Ascesa dei Moduli LED con chip su scheda (Chip On Board – “COB”)

L’ascesa dei moduli LED con chip su scheda

Fino a tempi recenti, i progettisti di sistemi di illuminazione che desideravano sfruttare per le proprie creazioni il rendimento, la durata e la robustezza dei LED dovevano affrontare alcune sfide di rilievo.Fra queste ultime, la più complessa era rappresentata dalla necessità di stabilire quanti LED discreti fossero necessari per ottenere la “densità di lumen” (emissione luminosa per unità di superficie) desiderata del prodotto, quindi di progettare un circuito stampato che tenesse conto dei requisiti termici e di alimentazione della stringa in questione, senza occupare troppo spazio all’interno della lampada. Per soddisfare le attese del cliente, il progettista doveva poi accertarsi che tutti i LED del gruppo producessero luce del medesimo colore.

Oggi è disponibile una soluzione più semplice. I produttori di LED hanno introdotto un nuovo formato di packaging dei loro dispositivi ad alta potenza, vale a dire la stringa di LED con chip su scheda (COB). Fornendo tali unità, i produttori di LED hanno svolto sia il lavoro di abbinamento dei singoli LED, sia quello di progettazione di un substrato adatto a sostenere il “motore di illuminazione.” Ancora più importante è tuttavia il fatto che le stringhe di LED COB consentono ai produttori di LED di sfruttare le tecniche di potenziamento dell’efficienza come quella a “fosforo remoto”.

Questo articolo esamina gli esempi di stringhe di LED COB disponibili in commercio, illustrando inoltre l’evoluzione del settore in un prossimo futuro.

Svantaggi delle stringhe di LED discreti

Nonostante le prestazioni dei LED siano migliorate notevolmente, i singoli dispositivi non producono ancora un’emissione sufficiente per le applicazioni di illuminazione mainstream. Una singola lampadina a incandescenza a 120 V da 100 W produce 1.700 lumen (con un’efficienza pari a circa 17 lm/W). A titolo di confronto, un LED molto diffuso come il modello OSRAMOSLON SSL 150 genera 136 lm (350 mA, 3,1 V, 125 lm/W). Per fornire un’emissione approssimativamente uguale a quella di una lampadina a incandescenza, ai progettisti di sistemi di illuminazione occorrerebbero decine di tali dispositivi OSRAM.

Questa situazione presenta qualche problema a causa dello spazio fisico occupato dai LED (tipicamente alcuni centimetri quadrati). Raggruppando i LED in stringhe, sorgono inoltre varie sfide dal punto di vista ottico, dell’illuminazione e della produzione.

È difficile ottimizzare la qualità della luce proveniente da una stringa di LED. I produttori di LED suddividono questi ultimi in ‘classi’ circa della medesima luminosità e temperatura di colore correlata (CCT, Color Correlated Temperature), ma realizzare uno stretto abbinamento dei singoli dispositivi in modo che i consumatori non notino alcuna differenza diventa costoso e laborioso.

Un secondo problema delle grandi stringhe di LED consiste nel fatto che i dispositivi invecchiano a velocità diverse. Nelle apparecchiature, è possibile che numerosi LED abbiano ancora una lunga vita utile, mentre la luminosità di altri è ridotta, ma ciò fa sì che i consumatori gettano l’intera unità. L’assemblaggio delle stringhe formate da molti LED è inoltre difficile e dispendioso in termini di tempo, con un ulteriore aumento dei costi. (Vedere l’articolo TechZone “LED Packaging and Efficacy Advances Boost Lumen Density.” (Il packaging dei LED e i progressi dell’efficacia potenziano la densità di lumen))

Eliminazione dell’assemblaggio

Per risolvere i problemi di progettazione e assemblaggio delle stringhe di LED, i produttori offrono ora una soluzione modulare consistente in una stringa di LED COB. Tali dispositivi offrono sia un contenitore ceramico, sia un alto livello di integrazione.

Le stringhe di LED COB evitano ai produttori di sistemi di illuminazione di dover disporre i singoli LED su una scheda di circuiti stampati (PCB, Printed Circuit Board), o di dover affidare ad altri tale compito. Un altro vantaggio in grado di agevolare il processo di produzione consiste nel fatto che i package COB sono adatti per l’assemblaggio manuale. È infatti possibile fissare il COB al dissipatore di calore incollandolo con una sostanza epossidica o innestandolo meccanicamente, senza un grande dispendio di risorse ingegneristiche. (Vedere l’articolo TechZone dal titolo “Consider Packaging for Performance Improvements, Cost Reduction.” (Valutazione del packaging per il miglioramento delle prestazioni e la riduzione dei costi))

Molex offre una gamma di supporti per stringhe di LED COB per i prodotti Bridgelux e Cree descritti di seguito (figura 1).

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Figura 1: i supporti Molex per stringhe di LED COB sono adatti per i prodotti di vari fra i principali fabbricanti di LED.I vantaggi delle stringhe di LED COB non si limitano alla fase di assemblaggio; vi sono infatti anche alcuni aspetti positivi dal punto di vista ottico. I dispositivi utilizzano tipicamente una “singola superficie emittente” costituita da un disco rivestito con fosfori. I LED bianchi tradizionali utilizzano un LED blu ed eseguono uno spostamento di Stokes della luce che esso emette; a tale scopo essi utilizzano fosfori nei quali è presente granato di ittrio e alluminio (YAG, Yttrium Aluminum Garnet) drogato con cerio, una terra rara. LED e fosfori vengono combinati un unico contenitore.

Alcune società di ricerche sostengono tuttavia che i cosiddetti dispositivi a fosforo remoto (nei quali i fosfori sono contenuti in un disco montato a una certa distanza dal LED blu, la singola superficie emittente nel caso la di una stringa di LED COB) migliorano il rendimento dei LED e ne aumentano la durata. (Vedere l’articolo TechZone “Remote Phosphor Offers Alternative to White LEDs.” (Il fosforo remoto offre un’alternativa ai LED bianchi))

Stringhe di LED COB commerciali

I principali produttori di LED hanno introdotto famiglie di stringhe di LED COB commerciali. Cree ha lanciato di recente una stringa di LED COB per illuminazione detta soluzione XLamp CXA. L’azienda sostiene che si tratta di una tecnologia rivoluzionaria, che raddoppia l’intensità del sistema dei punti luce rispetto alle stringhe precedenti. L’azienda afferma che il primo prodotto già lanciato di tale famiglia, il LED CXA1520, consente ai progettisti di sistemi di illuminazione di creare prodotti in grado di fornire la stessa luminosità di un dispositivo ad alogenuro metallico ceramico da 39 W, ma con un consumo energetico inferiore anche del 50%.

Le stringhe di LED CXA1520 erogano fino a 3.478 lumen a 33 W (a 85 °C). Il prodotto è disponibile in versioni con CCT da 2.700 a 5.000 K, e con valori di indice di resa cromatica (CRI, Color Rendering Index) pari a 70, 80 e 95.

La stringa CXA presenta una superficie emittente uniforme, che permette di realizzare applicazioni di illuminazione direzionali e non, come pure sistemi di illuminazione (figura 2). Il prodotto è disponibile in consistenze di colore a 2 e 4 fasi, dotate una sorgente ottica di 19 mm.

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Figure 2: la stringa CXA di Cree presenta una superficie emittente uniforme. Per non essere lasciata indietro, Seoul Semiconductor offre la sua serie ZC. L’azienda sostiene che siccome la serie ZC è formata da dispositivi COB e non occorre installare i LED con un montaggio superficiale, i produttori di sistemi di illuminazione hanno la possibilità di saltare il processo di collegamento del chip, con una riduzione dei costi delle unità.

Seoul Semiconductor sostiene che l’uso di “substrati di alluminio ad alta riflettività” migliora la luminosità dei LED e ne prolunga la durata. La serie ZC è disponibile con potenze pari a 6, 10 e 16 W, che l’azienda afferma essere sostituti adatti per le lampadine a incandescenza da 40 e 60 W e, rispettivamente, per i faretti a soffitto da 100 W.

La serie ZC è disponibile con CCT da 2.700 a 5.600 K e con un indice di resa cromatica (CRI) pari o superiore a 70 o 80, ed è in grado di produrre 2.400 lumen (con una corrente diretta di 480 mA). Analogamente al prodotto Cree, la serie ZC di Seoul Semiconductor utilizza per la stringa di LED una superficie emittente uniforme del diametro di 19 mm.

Per competere in questo settore, Bridgelux offre la serie ES ad array rettangolare (figura 3). L’azienda afferma che queste sorgenti luminose compatte ad alta densità di flusso assicurano un’illuminazione uniforme, senza la pixelizzazione o l’effetto di ombra multipla causati dalle soluzioni basate su LED discreti. L’ultima generazione di stringhe di LED COB Luxeon eroga da 700 a 3.000 lumen, con un rendimento tipico compreso fra 90 e 130 lm/W. Sono disponibili unità con CCT da 2.700 a 5.700 K e CRI pari a 70, 80 o 90.

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Figura 3: la serie Bridgelux ES ad array rettangolare è disponibile in una versione da 19 mm. L’azienda sostiene che i dispositivi, dotati di una singola superficie emittente del diametro di 19 mm, riducono la complessità dei sistemi e consentono di progettare lampade e sistemi di illuminazione miniaturizzati ed economicamente vantaggiosi. La bassa resistenza termica permette di utilizzare dissipatori di calore più piccoli o di migliorare l’affidabilità del sistema di illuminazione quando si utilizzano dissipatori di calore più grandi.

Espansione dei COB

Per i produttori di sistemi di illuminazione, i vantaggi economici offerti dalle stringhe di LED COB rispetto all’impiego di LED discreti, alla progettazione di una scheda per circuiti per supportarli e infine all’assemblaggio dell’unità sono convincenti. Tali vantaggi stanno stimolando la sensazionale crescita del settore.

Secondo la società di analisi Research & Markets, fra il 2013 e il 2018 per il mercato dei LED COB è prevista un’espansione a un tasso di crescita annuale composto (CAGR, Compound Annual Growth Rate) del 40,71%. Oltre agli altri vantaggi, l’azienda afferma che uno dei fattori chiave che contribuiscono alla crescita di questo mercato è la riduzione del prezzo dei LED. Gran parte dell’aumento della domanda è pilotata dalle applicazioni di illuminazione mainstream.

Anche se i valori forniti dagli indicatori sono in qualche misura ottimistici, è probabile che il settore delle stringhe di LED COB faccia registrare nei prossimi anni una notevole espansione. Nel futuro a brevissimo termine, è quindi possibile attendersi un maggior numero di lanci di prodotti.

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