Светодиоды значительно повышают качество света, способствуя все более широкому распространению технологии упаковки в масштабе кристалла

Модульные светодиоды несколько лет назад достигли уровня производительности, достаточного, чтобы заменить собой любые традиционные источники света в рамках практически всех задач в области организации освещения. Но откровенно говоря, качество света и цвета, да и сам опыт использования систем твердотельного освещения (SSL) нуждались в улучшении. Со времени нашего последнего рассказа о модульных светодиодах ситуация кардинально изменилась. Конечно, в таких изделиях, как «армстронги» или грилято для освещения промышленных объектов, по-прежнему применяются дешевые светодиоды, и нередко возникает проблема ослепления, тем не менее, на рынке появляется все больше качественных светодиодов с приятным для глаз светом, которые могут помочь воплотить в жизнь концепцию «человекоориентированного» освещения. В то же время, индустрия SSL активно развивает технологии создания светодиодов средней мощности и упаковки в масштабах кристалла (CSP) для самых разнообразных применений и использует эти наработки для повышения качества всей линейки, от маломощных до сверхмощных светодиодов. И этот технологический марш охватывает не только решения общего применения, но и такие «горячие» направления, как освещение для растениеводства и ультрафиолетовые (УФ) и инфракрасные (ИК) светодиоды, которые работают за пределами видимого для человеческого глаза диапазона.

Светодиоды SunLike от компании Seoul Semiconductor

Начнем с обсуждения семейства светодиодов, которое затрагивают некоторые из тенденций, упомянутых в первом абзаце. Компания Seoul Semiconductor представила технологию SunLike LED летом 2017 года. Архитектура светодиода основана на фиолетовом излучателе или «насосе» вместо традиционного синего, также применяется трехкомпонентная смесь люминофора, разработанная в партнерстве с Toshiba Materials.

8.jpg

Спектральное распределение мощности (SPD) позволяет имитировать солнечный свет и исключает пик синего цвета, который может потенциально вызвать сбой циркадных ритмов у людей ночью, и который некоторые все еще считают опасным для глаз. Специалисты Seoul Semiconductor недавно опубликовали результаты исследований в корейской медицинской школе, которые доказали, что светодиоды SunLike способствуют улучшению сна и снижают нагрузку на глаза. В прошлом году Seoul Semiconductor коммерциализировала технологию SunLike, компания предлагает различные изделия, от светодиодов средней мощности до бескорпусных кристаллов на печатной плате (COB) (на рисунке изображен COB мощностью 15 Вт). Светодиоды семейства SunLike использовались, чтобы улучшить восприятие посетителей, осматривающих фрески на руинах Помпеи в Италии. Кроме того, Seoul Semiconductor начала успешную экспансию в сектор премиальных систем освещения с соответствующей ценой. Портфель продуктов Sunlike ориентирован на такие сегменты, как элитная розница, музеи, учреждения, поддерживающие здоровье и благополучие людей, «человекоориентированное» и даже освещение для растениеводства.

 

Светодиоды Oslon Pure от компании Osram Opto Semiconductors

Множество архитектурных подходов на уровне различных компонентов светодиодов направлены на улучшение качества света, они охватывают все аспекты, от материалов (например, люминофор) до конструкции корпуса и самого процесса производства. Подход компании Osram Opto Semiconductors уникален, он сочетает в себе концепции CSP и лазерное отделение активных слоев светодиодов в процессе производства. Компания представила свои светодиоды Oslon Pure в начале 2018 года, нацелившись на элитную розницу, где системы направленного освещения используются для подсветки товаров на витринах. Светодиоды формируются на обычной сапфировой подложке, но сапфир извлекается на этапе отделения активного слоя, и светодиодный чип прикрепляется к подложке из прозрачного кремния.


9.jpg


Архитектура полностью соответствует концепции CSP, то есть чип светодиода равен по размеру его корпусу, хотя корпус и состоит из кремниевой подложки и электрических контактов, устанавливаемых на начальных этапах производственного процесса (подробнее см. в видео-интервью с международной выставки LightFair). Основным преимуществом такого подхода является то, что свет излучает только верхняя поверхность светодиода. Излучение очень равномерно, как с точки зрения интенсивности, так и с точки зрения отклонений в цвете под углом. Более того, полностью отсутствует боковое излучение, с которым вынуждены бороться большинство производителей светодиодов CSP, являющихся по существу 5-сторонними излучателями. Как следствие, компании Osram не нужны дополнительные этапы в процессе изготовления, направленные на устранение бокового излучения. Когда такие светодиоды используются для направленного освещения, их можно размещать плотнее, не беспокоясь о взаимном влиянии отдельных компонентов.

CSP-светодиоды в корпусах FEC от Samsung

Компания Samsung — один из первопроходцев технологии CSP, вероятно, это обусловлено тем, что Samsung является крупным игроком на рынке телевизоров, и эта технология поначалу использовалась только в модулях подсветки матриц, а не для решения общих задач в области освещения. На выставке LightFair в 2016 году компания заявила, что начала активно продвигать технологию CSP на рынке систем общего освещения.



10.jpg


Совсем недавно компания Samsung анонсировала светодиоды, выпускаемые по технологии, которую компания называет FEC (fillet-enhanced CSP). В архитектуре применяется отражающее покрытие по периметру, чтобы исключить боковые излучения и направить весь свет вверх. 5-стороннее излучение совершенно приемлемо в таких изделиях, как «армстронги» с широким распределением светового пучка. Однако архитектура FEC предназначена для направленных систем освещения SSL, таких как точечные светильники. Сначала Samsung анонсировала изделия FEC в виде так называемых компонентов средней мощности (1 Вт) и компонентов высокой мощности (5 Вт). Изделия характеризуются светоотдачей в пределах 200 лм/Вт и низкой цветовой температурой (CCT).

Светодиоды XLamp XD16 от компании Cree

Компания Cree неоднократно подвергала сомнению целесообразность применения технологии CSP, заявляя, что светодиоды на керамической подложке гарантируют более высокую эффективность, а исключение одного из этапов производственного процесса благодаря CSP не дает ощутимых преимуществ. Эта концепция обсуждалась на панельном заседании «Стратегии в освещении» в 2015 году. Тем не менее, модульные светодиоды, которые по размеру соответствуют чипу, находят широкое применение в системах направленного освещения, где плотность их размещения очень высока. И вот в начале 2017 года Cree анонсировала архитектуру NX, где размер светодиода практически равен размеру чипа, но при этом по-прежнему применяется керамическая подложка.

11.jpg


Ближе к концу 2017 года Cree представила светодиоды XLamp XD16 на базе платформы NX с префиксом XD, означающим «экстремальную плотность». Сначала Cree говорила о световом потоке в расчете на единицу площади на уровне 284 лм/мм2. Другие светодиодные архитектуры высокой мощности в то время обеспечивали плотность около 140 лм/мм2. Представители Cree говорят, что архитектура гарантирует более высокую оптическую и термальную эффективность по сравнению с большинством CSP-светодиодов. Конструкция включает элементы, направляющие вверх весь свет, излучаемый боковыми и тыльной стороной. Между тем, с термальными характеристиками все несколько сложнее. Керамическая подложка обеспечивает первичный отвод тепла, но при этом увеличивает сопротивление теплопередаче между чипом светодиода и радиатором или печатной платой на металлической основе. Оптимальный дизайн системы SSL позволил бы эффективнее распределять тепло с помощью традиционной архитектуры CSP, но термальная подложка упростила бы работу конструкторов светильников.

Компания Lumileds усовершенствовала свои светодиоды средней мощности

В связи с переходом на светодиоды средней мощности одной из самых обсуждаемых тенденций в последние несколько лет было снижение цен, но намного важнее переход к более эффективным конструкциям, особенно с точки зрения надежности и возможности применения изделий в достаточно жестких условиях. Lumileds уже давно продвигает свои усовершенствованные модули средней мощности, начиная с того, что компания назвала «мартом средней мощности» в 2016 году. Позднее компания представила светодиоды средней мощности, явно предназначенные для тех вариантов применения, которые традиционно являлись вотчиной изделий высокой мощности, включая подвесные светильники, уличные фонари и системы освещения больших территорий.


12.jpg


Сразу после нового года Lumileds выпустила на рынок светодиоды Luxeon 5050 размером 5×5 мм, что отражено в названии модели. Компонент выглядит как светодиод средней мощности без основной оптики и, выглядит как в пластиковом корпусе. Но этот светодиод может давать 2 Вт мощности, а сама Lumileds ориентируется на уличное и промышленное освещение, дополнительно сообщая, что светильники будут соответствовать спецификациям Консорциума DesignLights (DLC) для устройств премиального уровня. Несколько месяцев спустя Lumileds представила светодиоlы Luxeon 3030 2D с двумя излучателями в едином корпусе с круглой или квадратной светоизлучающей поверхностью (LES). Все изделия используют технологию, которую Lumileds называет «hot color targeting», когда отбираются светодиоды, работающие при типичной температуре для осветительной системы, поэтому использующие светодиоды светильники не приводят к изменению цвета после установки.

Светодиоды Optisolis от компании Nichia

Светодиоды средней мощности не только повышают надежность, но и улучшают цветопередачу, точку белого и другие параметры. Качество освещения упоминалось как одно из главных преимуществ, когда Nichia представляла свои светодиоды Optisolis в начале 2018 года. В пресс-релизе компании утверждалось, что все модели светодиодов гарантируют «ультравысокий индекс цветопередачи».



13.jpg


Несмотря на то, что индекс цветопередачи (CRI) признан неэффективным показателем качества цвета для светодиодов, для демонстрации эффективности своих изделий компания Nichia решила использовать значение CRI Ra и шестнадцати отдельных эталонных оттенков (баллы от 90 и выше), поскольку метрика CRI наиболее широко известна. Первоначально Nichia представила Optisolis как часть своего устоявшегося семейства 757, но технология будет в ближайшее время распространена и на другие типы светодиодов. Компания Nichia смогла обеспечить превосходную цветопередачу, сместив синий насос к фиолетовому краю спектра: светодиоды теплого белого света используют 440 нм, а светодиоды холодного белого света — 420 нм. Компания подчеркнула, однако, что в SPD нет ультрафиолетового излучения, и что эти светодиоды не будут вызывать деградацию материалов при использовании в системах освещения в музеях, которые заявлены как один из вариантов применения Optisolis.

Светодиоды LG Innotek, приятные для глаз

LG Innotek также стремилась создать светодиоды средней мощности, которые были бы более комфорты для работы и повседневной жизни людей. Компания называет свои изделия EP-светодиодами, где приставка EP означает Eye Pleasing, то есть «приятный для глаз». К сожалению, LG не сообщила подробности о производительности своих продуктов, а когда ей задали этот вопрос, ответила, что характеристики SPD и архитектура светодиодов, включая формулу люминофора, являются конфиденциальной информацией.


14.jpg



Компания предоставила часть данных об SPD, показав, что синий пик был смещен в сторону более длинных волн при одновременном уменьшении излучения ниже 465 нм. Представители LG заявили, что диапазон 415 – 455 нм потенциально может повредить сетчатку. Между тем, светодиоды излучают больше энергии в диапазоне 465 – 495 нм, что, как утверждает LG, благотворно отражается на физиологических функциях. Компания также не так давно представила несколько других светодиодов, не вдаваясь в технические детали. Это изделия для систем освещения в растениеводстве, ультрафиолетовые светодиоды и, одна из последних новинок, фиолетовые светодиоды для непрерывной дезинфекции.

Новые изделия средней мощности и COB от Cree

2018 год наверняка станет для Cree переломным. Новому руководству удалось улучшить финансовую ситуацию, но компания может сместить акцент в сторону силовых полупроводников и своего подразделения Wolfspeed. Тем не менее, Cree остается технологическим лидером в области производства светодиодов, в том числе благодаря описанным выше изделиям XD16, при этом компания также расширяла свой и без того внушительный портфель светодиодами средней мощности и изделиями COB на алюминиевых подложках.

15.jpg


На выставке LightFair компания Cree представила результаты сотрудничества с китайским производителем San'an Optoelectronics. Серия J — светодиоды средней мощности — поставляются в стандартных для отрасли квадратных или прямоугольных корпусах и позволяют Cree наладить сотрудничество с производителями осветительных приборов потребительского уровня. Что касается изделий COB, компания является ведущим поставщиком светодиодов на керамических подложках, однако, некоторые производители светильников предпочитают подложки из алюминия. Cree начала производить линейку изделий на алюминиевых подложках в прошлом году, и на выставке LightFair 2018 представила форм-факторы, совместимые с продуктами компании Citizen, которая является ведущим производителем изделий COB на металлических подложках. 

Светодиоды Luxeon CZ от компании Lumileds

Цветные светодиоды остаются нишевыми продуктами с точки зрения общего освещения, но это могут быть очень интересные экземпляры, как с точки зрения архитектуры и дизайна компонентов, так и с точки зрения вариантов применения, которые варьируются от осветительных приборов на спецтехнике и фасадного освещения до систем динамического освещения для различных зрелищных мероприятий. 


16.jpg


Компания Lumileds уже давно стала одним из основных игроков на рынке цветных светодиодов, поставляя монохромные компоненты и компоненты с преобразующим люминофором в широком цветовом диапазоне. В начале этого года компания выпустила на рынок семейство светодиодов Luxeon CZ, изделий высокой мощности без привычной купольной основной оптики. Lumileds заявляет, что здесь достигается более высокая интенсивность в центре луча, чем у компонентов с основной оптикой, включая существующие светодиоды Luxeon C. Также Lumileds утверждает, что архитектура CZ лучше подходит для задач, где светодиоды нужно размещать плотнее, поскольку она минимизирует взаимное влияние отдельных компонентов.

Чип прямого монтажа от Nichia

Конечно, вполне ожидаемо, что по мере все более широкого распространения цветных светодиодов и появления различных вариантов применения систем с динамическим управлением цветом, в этот сегмент должны были прийти такие технологии, как CSP. Nichia имеет преимущество первопроходца в сегменте цветных CSP-светодиодов благодаря своему семейству DMC (Direct Mountable Chip) — «чип прямого монтажа». В апреле 2018 года компания представила синий, зеленый, янтарный и красный светодиоды в дополнение к выпущенным ранее белым светодиодам DMC.

Nichia использует преобразующий люминофор для всех цветных и белого светодиодов. Это значит, что все они имеют схожие рабочие характеристики, включая прямое напряжение, уменьшения светового потока и цветовое смещение. Компания считает, что такая согласованность упрощает проектирование систем SSL. Основной вариант применения цветных светодиодов — осветительные приборы на спецтехнике, затем идет фасадное освещение и системы освещения для различных зрелищных мероприятий.

Ультрафиолетовые светодиоды UV WICOP от Seoul Viosys

Seoul Semiconductor является лидером в области производства CSP-светодиодов, она назвала свою линейку WICOP (интегральная микросхема на базе подложки кристалла на PCB). Компания первой представила внушительную линейку изделий CSP для общего освещения, ее портфель охватывает области применения средне- и высокомощных светодиодов. Кроме того, ее подразделение Seoul Viosys вляется одним из ведущих разработчиков технологии производства ультрафиолетовых светодиодов для таких задач, как дезинфекция и очистка.

17.jpg

И недавно Seoul Viosys объявила о начале производства линейки UV WICOP. Когда эта статья пойдет в печать, такие светодиоды, похоже, еще не будут доступны в продаже. Но компания уже точно протестировала свои изделия в реальных условиях. Seoul Viosys утверждает, что подход CSP позволил повысить надежность и срок службы изделий, увеличить радиометрическую мощность и сократить производственные затраты. На фото рядом показан один из светодиодов, установленных в водонепроницаемом модуле. Более того, представители Seoul Viosys объявили о получении патента на эту разработку.

Светодиоды Klaran WD от Crystal IS

Согласно преобладающему мнению, технологиям производства светодиодов ультрафиолетового диапазона UV-C (как правило, 180 – 280 нм) по-прежнему не хватает зрелости для коммерциализации и широкого внедрения, хотя потенциал их применения в целях стерилизация весьма высок. Но лишь немногим производителям удавалось выпускать светодиоды UV-C со сроком службы 10 000 и даже 5000 часов. Проблемы с выходной мощностью и стоимостью также по-прежнему актуальны.


18.jpg


Тем не менее, в начале 2018 года Crystal IS анонсировала светодиоды Klaran WD (Water Disinfection — обеззараживание воды), которые, по словам представителей компании, позволили снизить затраты и пересекли порог соотношения затрат и мощности в 0,25 долл. США/мВт, который некоторые считали сдерживающим фактором для перехода коммерческих продуктов для очистки воды на светодиодную технологию. Уникальность решений Crystal IS в области УФ-светодиодов заключается в том, что компания использует гомогенный подход к производству — выращивает эпитаксиальные слои AlN (нитрид алюминия) на подложке AlN. Продукты Klaran WD могут давать до 40 мВт радиометрической выходной мощности. Представители Crystal IS также подготовили гостевую статью в этом году, в которой обсудили сценарии использования изделий для стерилизации, показав, что современные УФ-светодиоды гораздо ближе к масштабному внедрению, чем некоторые думали. Светодиоды зажигаются и гаснут мгновенно, поэтому устройства SSL UV в системе обеззараживания нет необходимости держать включенными постоянно, как в случае с традиционными лампами.

 

Светодиоды Oslon Black IR от Osram

На другом конце невидимого для человеческого глаза диапазона лежит инфракрасный (ИК) спектр, который также имеет ряд интересных применения, включая системы безопасности, дальномеры, инструменты биометрии и многое другое. Osram Opto ориентируется на многие такие варианты применения, предлагая излучающие диоды инфракрасного диапазона, которые компания называет IRED. Ранее в этом году Osram анонсировала семейство светодиодов Oslon Black IRED в корпусах высокомощного исполнения с купольной первичной оптикой, которые ориентированы на установку в салоне или снаружи автомобиля.

Купольная линза формирует плотный луч, избавляя от необходимости устанавливать вторичную оптику, таким образом, более компактный корпус позволяет создавать различные низкопрофильные решения. Светодиоды с длиной волны 850 нм можно использовать снаружи автомобиля для обнаружения пешеходов, контроля движения в занимаемой полосе и т. д. Изделия, предназначенные для установки в салоне автомобиля, излучают волны длиной 940 нм. Среди наиболее интересных вариантов применения есть система, которая контролирует движения глаз и лицо водителя, чтобы убедиться, что он полностью контролирует ситуацию, и избежать потенциальных опасностей.

Светодиоды и модули Samsung для растениеводства

Освещение для растениеводства по-прежнему среди самых активно развивающихся направлений для производителей светодиодов, это и дополнительное освещение в парниках, и верхнее освещение в традиционных крытых теплицах, и крытые вертикальные фермы с несколькими ярусами светодиодных светильников. Lumileds и Osram Opto стали в этом сегменте пионерами и обеспечили себе рынок сбыта на годы вперед.


Компания Cree также несколько лет назад успешно вошла в этот сегмент со своими светодиодами дальнего красного диапазона, немногим позже ее примеру последовала Seoul. Кроме того, ассортимент изделий для растениеводства незаметно пополнила компания Nichia, предложив для этого белые светодиоды. Непосредственно перед выставкой LightFair широкую линейку светодиодов и модулей, ориентированных на освещение объектов растениеводства анонсировала Samsung. Компания представила красный светодиод LH351B с длиной волны 660 нм и фотосинтетическим потоком фотонов (PPF) в 2,15 мкмоль/с при силе тока 350 мА. Это изделие основано на архитектуре выской мощности. Компания также опубликовала ориентированные на растениеводство спецификации для двух своих линеек белых светодиодов средней мощности и широкого спектра. На этом рынке компания также предлагает светодиоды серии Q и модули H inFlux уровня 2.