Введение
Последнее время постоянно говорят о светодиодах как о новых источниках света. Это связано, в основном, с технологическим прорывом, который позволил светодиодам догнать и перегнать лампы накаливания и люминесцентные лампы по энергоэффективности. Наблюдается бурный рост производства различных светотехнических устройств на основе светодиодов. Разработка и производство таких приборов активно ведутся в разных странах. Не отстают в этом отношении и отечественные предприятия.
Необходимо признать, что подавляющее большинство отечественных производителей светотехники используют в своих изделиях импортные светодиоды. С одной стороны, такое предпочтение понятно – для производства качественной продукции требуются надёжные комплектующие. Тем не менее, до недавнего времени в России практически не было производителей светодиодов, выпускавших продукцию соответствующего качества.
В последние годы ситуация изменилась, и в России появились компании, разрабатывающие и производящие светодиоды на промышленном уровне. В статье пойдёт речь об одном из таких предприятий – Томском научно-исследовательском институте полупроводниковых приборов (НИИПП).
История и традиции полупроводникового производства в Томске
Томский НИИПП был организован в 1964 году как специализированное предприятие электронной промышленности по разработке и серийному выпуску изделий электронной техники на полупроводниковых соединениях типа A3B5. Первым руководителем института был профессор, доктор технических наук Виктор Алексеевич Преснов. Институт за годы своего существования превратился в одно из ведущих предприятий электронной промышленности России и долгое время являлся основным разработчиком и поставщиком полупроводниковых приборов из арсенида галлия и кремния. Материаловедческие исследования и разработки способов получения эпитаксиальных структур со сложными профилями легирования обеспечили освоение и выпуск различных дискретных приборов и интегральных схем на основе этих материалов.
Постепенно, с возникшими в начале 1990-х экономическими трудностями и развалом СССР, многие предприятия томской области прекратили своё существование. Однако НИИПП, выстояв во времена перестройки и справившись с периодом стабилизации, в настоящее время находится в состоянии уверенного экономического роста [1, 2].
Бурный расцвет предприятия пришёлся на 1992 год. СССР уже разваливался, а в НИИПП кипела жизнь [1]. Здесь работали 6 тыс. человек: 4,5 тыс. из них на производстве и 1,5 тыс. в научных подразделениях. Проводились более 100 научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок (НИОКР), выпускались комплектующие – миллионы транзисторов и светодиодов для отечественных телевизоров. Около 30% составляли оборонные заказы [1].
В 1994 году оборвались связи с предприятиями бывшего Советского Союза, исчез госзаказ. В результате к 1995 году объёмы производства в НИИПП упали в 150 раз [1]. Буквально за один год коллектив института потерял несколько тысяч человек – люди уходили из-за задержек зарплаты. Руководство НИИПП, находясь в безвыходном положении, предоставило возможность сотрудникам зарабатывать и себе, и предприятию. Возможно, на тот момент это была правильная политика, поскольку предприятие сумело выжить, в отличие от многих других [1, 2].
Однако сотрудники НИИПП не забывали о своём основном направлении и по возможности старались его развивать. В конце 1990-х на предприятии были освоены новые виды высокотехнологичной продукции. Начался выпуск медицинской техники (аппарат «Геска»), а разработанная в НИИПП «кремлёвская таблетка», по сути, стала финансовым спасением, обеспечив почти 80% дохода всего института [1]. Именно в эти годы здесь наладили выпуск приборов для контроля защиты электроустановок, светодиодных ламп для бакенов, занялись изготовлением сигнальной техники. В целом, в период с 1996 по 2000 годы выпуск полупроводниковой продукции вырос в 10 раз, открылись новые лаборатории [1].
В 1998 году в стране произошёл дефолт, и начались новые трудности. Сотрудники НИИПП успешно справились и с ними. С кризисом 2008 года предприятие справилось без больших потерь, – объём производства упал всего на 10% и быстро восстановился, а в последующие годы НИИПП продемонстрировал уверенный рост производства [1]. Начиная с 2004 года, темпы роста составляют не менее 130% в год. Основой развития предприятия являются главные наукоёмкие направления: полупроводниковая СВЧ-электроника и оптоэлектроника [2].
Сегодня НИИПП занимает устойчивое положение на рынке отечественной электроники. У коллектива есть понимание тех задач, которые необходимо решить, есть чёткие векторы развития, а также определённые ресурсы для достижения поставленных целей [2]. Многие сотрудники имеют учёные степени и звания, являются членами аттестационных комиссий и диссертационных советов различных вузов. Научные подразделения НИИПП привлекательны для молодых людей. Студенты проходят в них производственную практику, и многие после учёбы приходят работать. Таким образом, упоминание НИИ в названии не является данью моде или истории, а показывает, что это – исторически сложившееся, современное и эффективно работающее научно-производственное объединение [2]. Наука и производство практически неотделимы друг от друга, а залогом успеха является их тесное и плодотворное взаимодействие в цикле «исследование – разработка – выпуск изделий» [2].
С определённой долей уверенности можно сказать, что на предприятии достигнуто сбалансированное сочетание желаний и возможностей. Это подтверждается производственно-финансовыми показателями за 2012 год: объём производства увеличился на 50%, прибыль до налогообложения выросла в 3,5 раза, среднемесячная зарплата по предприятию в 2012 году увеличилась на 21% по сравнению с 2011 годом [2]. Такие показатели достигнуты благодаря как позитивным внешним факторам, так и проведённой реорганизации и оптимизации структуры предприятия в соответствии с приоритетными задачами.
Светодиодное направление в НИИПП
Высокие темпы роста демонстрирует направление светотехнических изделий на основе светодиодов. Уже более 10 лет серийно выпускаются светодиодные лампы для навигационного ограждения водных путей и заградительных огней воздушного транспорта. Налажен серийный выпуск светосигнальных приборов для тех же целей. Номенклатура светодиодных ламп и полупроводниковых светотехнических изделий расширяется с каждым годом.
Изначально сборка светодиодных светильников осуществлялась на основе импортных комплектующих. Но у предприятия есть и собственный опыт выращивания кристаллов и сборки светодиодов на их основе. Этой темой сотрудники НИИПП занимаются с тех пор, когда интерес к светодиодной тематике в мире ещё только зарождался. В последние годы светодиодное направление стало развиваться.
Понимая необходимость объединения усилий в области электронной промышленности, в 2008 году НИИПП вошёл в ГК «Ростехнологии». Спустя два года одно из подразделений госкорпорации – Росэлектроника – приняло решение о строительстве в Томске базового центра внедрения светодиодов, одного из трёх, создаваемых в России [1]. В рамках работы по созданию такого центра НИИПП совместно с Томским государственным университетом систем управления и радиоэлектроники открыл лабораторию по сборке светодиодов. В 2012 году было проведено дооснащение сборочного участка современным оборудованием для автоматизированной сборки светодиодов (см. рис. 1а–в).
На новом оборудовании сотрудникам НИИПП удалось отработать цикл производства и подготовить инженеров, как для собственного производства, так и для нового завода, созданного в 2012 году под названием «Базовый центр светодиодных технологий».
На выставке Innovus-2013 институт продемонстрировал различные светодиодные светотехнические изделия, выпускаемые компанией в настоящее время. Ниже будут рассмотрены основные типы светодиодов НИИПП – серий TOMSLED TmL-350 и TOMSLED TmL-60.
Светодиоды серии TOMSLED TmL-350
Светодиоды серии TOMSLED TmL-350 (см. рис. 2) выпускаются в холодном, нейтральном (или естественном) и тёплом диапазонах белого цвета.
Номинальный рабочий ток светодиодов данной серии составляет 350 мА, что обеспечивает среднее значение потребляемой мощности чуть больше 1 Вт. Среднее значение светового потока при номинальном токе для холодного белого цвета составляет порядка 140 лм, для естественного белого цвета – около 130 лм, для тёплого белого цвета – примерно 100 лм. Максимальный рабочий ток данных светодиодов равен 700 мА.
Основные характеристики светодиодов серии TOMSLED TmL-350 приведены в таблице 1.
Заказ светодиодов осуществляется по группам приборов с одним значением прямого напряжения, при этом задают световой поток и цветовую температуру (по таблице 2).
Светодиоды поделены на группы по световому потоку в соответствии с таблицей 1. Разброс значений светового потока для светодиодов в группе не превышает 10 лм. В качестве примера, номер заказа TmL-350-F100-5000-О1 означает светодиоды TOMSLED TmL-350 со световым потоком не менее 100 лм, цветовой температурой 5000 K и разбросом значений прямого напряжения не более 0,2 В.
Светодиоды изготавливают в стандартном металлопластмассовом корпусе (SMD 5050), размеры основания которого составляют 50 × 50 мм. Этот корпус может использоваться как для ручного, так и для автоматизированного поверхностного монтажа. Светодиоды серии TmL-350 ориентированы на светотехнические изделия для офисного, уличного и архитектурно-художественного освещения.
Светодиоды серии TOMSLED TmL-60
Светодиоды серии TOMSLED TmL-60 (см. рис. 2) также выпускаются в холодном, нейтральном и тёплом диапазонах белого цвета.
В отличие от светодиодов серии TmL-350, номинальный рабочий ток светодиодов данной серии равен 60 мА, поэтому среднее значение потребляемой мощности чуть ниже 0,2 Вт, а световой поток составляет 20…22 лм. Максимальный рабочий ток данных светодиодов равен 85 мА. Основные характеристики приборов серии TOMSLED TmL-60 приведены в таблице 3.
Заказ светодиодов TmL-60, как и TmL-350, осуществляется по группам приборов с одним значением прямого напряжения, при этом задают световой поток и цветовую температуру, значение которой также выбирают из таблицы 2. В качестве примера, номер заказа TmL-60-F19-5000-О1 означает светодиоды TOMSLED TmL-60 со световым потоком не менее 19 лм, цветовой температурой 5000 K и разбросом значений прямого напряжения не более 0,2 В.
Светодиоды изготавливают в стандартном металлопластмассовом корпусе (SMD 5050) с размерами основания 50 × 50 мм. Приборы серии TmL-60 ориентированы на светотехнические изделия внутреннего, в частности, офисного освещения. Также их можно применять в светильниках для наружного и декоративного освещения.
Рекомендации по применению светодиодов TOMSLED
При проектировании светотехнических изделий с использованием светодиодов следует исключить выбросы тока в момент включения источника питания, поскольку это может привести к выходу светодиодов из строя. Следует соблюдать полярность включения приборов, и также учитывать, что приложение к светодиоду постоянного обратного напряжения, превышающего 5 В, может привести к его повреждению.
Для обеспечения надёжности и стабильности характеристик в течение срока эксплуатации не следует допускать перегрева активной области кристалла светодиода [3, 4]. Температура p-n-перехода кристалла Тj связана с тепловым сопротивлением участка «p-n-переход – окружающая среда» Rjа зависимостью Тj = Тa + Rjа × W, где Тa – температура окружающей среды, W – потребляемая мощность, равная произведению рабочего тока на прямое напряжение [4]. Чтобы избежать перегрева активной области кристалла при использовании светодиодов с известным тепловым сопротивлением, следует максимально уменьшить тепловое сопротивление между местом пайки светодиода и окружающей средой. В частности, рекомендуется применять дополнительный теплоотвод, которым может быть и область печатной платы достаточной площади.
При проектировании светотехнических изделий, максимальный рабочий ток определяется по зависимости допустимого прямого тока от температуры окружающей среды [4], которая приводится в технической документации на светодиоды, а также с учётом характеристик теплоотвода [4].
Заключение
В России существует производство светодиодов, которое развивается сотрудниками Томского НИИПП на основе сложившихся научных и технологических традиций. Характеристики выпускаемых светодиодов не уступают средним показателям зарубежных производителей. Сотрудники НИИПП имеют достаточный опыт разработки и производства светильников на основе светодиодов.
Достигнутые предприятием успехи свидетельствуют о том, что на рынок в скором времени могут быть выпущены новые типы отечественных светодиодов, а их характеристики приблизятся к показателями лидеров мирового рынка.
Литература
- http://tomsk-novosti.ru/sud-ba-bol-shih-zavodov-tomskij-niipp-na-poroge-ser-eznogo-tehnicheskogo-perevooru-zheniya/
- http://tomsk-novosti.ru/vtoroe-dy-hanie-niipp/
- Шуберт Ф.Е. Светодиоды. ФизМатЛит. 2008.
- Светодиоды и их применение для освещения. Под ред. Ю.Б. Айзенберга. Московский Дом Света. 2012.
© СТА-ПРЕСС
Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
