Samsung Electronics: новый виток эволюции светодиодов для массового спроса

В последнее время технология производства белых светодиодов flip-chip для применения в освещении и TV-подсветке становится все более популярной. При этом цель производителей светодиодов в конкурентной борьбе за рынок неизменна — сделать продукт более доступным для сегментов массового потребления, параллельно продолжая увеличивать технологический отрыв от традиционных источников света, совершенствовать надежность и удобство применения светодиодов. Попытаемся разобраться в технологических особенностях flip-chip-светодиодов и в том, как компания Samsung Electronics, корейский разработчик и производитель LED-чипов и готовых светодиодов (рис. 1), следует поставленным целям с помощью данной технологии.

Рис. 1. Блок-схема производства светодиодов компанией Samsung Electronics: от стадии эпитаксии до корпусированных светодиодов

Продвинутая технология flip-chip в сочетании с новым подходом к нанесению люминофора меняет ландшафт светодиодной индустрии в первую очередь по причине существенного сокращения итераций производства и, как следствие, уменьшения себестоимости изделий. Возрастающий спрос, разработка и распространение новых норм на рынке осветительных приборов усиливают давление на светодиодных производителей в части повышения качества продукции одновременно с понижением цены. В свою очередь компания Samsung Electronics оптимизировала производственный производственный процесс, внедрив передовую технологию изготовления и обработки чипа flip-chip, используя новейшее оборудование в сочетании с современными материалами. Вместе с тем компания применила эффективный и стойкий пленочный материал с люминофором для покрытия чипа, который обеспечивает повышение качественных характеристик света и уменьшение сложности техпроцесса. Flip-chip-архитектура позволяет беспрепятственно применять технику нанесения люминофора на LED-чип.

Благодаря изначальному расположению обоих электрических контактов (анод и катод) снизу чипа полностью отпадает необходимость подсоединять контактные проводники сверху чипа, что означает сокращение целой производственной итерации. К тому же у других архитектур объемные проводники, подсоединенные к чипу, являются аварийно опасным местом, с которым покончено в архитектуре flip-chip. Данная технология также повышает эффективность чипа. Вследствие отсутствия сверху чипа электрических контактов его излучающая поверхность шире и отсутствуют пятна (тень) от крепления проводников. За счет этого выход света у чипа архитектуры flip-chip больше по сравнению с технологиями вертикальной (один провод сверху) и горизонтальной (два провода сверху) распайки чипа проводниками. Получение ровной однородной поверхности чипа без проводников облегчает нанесение пленки с люминофором (рис. 2). В процессе производства по flip-chip-технологии пленка люминофора подготавливается заранее, что позволяет достичь однородности в цветовых координатах вплоть до ограничения величины отклонения спектра 1 SDCM (один шаг эллипса Мак-Адама).

Рис. 2. Способы нанесения фосфора на чип

С целью сократить количество дефектов в полупроводниковой структуре, возникающих на границе с сапфировым слоем, в компании Samsung Electronics разработана и массово применяется уникальная узорчатая структура сапфира, подготовленная для лучшей совместимости с кристаллической решеткой полупроводникового слоя (рис. 3).

Рис. 3. Схема структуры светодиодного чипа Samsung flip-chip

Таким образом, уменьшение дефектов на границе раздела материалов способствует повышению излучательной рекомбинации электронов и дырок в p-n-структуре, в результате чего повышается светоотдача. Вдобавок светодиодные чипы Samsung, созданные по технологии flip-chip, имеют равномерную плотность тока по всему объему полупроводникового слоя, что, в свою очередь, дает низкое рабочее напряжение, повышенный световой поток и способствует лучшему отведению тепла из активной зоны p-n-перехода. Также flip-chip имеет улучшенный отвод тепла по сравнению с вертикальной и горизонтальной архитектурами благодаря отсутствию снизу сапфировой подложки между чипом и металлической или керамической основой.

Исследования Samsung Electronics показали, что световая эффективность чипов flip-chip меньше подвержена деградации при повышении плотности тока в гетероструктуре (рис. 4).

Рис. 4. График зависимости эффективности (лм/Вт) от плотности тока (A/cм2)

На сегодня Samsung Electronics производит по технологии flip-chip светодиоды различных мощностей и форм-факторов (рис. 5):

• Светодиоды LM301A (I_fmax = 500 мA, U_ftyp = 2,8 В при 150 мA) и LM302B (I_fmax = 250 мA, U_ftyp = 5,9 В при 150 мA) в универсальных PLCC-корпусах 3030, ориентированные на применение внутри помещений, c малой стоимостью за люмен, высокими надежностью и качеством света.
• Светодиоды LH351B (I_fmax = 1,5A, U_ftyp = 2,8 В при 350 мA) с керамической подложкой стандартного типоразмера 3535, предназначенные для применения в уличных и индустриальных светильниках. Обладают лучшей в своем сегменте стоимостью люмена, высокой световой эффективностью и продолжительным сроком службы.
• Светодные матрицы Chip-On-Board (COB) с уменьшенной излучающей поверхностью, за счет чего получается повышенная концентрация светового потока для применений с узким световым пучком.
• Светодиоды нового бескорпусного типа Chip Scale Package (CSP) в компактном форм-факторе, покрывающие диапазон мощности от 0,5 до 9 Вт, имеющие невысокую стоимость люмена за счет меньшего количества материалов и производственных итераций.

Рис. 5. Светодиоды, изготавливаемые Samsung Electronics по технологии flip-chip в 2016 г.

В семействе Chip Scale Package (CSP) компания Samsung предлагает одночиповые (1×1) светодиоды средней мощности 0,5–1 Вт, одночиповые светодиоды высокой мощности 1–3 Вт, также аннонсирован выпуск мощных матричных (2×2, 3×3) светодиодов 1–10 Вт с повышенным рабочим напряжением 6–26 В.

За счет компактных размеров и разнообразия рабочих токов и напряжений бескорпусные CSP-светодиоды предоставляют гибкость и вариабельность в разработке дизайна, позволяя создать различные решения: ультратонкие и компактные LED-модули; смешение чипов с разной цветовой температурой на одном модуле с равномерной засветкой; одноплатные решения с питанием напрямую от сети ~220 В; модифицированные COB; светильники точечного света и др.

У CSP-светодиов, благодаря отсутствию промежутчных слоев между чипом и печатной платой, имеется возможность организации эффективного теплоотвода (рис. 6), что означает повышенную производительность работы на высоких токах.

Рис. 6. Схема зон термосопротивления CSP-светодиода, монтированного на PCB

Поскольку у CSP-светодиодов, в отличие от многих корпусных светодиодов, отсутствует серебряный отражающий слой вокруг чипа, у них исключен риск потемнения внутренностей и смещения излучения в холодный спектр по причине вступления серебра и кислорода в реакцию с органическими соединениями из окружающей среды.

С конца 2015 г. Samsung Electronics выпускает CSP-светодиоды второго поколения (рис. 7), которые отличаются от первого тем, что вместо отражающего слоя оксида титана по бокам и плоской люминофорной пленки сверху на них наносится многогранный люминофорный слой, что обеспечило больший световой выход, меньшую чувствительность к перепадам температур, равномерность цветовых координат по осям излучения.

Рис. 7. Светодиоды CSP: а) первого поколения; б) второго поколения

CSP-светодиоды Samsung Electronics серий LM102A и LH181A очень перспективны, так как позволяют на базе одного типа светодиода создавать офисные, торговые, промышленные и уличные светильники. Для обеспечения требуемой кривой силы света (КСС) на автодорогах и промышленных объектах данные светодиоды можно использовать в сборе со вторичной оптикой. Большинство вторичной оптики не оптимизировано для использования с CSP-светодиодами, имеющими свои габаритные и излучающие особенности. Компания LEDiL разработала новое семейство линз Stradella, которое корректно работает с CSP-светодиодами.

Рис. 8. Линза LEDiL серии STRADELLA-8-Tх

Рис. 9. Линза LEDiL STRADELLA-9-A-T

Рассмотрим существующие варианты линз для освещения улиц, требования к освещению которых подробно описаны в нормативных документах СП 52.13330.2011 и ГОСТ Р54350-2011. Линзы LEDiL C15034_STRADELLA-8-T2, C15035_STRADELLA-8-T3 (рис. 8) и C15058_STRADELLA-9-A-T (рис. 9) освещают дороги в полном соответствии с российскими требованиями (рис. 10).

Рис. 10. Результаты симуляции в программе Dialux светодиодов Samsung LH181A и LM102A в сочетании с линзами серии STRADELLA-8-Tх и STRADELLA-9-A-T

Подробные требования к освещению рабочих мест и производственных площадей внутри зданий приведены в ГОСТ Р55710-2013. Чтобы их выполнить, не потеряв при этом энергию впустую, можно применять в паре с CSP-светодиодами LM102A и LH181A линзы LEDiL C15183_STRADELLA-8-HB-S, C15184_STRADELLA-8-HB-M и C15185_STRADELLA-8-HB-W (рис. 11).

Рис. 11. Линза LEDiL серии STRADELLA-8-HB

Световые диаграммы показаны на рис. 12.

Рис. 12. Результаты симуляции в программе Dialux светодиодов Samsung LH181A и LM102A в сочетании с линзами серии STRADELLA-8-HB

Линзы семейства STRADELLA-8/9 имеют габаритные размеры 50×50×7,5 мм. Они центрируются относительно светодиодов при помощи установочных выступов, которые вставляются в соосные отверстия печатной платы. Крепятся линзы STRADELLA к плате при помощи винтов или клея. Конструкция линз позволяет защитить светодиоды от неблагоприятных воздействий внешней среды, а если крепить линзу к плате правильным силиконовым клеем и затем залить плату силиконовым герметиком, то можно достичь уровня герметичности IP67. Все это позволяет проектировать светильники без защитного стекла, которое поглощает и рассеивает до 20% светового потока.

Основные достоинства линз семейства STRADELLA-8/9:

• распределяют свет так, как требует ГОСТ РФ;
• удобны в монтаже, что позволяет сэко­номить на процессе производства;
• многообразие различных КСС в едином форм-факторе позволяет создавать множество разных светильников на базе одного корпуса, светодиодного модуля и драйвера;
• позволяют сэкономить на защитном стекле и связанных с ним потерях света;
• бюджетные линзы по относительно низкой цене и со стабильным финским качеством.

Осваивая новый продуктовый рубеж, компания Samsung Electronics продолжает работу над дальнейшим развитием отрасли в направлении доступности осветительных светодиодов для массового потребления (рис. 13). Помимо совершенствования действующих продуктов, сейчас компанией ведутся разработки для выпуска в ближайшем будущем эффективных светодиодов из нитрида галлия на кремниевых 8-дюймовых пластинах, что выведет светодиоды на следующую ступень снижения стоимости люмена. Также следующая технология позволит существенно снизить влияние температуры на световую эффективность светодиодов.

Рис. 13. Шкала эволюции от чипов GaN на сапфире c проводным соединением до чипов GaN на кремнии с технологией flip-chip

Заключение

В условиях усиливающейся конкурентной борьбы за потребителей осветительных светодиодов средней и высокой мощности, одновременно с расширением рынка освещения, компания Samsung Electronics продолжает осваивать новые технологические ниши с ориентацией на ценовую доступность, стабильное качество и гибкость дизайна светодиодов. Вместе с тем уже сейчас ведущий производитель вторичной оптики LEDiL предлагает для новых типов светодиодов решения для применения в различных рыночных сегментах.