Новинки светодиодной продукции компании Philips Lumileds

Введение

В последние несколько лет рынок светотехнических изделий весьма динамично развивается во многом благодаря новинкам светодиодной промышленности. Появляются новые приборы, разработанные на основе мощных светодиодов. Существенный прорыв в физике и технологии полупроводников, произошедший в середине 90-х годов ХХ века благодаря созданию гетероструктур на основе нитрида галлия и его твёрдых растворов [1–4], позволил светодиодам проникнуть в коротковолновую область и тем самым перекрыть весь видимый диапазон оптического спектра [1–5]. Также у данных светодиодов наблюдались высокие значения КПД и квантового выхода [1–6], до тех пор никогда не наблюдавшиеся у светодиодов. Это позволило говорить о светодиодах как о перспективных источниках света, прежде всего, для оптической индикации и отображения информации. Создание же в конце 90-х годов XX века светодиодов белого свечения, и, особенно, разработка в самом начале 2000-х годов принципиально нового класса – мощных светодиодов – утвердило светодиоды в качестве новых перспективных источников света для освещения [3, 7]. Основная роль в этом принадлежит разработчикам компании Philips Lumileds, явившим миру первый мощный светодиод [8–10]. Именно их стараниями то, о чём не предполагали ещё несколько лет назад, стало сейчас реальностью.

История бренда Philips Lumileds

Начало развития современного бренда Philips Lumileds связано с известной компанией Hewlett Packard, которая являлась одним из лидеров рынка полупроводниковой электроники и опто-электроники в 60–80-х годах XX века. В то время полупроводниковые материалы уже стали применяться для создания биполярных и полевых транзисторов [7–11], а по мере развития их исследований стало понятно, что полупроводники также являются перспективными материалами для разработки на их основе источников излучения [7–11].

Серийный выпуск светодиодов был налажен в конце 60-х годов XX века сначала компанией Monsanto Corporation на основе GаАsР, а затем и компанией Hewlett Packard на основе GaP и его твёрдых растворов, в разработке которых специалисты компании добились значительных успехов [8–11]. Например, к этому типу материала относятся структуры соединения из четырёх компонентов AlInGaP, которые используются для создания источников излучения, перекрывающих практически весь длинноволновой диапазон видимого спектра – от жёлтого до оранжевого [8–11]. К концу 1980-х – началу 1990-х годов светодиоды красного и жёлтого свечения, разработанные этой компанией, устанавливались во многих устройствах, в том числе в первых светодиодных светофорах в России – к 850-летнему юбилею Москвы в 1997 году [8–13].

Эти структуры и сегодня успешно продолжают использоваться для изготовления светодиодов в диапазоне видимого спектра. Кристаллы на их основе используют в своих изделиях многие производители светодиодов [8–11].

Полученные в середине 90-х годов XX века сотрудниками японской компании Nichia Chemical во главе с Шуджи Накамурой результаты по разработке технологии выращивания GaN методом металлоорганической газофазной эпитаксии [1–12] дали импульс развитию работ во всём мире. Вслед за специалистами компании Nichia, которые первыми разработали светодиоды синего, голубого и зелёного цвета свечения на основе гетероструктур GaN и его твёрдых растворов InGaN и AlGaN с КПД порядка 10% [3, 6, 8], технологию выращивания светодиодных кристаллов на подложках из сапфира (Al₂O₃) освоили специалисты и других компаний, среди которых одними из первых были сотрудники компании Hewlett Packard, выпустившие свои первые зелёные светодиоды на рынок уже в 1997 году [8–11].

Следует отметить, что и другая важная разработка исследователей фирмы Nichia в середине 90-х годов ХХ века – светодиод белого свечения с использованием комбинации синих кристаллов на основе GaN и его твёрдых растворов и люминофоров, преобразующих длину волны синего свечения кристалла в жёлто-зелёное свечение [3, 7–11], в результате сложения сигналов которых получается белый цвет свечения, – также не прошла незамеченной специалистами компании Hewlett Packard. В 1999 году они вместе с коллегами из компании Philips, признанного лидера светотехнической промышленности, основали компанию Lumileds [8–11], задачей которой являлась разработка на основе светодиодов источника света для применения в светотехнике. Это должен был быть принципиально новый источник света, световая отдача которого должна была превысить световую отдачу лампы накаливания, самого популярного на тот момент источника света. В будущем же предполагалось, что световая отдача такого светодиодного источника должна была сравняться и даже превысить световую отдачу разрядных ламп, включая натриевую лампу высокого давления – самого эффективного источника света.

В 2003 году компанией Lumileds был сделан первый мощный светодиод белого цвета свечения Luxeon I со световым потоком более 25 лм и световой отдачей более 20 лм/Вт [3, 7–11], что превышало световую отдачу лампы накаливания практически в два раза [3, 8–10]. Достигнутый результат позволил начать говорить о светодиодах как о новых эффективных источниках света.

Действительно, такой светодиод был принципиально новым изделием по многим параметрам: по размеру кристалла, значению рабочего тока, корпусу [8]. Данным изделием компания Lumileds открыла новый класс приборов, получивших название «мощные светодиоды». Именно их и предполагалось использовать в качестве источников света в светотехнических изделиях [8–10].

Естественно, что в погоню бросились разработчики и других крупных производителей полупроводниковых изделий: японской компании Nichia, немецкой компании Osram, американской компании Cree. Как следствие, это стимулировало достаточно быстрое и эффективное развитие мощных светодиодов – на рынке появилось множество их типов. Стоит отметить, что компания Philips Lumileds ничуть не утратила свои позиции одного из лидеров и продолжает активно развивать свою продуктовую линейку, предлагая новые интересные модели светодиодов.

Ряд таких моделей будет рассмотрен в следующем разделе статьи.

Обзор новых моделей светодиодов Luxeon компании Philips Lumileds

Компания Philips Lumileds регулярно обновляет модельный ряд своих светодиодов.

Одной из новинок компании стали светодиоды Luxeon TX в компактном корпусе 3737 (см. рис. 1). 

Отличительными особенностями новинки являются высокая плотность светового потока, невысокое типовое значение напряжения, равное 2,8 В, а также низкое тепловое сопротивление, составляющее 3°C/Вт. Светодиод оптимизирован для использования в промышленных системах освещения, основные требования которых – высокие светотехнические характеристики и световая отдача [9, 10].

Основные характеристики свето­диодов Luxeon TX компании Philips Lumileds представлены в таблице 1.

Другой новинкой компании Philips Lumileds стала серия светодиодов Luxeon Q, представленных на рисунке 2. 

Новая серия светодиодов Luxeon Q изготавливается на основе кристаллов синего цвета свечения, разработанных компанией в феврале 2014 года. Конструкция корпуса светодиодов Luxeon Q обеспечивает более высокий коэффициент вывода света из кристалла, а в кристалле реализуется более эффективное преобразование электрического тока в излучение, т.е. более высокий КПД. Благодаря двум указанным факто­рам эти светодиоды имеют высокую световую отдачу, особенно на высоких токах. Размеры корпуса светодиодов Luxeon Q составляют 3,5 × 3,5 мм. Длина волны излучения этих приборов лежит в синем диапазоне видимого спектра, что соответствует максимуму спектра возбуждения люминофора. Синий свет кристалла частично используется для преобразования в жёлто-зелёное свечение люминофора, и в результате сложения двух указанных сигналов получается белый цвет. Усовершенствованная технология эпитаксиального роста кристаллов, корпус, обеспечивающий улучшенный коэффициент вывода излучения, а также оптимизированный коэффициент преобразования вместе обеспечивают одно из самых высоких значений световой отдачи в отрасли.

Светодиоды Luxeon Q выпускаются в диапазоне цветовой температуры от 2700 до 5700 K. У белых светодиодов с более тёплым свечением минимальный индекс цветопередачи (CRI) равен 80, тогда как у светодиодов с температурой свечения 4000 K и выше минимальное значение CRI равно 70. Точность координат цветности этих светодиодов при производстве соответствует 3- и 5-шаговому эллипсу МакАдама. При этом основное назначение Luxeon Q – обеспечить больший световой поток при высокой эффективности (световой отдачи) и, таким образом, снизить себестоимость люмена.

Основные характеристики светодиодов Luxeon Q компании Philips Lumileds представлены в таблице 2.

Светодиоды серии ES, пополнившие семейство Luxeon Z (см. рис. 3), предназначены для ламп направленного света, разрабатываемых на основе светодиодов взамен устаревающих технологий. 

В первую очередь, новые светильники будут использоваться для освещения гостиниц и торговых площадей, где уже сейчас становится необходимым осуществлять управление цветом свечения [9, 10].

Светодиоды имеют компактные размеры корпуса, составляющие 1,6 × 2,0 мм, и выпускаются в модификациях с кристаллом синего свечения и комбинации такого кристалла с люминофором, преобразующим излучение в белый цвет. В последнем случае однородность цвета обеспечивается в пределах 1-, 3- и 5-шагового эллипса МакАдама.

Оценки специалистов компании говорят о том, что отсутствие куполообразной первичной линзы у корпуса обеспечивает на 10–15% лучшие характеристики цвета в зависимости от угла обзора по сравнению с куполообразной конструкцией.

Основные характеристики светодиодов Luxeon Z ES представлены в таб­лице 3.

Пожалуй, самой оригинальной новинкой стал новый тип светодиодов Luxeon Flip Chip (см. рис. 4), выведенный недавно на рынок компанией Philips Lumileds. 

Основное преимущество данного типа светодиодов состоит в отказе от использования проволоки для термокомпрессионной сварки, использующейся для соединения контактов кристалла с выводами корпуса. Эта проволока не только является возможной причиной отказа светодиода, но и ограничивает значение плотности протекающего через него тока.

До появления новой конструкции, предложенной компанией Philips Lumileds, бескорпусные кристаллы Flip Chip были недостаточно прочными, что ограничивало возможность их применения.

Теперь же у производителей светильников имеется возможность не только устанавливать данные корпусированные кристаллы в светильники традиционным способом, но и самостоятельно подбирать люминофор и корпус для таких светодиодов в соответствии с требованиями того или иного применения.

Компания Philips Lumileds стала первым производителем, который разрабатывает и поставляет светодиоды в корпусах CSP, размеры которых, по сути, те же, что и у кристаллов. Площадь основания светодиода Luxeon Flip Chip компании Philips Lumileds почти совпадает с площадью кристалла. Единственное различие состоит в присутствии контактных площадок на основании светодиода, которые оптимизированы под стандартный процесс монтажа светодиода. Квантовый выход излучения кристалла такой конструкции размером 1 ´ 1 мм составляет от 56 до 61% в зависимости от длины волны [9, 10].

Основные характеристики светодиодов Luxeon Flip Chip компании Philips Lumileds представлены в таблице 4.

Также стоит отметить обновление серии Luxeon CoB (см. рис. 5). 

Спустя лишь несколько месяцев после анонса светодиодных модулей Luxeon CoB, компания Philips Lumileds заявила о повышении их эффективности на 10%. Это означает, что данные продукты сегодня являются самыми эффективными светодиодными модулями.

Специалистам компании Philips Lumileds потребовалось лишь три месяца, чтобы увеличить производительность изделий Luxeon CoB на 10%. Световая отдача данных обновлённых светодиодных модулей может достигать значения 130 лм/Вт.

Приведём для примера несколько значений. Световой поток светодиодного модуля тёплого белого цвета с диаметром области излучения 9 мм составляет 2200 лм, а его световая отдача – 100 лм/Вт; световой поток аналогичного модуля холодного белого цвета составляет 2500 лм, а световая отдача – 105 лм/Вт.

Обновлённые светодиодные модули Luxeon CoB выпускаются в диапазоне цветовой температуры от 2700 до 5700 K, минимальный коэффициент цветопередачи (CRI) в зависимости от модели равен 70, 80 или 90.

Основные характеристики светодиодных модулей Luxeon CoB приведены в таблице 5.

Небольшие размеры областей излучения модулей, диаметры которых составляют 9, 13 или 15 мм, позволяют создавать компактные светильники с достаточно высокой яркостью пучка, благодаря чему можно уменьшить себестоимость решений, например сократив затраты на дополнительную оптику.

Преимущество обновлённых светодиодных модулей проявляется не только в оптических характеристиках, но и в более эффективном отводе тепла от активной области кристалла, который обеспечивает печатная плата на металлической основе. В результате размеры радиаторов можно сократить на 40%, либо повысить надёжность осветительной системы, не меняя размеры теплоотвода [10, 14].

Заключение

Рассмотренный обзор новинок линейки светодиодов компании Philips Lumileds показывает, что данная компания, являющаяся одним из лидеров светодиодного рынка, эффективно развивает свою технологию производства светодиодов. Специалисты компании в разное время были в числе основных разработчиков сначала технологии GaP и его соединений, а затем и GaN и его твёрдых растворов.

Стоит отметить огромный вклад разработчиков компании Philips Lumileds в продвижение идеи светодиодного освещения – возможность использовать светодиоды в качестве источников света в осветительных приборах.

В настоящее время специалисты компании Philips Lumileds, принявшие эстафету у своих предшественников, продолжают разрабатывать интересные продукты, оставаясь среди лидеров светодиодного рынка. Достаточно чёткая сегментация светодиодов данной компании под определённые направления светотехники делает их весьма привлекательными для разработчиков светодиодных осветительных систем.   

Литература

1. Юнович А.Э. Светодиоды на основе гетероструктур из нитрида галлия (GaN) и его твёрдых растворов. Светотехника/ 1996. Вып. 5/6. С. 2–7.
2. Туркин А.Н. Нитрид галлия (GaN) как один из перспективных материалов в современной оптоэлектронике. Компоненты и технологии. № 5. С.176–180. 2011.
3. Туркин А.Н. Полупроводниковые светодиоды: история, факты, перспективы. Полупроводниковая светотехника. № 5. С. 28–33. 2011.
4. Туркин А.Н. Обзор развития технологии полупроводниковых гетероструктур на основе нитрида галлия (GaN). Полу­проводниковая светотехника. № 6. С. 44–47. 2011.
5. Золина К.Г., Кудряшов В.Е., Туркин А.Н., Юнович А.Э. Спектры люминесценции голубых и зелёных светодиодов на основе многослойных гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN с квантовыми ямами. ФТП. 1997. Т. 31. № 9. С. 1055–1061.
6. Туркин А.Н., Юнович А.Э. Измерения мощности излучения голубых и зелёных InGaN/AlGaN/GaN светодиодов с помощью фотопреобразователей из аморфного кремния. Письма в ЖТФ. Т. 22. Вып. 23. С. 82–86. 1996.
7. Светодиоды и их применение для освещения / Под общей редакцией акад. АЭН РФ Ю.Б. Айзенберга. Московский Дом Света. 2012. 280 с. М. Знак. 2012 .
8. Туркин А.Н. Светодиоды Lumileds: прошлое, настоящее, будущее. Полупроводниковая светотехника. № 2. С. 6–9. 2012.
9. Матешев И., Муленкова А., Туркин А., Шамков К. Мощные светодиоды Philips Lumileds – от истоков до новинок рынка. Современная электроника. № 6. С. 24–29, 2013.
10. Матешев И., Муленкова А., Туркин А., Шамков К. Обзор новых светодиодных продуктов компании Philips Lumileds. Полупроводниковая светотехника. № 5. С. 30–32. 2013.
11. Шуберт Ф.Е. Светодиоды. М. ФизМатЛит. 2008.
12. Юнович А.Э. Ключ к синему лучу или о светодиодах и лазерах, голубых и зелёных. Химия и жизнь. № 5–6. С.46–48. 1999.
13. Тринчук Б.Ф. Светосигнальная аппаратура на светодиодах. Светотехника. № 5. С. 6–11. 1997.
14. Дорожкин Ю., Матешев И., Туркин А. Светодиодные модули серии CXA компании Cree. Полупроводниковая светотехника. № 1. С. 36–39. 2013.

© СТА-ПРЕСС