = 350 мА, 1000 ч (160 приборов);
• на воздействие вибрации по стандарту JESD22-B103 — 10/2000/10 Гц с линейным свиппированием, ускорение 2G (1 мин., 1,5 мм по трем осям);
• на воздействие ударов по стандарту JESD22-B104 — ускорение 1500 G (0,5 мс, пять ударов по шести направлениям).

Проводятся также и некоторые другие испытания, в том числе по собственным методикам компании.

Чертежи приборов, рассмотренных в статье, и системы их обозначений приведены на сайте журнала (http://www.led-e.ru/filez/drawing_packages.zip).

Литература

1. http://www8.hp.com/us/en/hp-information/about-hp/history/history.html
2. http://www.avagotech.ru/docs/22001
3. http://phx.corporate-ir.net/phoenix.zhtml?c=203541&p=irol-irhome
4. http://www.avagotech.ru/pages/ru/leds/avago_led_through_hole_lamps/
5. http://www.avagotech.ru/docs/AV02-1775EN