Светодиодные продукты и технологии компании Bridgelux

Bridgelux Inc. (г. Ливермор, Калифорния, США) является одним из ведущих разработчиков и производителей светодиодных кристаллов и матриц (массивов) — компания выпускает более 45 млн чипов в месяц. Фирма была основана доктором Хэн Лю (Heng Liu, рис. 1) в 2002 г. в г. Саннивейл (Калифорния, США) и первоначально имела название eLite Optoelectronics. До этого времени Хэн Лю работал над созданием первого GaN MOCVD-реактора в компании Emcore, внес большой вклад в развитие технологий синих светодиодов компании Hewlett-Packard, внедренных затем в производство совместного предприятия Philips Lumileds Lightning, образованного компаниями Philips и Agilent Technologies (в настоящее время Lumileds Holding B.V.) [1].

Рис. 1. Доктор Хэн Лю

Современное название Bridgelux носит после получения в 2006 г. венчурного капитала ($8,5 млн) от компаний Capital Management, El Dorado Ventures и Harris & Harris Group. Финансирование было направлено на усиление исследований в области светодиодных технологий, создание новой штаб-квартиры и центра разработок в г. Ливермор [2].

В том же 2006 г. на должность главного научного руководителя (Chief Scientist) компании был назначен доктор Дэвид Бур (Dr. Dave Bour, рис. 2). Дэвид Бур в течение более 20 лет работал в области технологий сине-зеленых светодиодов и лазерных диодов на основе нитрида галлия [3].

В коллективе разработчиков Bridgelux работали и работают многие другие известные специалисты в области полупроводниковой светотехники, в том числе: доктор Гулам Хаснайн (Ghulam Hasnain), ранее вице-президент Advanced Technology/LuxNet corporation; доктор Джефф Рамер (Dr. Jeff Ramer), внесший значительный вклад в разработку GaN MOCVD-реакторов компаний Emcore/Veeco; доктор Стив Лестер (Steve Lester), разработчик одних из первых InGaN-светодиодов компаний Hewlett-Packard/Agilent Technologies [4].

В 2012 г. компании Bridgelux и Toshiba заключили соглашение о сотрудничестве и совместной разработке инновационных технологий выращивания нитрида галлия на кремниевой подложке (GaN-on-Si) с целью создания осветительных светодиодов с параметрами мирового класса и их массового производства. Совместная деятельность в этом направлении привела к успешному созданию 8” GaN-on-Si полупроводниковых пластин для белых светодиодов мирового уровня. Применение разработанной технологии позволило снизить стоимость свето­диодных чипов на 70–75% по сравнению с кристаллами, выращенными на основе сапфира или карбида кремния. В 2013 г. Bridgelux передала Toshiba технологию производства кристаллов GaN-on-Si и связанные с ней активы, а японская компания (Kaga Toshiba Electronics Co. Ltd.) начала массовое производство белых светодиодов, выполненных по новой технологии, на своем заводе в г. Кага (префектура Исикава) [5].

Рис. 2. Доктор Дэвид Бур

В последнее время компания активно расширяет свое присутствие в КНР. В 2014 г. в сотрудничестве с китайской компанией Kaistar Lighting Co., Ltd. открыт центр разработок в г. Сямынь. Центр обеспечивает поддержку разработок и производства новых приборов для твердотельного освещения (SSL), в том числе линейки «чипов-на-плате» (COB) Bridgelux V SERIES [6].

В июле 2015 г. был дан старт сделке по приобретению компании Bridgelux группой инвесторов во главе с China Electronics Corporation (CEC) и ChongQing Linkong Development Investment Company. CEC, основанная в 1989 г., является одной из крупнейших китайских ИТ-корпораций, контролирующей более шести десятков дочерних компаний и имеющей производственные мощности в Пекине, Шанхае, Шеньчжене, Нанкине, Сямыне и других городах и районах КНР. После закрытия сделки Bridgelux станет дочерней компанией CEC, но будет работать в обычном режиме с прежним руководством и командой разработчиков [7].

Также в июле 2015 г. Bridgelux объявила о выделении бизнеса «интеллектуального» светодиодного освещения (LED Smart-Lighting Business) в отдельную компанию Xenio Corporation со штаб-квартирой в Сан-Франциско. Новая компания будет осуществлять разработку программных платформ поддержки светодиодных модулей для быстроразвивающегося рынка «Интернета вещей» (IoT) и «умных домов» в партнерстве с Bridgelux, Toshiba, DCM Ventures и др. [8].

Bridgelux является членом ряда промышленных альянсов и ассоциаций, в том числе: LIRC (Lighting Industry Resource Council — Совет по ресурсам в индустрии освещения), ASSIST (Alliance for Solid-State Illumination System and Technologies — Альянс полупроводниковых систем и технологий освещения), CSA (China Solid State Lighting Alliance — Китайский альянс твердотельного освещения), ASSIL (National Association Lighting Manufacturer — Национальная ассоциация производителей освещения) [9].

Продукцию компании в России представляют дистрибьюторы электронных компонентов Digi-Key, EBV Elektronik, Farnell и другие, а также «МТ-Систем» (Санкт-Петербург) и «КТЛ» (Зеленоград). «КТЛ» использует кристаллы Bridgelux в своих светодиодах средней и большой мощности. Светодиодная продукция «КТЛ» известна в России и СНГ с 1992 г., с 2005 г. приоритетным направлением ее деятельности стало производство сверхъярких светодиодов и матриц. С 2012 г. «КТЛ» перешла на новые технологии производства целого ряда оптоэлектронных компонентов и светодиодных осветительных приборов, позволяющих снизить стоимость систем светодиодного освещения до уровня цен люминесцентного [10].

Bridgelux выпускает широкий спектр продуктов, предназначенных для применения в системах наружного и внутреннего светодиодного освещения (SSL), в том числе для освещения магазинов и учреждений здравоохранения, офисов и учебных заведений, музеев, промышленных объектов, парков, дорог, подсветки зданий, ландшафтов и архитектурной подсветки. В ассортименте компании представлены как светодиодные кристаллы и корпусированные светодиоды, так и светодиодные модули на платах (COB) и готовые компоненты для осветительных приборов. Рассмотрим серии светодиодных продуктов, представленные в каталоге 2016 г. [11].

Светодиодные модули серии OLM

Cерия светодиодных модулей для систем наружного освещения OLM (рис. 3) является одной из последних разработок компании. Приборы предназначены для замены натриевых ламп высокого давления (HPS) в уличных светильниках. Применение модулей открывает новый способ их реализации, заключающийся в объединении оптики с защитой от воздействий окружающей среды с мощными светодиодными излучателями.

Рис. 3. Модули OLM

Продуктовая линейка серии охватывает несколько исполнений модулей, отличающихся набором основных параметров, таких как цветовая температура, индекс цветопередачи, световой поток, эффективность, а также оптические характеристики направленности. При монтаже модулей не требуются пайка и использование эпоксидных смол: установка в светильники осуществляется с помощью четырех винтов. Это обеспечивает большую гибкость при разработке различных систем наружного освещения. Причем модули могут использоваться не только в уличных светильниках, но и практически в любых осветительных приборах, работающих на открытом воздухе в широком диапазоне температур.

Модули OLM отличаются высокими световой эффективностью (90–118 лм/Вт) и световым потоком (2100–4500 лм), цветовая температура 4000–5600 К. При этом, в сравнении с лампами HPS, обеспечивается высокое качество освещения (CRI = 70–80). Длительный срок службы модулей в жестких условиях наружного освещения (степень защиты IP66) подтверждается пятилетней заводской гарантией, классификационные параметры модулей приведены в таблице 1.

В наименованиях модулей (хх-хх в графе «Тип модуля») также обозначены оптические характеристики модулей — ориентация направления излучения (асимметричная и симметричная) и форма светового пятна (Optical Pattern). В серии предусмотрено пять асимметричных исполнений, соответствующих классификациям IES, NEMA, EN13-201. На рис. 4 показаны примеры фотометрических характеристик асимметричных исполнений модулей и их реализация в уличном освещении.

Рис. 4. а, б) Фотометрические характеристики асимметричных исполнений модулей OLM;
в) вариант реализации

Модули могут работать при максимальной температуре корпуса +70 °С, конструкция приборов допускает непосредственное крепление радиаторов охлаждения к оборотной стороне корпуса винтами со стандартной резьбой М4, зона для крепления радиаторов показана на рис. 5 (габариты корпуса модулей 164×73 мм).

Рис. 5. Зона крепления теплоотвода модулей OLM

Регулировка уровня светового потока модулей осуществляется управляемыми драйверами (рис. 6), возможны варианты управления (или диммирования) внешним сигналом и автоматическое управление, определяемое датчиком уровня местной освещенности.

Рис. 6. Схема управления модулями OLM

Светодиодные матрицы Vero

Флагманская линейка светодиодных матриц высокой яркости Vero выпускается в четырех конструктивных исполнениях — Vero 10/13/18/29 Array Series (рис. 7). В каждом исполнении представлено несколько типов матриц с цветовыми температурами 2700–5000 К и световым потоком 480–19 400 лм. Приборы линейки отличаются высокой световой эффективностью (100–130 лм/Вт при Т_корп. = +85 °С), высоким качеством белого света (CRI = 80–90) и его однородностью: приборы с Т_цв = 2700–4000 К классифицируются по двух- и трехступенчатым эллипсам Мак-Адама. Высокая надежность приборов подтверждается десяти­летней заводской гарантией, причем максимальная температура кристаллов матриц +150 °С, корпуса — +105 °С.

Рис. 7. Линейка матриц Vero

Классификационные параметры приборов при температуре корпуса +85 °С приведены в таблице 2 (по спецификациям 2015 г.). Компания допускает работу матриц с превышением номинального прямого тока до двух раз.

Рис. 8. Зависимость относительного светового потока матриц Vero 29 от прямого тока

На рис. 8 приведена зависимость светового потока Vero 29 от рабочего тока, для других моделей зависимости аналогичны. При уменьшении тока световая эффективность матриц увеличивается, например самые мощные приборы Vero 29 при токе 500–1000 мА обеспечивают световую эффективность до 180–166 лм/Вт соответственно (исполнение BXRX-50C10K0-L24), причем рассеиваемая на приборе мощность и температура его корпуса в этом случае уменьшаются.

Рис. 9. Устройство матриц Vero

Рис. 10. Пайка проводников

Устройство матриц на примере серии Vero 29 приведено на рис. 9, электрическое подключение приборов возможно как при помощи пайки (рис. 10), так и через распространенные разъемы Molex Pico-EZmate Harness с отрезками проводников (рис. 11, поставляются отдельно).

Рис. 11. Розетка соединителя Molex Pico-EZmate

Сборка осветительных приборов при использовании таких соединителей упрощена. Для примера на рис. 12 показано устройство настенного светильника, сборка оптической части которого осуществляется при помощи двух винтов.

Рис. 12. Устройство светильника

Светодиодные матрицы Décor Series

Приборы данной линейки выполнены в таких же конструктивах, что и матрицы Vero, их отличия касаются, в основном, оптических характеристик:

• повышено качество белого света исполнений с цветовой температурой 2700–3000 К (CRI не менее 97);
• добавлены исполнения с Т_цв = 1750/2500/5600 К (CRI = 80), нет исполнений с Т_цв =5000 К;
• добавлены исполнения с Т_цв = 3300/3500/4000 К, CRI = 93 и GAI = 80.

В серии Décor Series выпускаются четыре группы приборов: Ultra, Food, Specialty, Class A.

Матрицы группы Ultra обеспечивают высококачественный белый свет с высокой однородностью и естественной цветопередачей. Компания позиционирует приборы этой группы для применения в системах освещения магазинов класса «люкс» и крупных музеев. В группу входят шесть приборов, соответствующих типоразмерам Vero 10/13/18, с цветовой температурой 2700/3000 К и индексом цветопередачи Raне менее 97. При этом из всех специальных индексов цветопередачи (R₁–R₁₅) только два имеют значения около 90 (R₁₁ = 92, R₁₂ = 87), все остальные специальные индексы не менее 96 (R₉ = 98, R₁₅ = 98). При прямом токе 350/500/1050 мА и температуре корпуса +85 °С матрицы обеспечивают световой поток 632–2288 лм, однако, по сравнению с матрицами Vero, они характеризуются меньшей световой эффективностью: 69–76 лм/Вт.

Приборы группы Food обеспечивают цветовую температуру 1750 и 2500 К, а их целевое назначение — системы специального (акцентированного) освещения мясных и хлебобулочных изделий, бакалейных товаров, а также специальное освещение в ресторанной индустрии и религиозных учреждениях (свет «пламени свечи»). Группа представлена четырьмя видами приборов с типоразмерами Vero 18/29, обеспечивающих световой поток 2002/3243/4803/8047 лм (I_пр = 1050–2100 мА). Типовая эффективность матриц 62–66 лм/Вт (Т_цв = 1750 К), 104–107 лм/Вт (2500 К), индекс цветопередачи CRI = 80–90.

Для применения в учреждениях здраво­охранения и индустрии развлечений компания разработала приборы группы Specialty, обеспечивающие цветовую температуру 5600 К в сочетании с высоким индексом цветопередачи (CRI = 90). В группе представлено два типа матриц типоразмеров Vero18/29 со световым потоком 3407 и 8839 лм (I_пр = 1050/2100 мА), световая эффективность матриц 113/114 лм/Вт при Т_корп. = +85 °С.

Рис. 13. Диаграммы GAI

Высококачественный белый свет обеспечивают и матрицы группы Class A, предназначенные для тех же областей применения, что и приборы группы Ultra. Для характеристики качества белого света приборов этой группы, наряду с индексом цветопередачи CRI, приведены и индексы охвата цветового пространства GAI (Gamut Area Index). Этот параметр характеризует верность цветов с точки зрения их плотности и обычно рассчитывается как площадь многоугольников, вершины которых определяются цветностью восьми образцов цвета R1–R8, используемых для расчета CRI, как показано на рис. 13. На рис. 14 приведены диаграммы GAI некоторых источников света.

Рис. 14. Диаграммы GAI некоторых источников света

Матрицы Décor Series Class A компания Bridgelux впервые продемонстрировала на международной выставке освещения в Гонконге в 2014 г. Разработка приборов этой серии была направлена на новый, «ориентированный на человека» (“Human-centric”) подход к освещению, предполагающий использование GAI как показатель качества освещения. Исследования и разработки в этом направлении проводились исследовательским центром по освещению (Lighting Research Center, LRC) Политехнического института Ренсселера (г. Трой, шт. Нью-Йорк) и Альянсом твердотельных технологий и систем освещения (ASSIST) с 2002 г. На основе этих исследований Bridgelux и разработала матрицы Class A, массовое производство которых началось в ноябре 2014 г. [12].

Оптимальные характеристики освещения по критерию его наилучшего восприятия человеком реализуются при следующих, по мнению фирмы, параметрах светодиодов: Т_цв = 3000–4000 К, CRI = 93, GAI = 80, что и реализовано в приборах группы Class A. В группу входят 12 типов матриц, выполненных в конструктивах Vero 10/13/18/29 с Т_цв = 3000/3500/4000 К. При температуре корпуса +85 °С приборы обеспечивают световой поток 752–888 лм (I_пр = 350 мА), 1377–1597 лм (500 мА), 2638–3120 лм (1050 мА), 6886–7977 лм (2100 мА). Световая эффективность приборов находится в пределах 83–103 лм/В.

Светодиодные матрицы V Series

Данная линейка светодиодных матриц является бюджетным вариантом приборов Vero с меньшим сроком заводской гарантии (5 лет) и предназначена для применения в бытовых и коммерческих приложениях, для которых важна стоимость систем освещения. В линейку входят шесть групп матриц с Т_цв = 2700–5000 К различных типоразмеров (V6, V8, V10, V13, V15, V18) по 10–20 наименований в каждом. Цифры типоразмеров соответствуют диаметру излучающей зоны матриц, внешний вид приборов показан на рис. 15. Основные особенности и параметры матриц линейки при температуре корпуса +85 °С (по спецификациям 2015 г.) приведены в таблице 3.

Рис. 15. Линейка матриц V Seriеs

Индекс цветопередачи CRI составляет 80–90 для исполнений с Т_цв = 2700/3500 К, 70–80 для исполнений с Т_цв = 4000/5000 К.

Светодиодные матрицы BXRA

Предшественница рассмотренных выше приборов — линейка популярных светодиодных матриц COB BXRA с пятилетней заводской гарантией — предназначена для бытовых и коммерческих приложений (рис. 16).

Рис. 16. Линейка матриц BXRA

В семейство входят четыре группы приборов, их характеристики приведены в таблице 4.

Светодиодные кристаллы

Bridgelux производит также синие светодиодные кристаллы (рис. 17), используемые и в ее собственных светодиодных матрицах. При их производстве применяется как технология GaN на сапфире, так и GaN-on-Si, последняя является наиболее перспективной с точки зрения сокращения затрат и снижения цены конечных светодиодных продуктов. По утверждению компании, потенциальными ценовыми преимуществами технологии GaN-on-Si по сравнению с традиционными являются:

• снижение стоимости кристаллов на 50% за счет использования 8″ пластин и проверенных методов производства кремниевых полупроводниковых приборов;
• снижение затрат еще на 20–40% за счет использования традиционных методов корпусирования;
• возможность дальнейшего значительного снижения затрат при использовании принципиально новых архитектур корпусов приборов.

Рис. 17. Светодиодный кристалл

В долгосрочной перспективе технология GaN-on-Si может принести значительные финансовые выгоды для систем освещения в целом, так как светодиоды, произведенные по этой технологии, вполне могут быть выполнены в едином технологическом процессе совместно с драйверами и различными схемами управления. Bridgelux является первой компанией, предложившей GaN-on-Si коммерческие светодиодные кристаллы в 2014 г. В каталоге 2016 г. представлены восемь серий синих светодиодных кристаллов (табл. 5). В маркировке чипа четыре цифры после буквенного обозначения означают размеры кристалла в mil (1 mil = 0,0254 мм). Например, BXCD3333 имеет размеры 33×33 mil, или 838×838 мкм.

Кристаллы с маркировкой BXCE4545xx, BXFE4545xx, BXFD4545xx отличаются от BXCD4545xx в основном количеством исполнений (бинов).

Рис. 18. Структура светодиодного кристалла

Все выпускаемые чипы сортируются по длине волны, мощности излучения и прямому напряжению. После нанесения люминофора приборы могут быть использованы практически для любых осветительных приложений, в том числе для производства белых светодиодов и матриц высокой яркости, а также для подсветки ЖК-панелей.