Le nuove strategie per le sorgenti LED ad alta luminanza

(courtesy www.alighting.cn)

Questo articolo è una disamina delle diverse opzioni possibili per le sorgenti LED ad alta luminanza, con particolare riferimento alle tecnologie Chip Scale Package (CSP) e Chip on Board (COB). Vengono anche presentati possibili sviluppi futuri della tecnologia, basati sull’uso di fosfori a Quantum Dots, LED a nanostruttura, laser lighting

Nonostante la diffusione di LED nell’ambito dei sistemi di illuminazione sia ancora al suo inizio, e la produzione di LED destinata a questo scopo stia progressivamente aumentando, esistono diversi aspetti critici che dovranno essere affrontati nei prossimi anni, e che potrebbero portare a significative modificazioni sia del prodotto LED, che dei modelli di business delle industrie che producono e utilizzano LED o in generale  si occupano di luce e illuminazione.

Tra gli elementi di criticità vi sono la continua contrazione dei prezzi, la grande frammentazione del mercato, e – in prospettiva – il rallentamento della crescita dell’efficienza previsto dopo il 2020 (vedi figura 1) [1].

Figura 1 – Andamento storico dell’efficacy (lumen/Watt) dei LED cool-white e warm-white. Le bande grige rappresentano i limiti teorici nel caso di LED a conversioni con fosfori (PCLED), sistemi LED ibridi che generano luce bianca mediante un LED blu, fosfori verdi e un LED rosso (HY-LED) e sistemi LED con color mixing Red-Green-Blu-alfa (RGBA CM LED) [1]
A questi aspetti si aggiunge una possibile futura riduzione del mercato conseguente al crescente numero di installazioni di elevata durata e affidabilità. Le risposte dell’industria ai rischi di futura crisi sono sia di natura tecnologica che sistemistica; tra queste, quelle prese in considerazione da questo articolo sono:

  • il miglioramento delle tecnologie, finalizzato a trovare nuove e più economiche soluzioni per il packaging e a migliorare la qualità della luce emessa;
  • lo sviluppo di fosfori con minori perdite ad alta densità di potenza, o migliore resa del colore, inclusi materiali a “Quantum Dots”;
  • l’esplorazione di sistemi di illuminazione radicalmente alternativi, come i sistemi di illuminazione basati su laser blu.

L’industria dei LED ha inoltre adottato una strategia di crescente diversificazione dei propri prodotti, alla ricerca di mercati alternativi all’illuminazione generale, come i sistemi di illuminazione per orticultura, i LED ad ultravioletti per sterilizzazione e per applicazioni biomedicali e industriali, lo sviluppo di display basati su matrici di microLED e, con anche maggiore interesse, i sistemi di illuminazione e proiezione per le automobili.

La richiesta di sistemi sempre più compatti, per l’illuminazione e per le applicazioni automobilistiche, e la ricerca di maggiore libertà nei fattori di forma spinge verso sorgenti LED di dimensioni sempre più piccole: le dimensioni degli elementi ottici sono infatti legate alla dimensione della sorgente luminosa, attraverso l’etendue, che può essere descritta come il prodotto dell’area dell’emettitore e dell’angolo solido del fascio emesso.

L’etendue è un dato critico per il progetto ottico, dato che non può decrescere se si vuole conservare la potenza ottica. Se, ad esempio, si vuole collimare un LED con un’area di 1 mm2 e un’apertura di 120° in un fascio di 5°, l’area equivalente della sorgente aumenterà corrispondentemente, e così farà l’area degli elementi ottici (lenti o riflettori) [2]. Questo aspetto, come discusso nel seguito, tende a favorire sorgenti LED di dimensioni sempre più piccole, e promuove la ricerca nell’ambito dell’illuminazione laser, dato che l’area di emissione di un diodo laser è molto più piccola di quella di un LED (decimi di µm2 rispetto a mm2 per la stessa potenza ottica).

LED per illuminazione: le nuove tendenze

Nuove strategie di packaging e LED ad alta intensità: Chip Scale Package. Nuove strategie di packaging consentono da un lato di ridurre i costi di fabbricazione dei moduli LED, dall’altro di ottenere fattori di forma e prestazioni prima irrealizzabili, alla ricerca di applicazioni che consentano di raggiungere redditività soddisfacenti: questo approccio ha enfatizzato la ricerca e il miglioramento delle tecniche di montaggio chip on board (COB), flip-chip, chip-scale package (CSP), e lo sviluppo di nuovi filamenti LED. La tabella I  mostra schematicamente i vari tipi di montaggio per sistemi con più LED e i principali vantaggi e svantaggi per le applicazioni ad elevata luminanza.

Tabella I – Diverse modalità di packaging per i LED per illuminazione. Nella colonna sinistra, la sezione schematica dei LED; nella colonna centrale i vantaggi dei diversi tipi di montaggio; nella colonna a destra i corrispondenti svantaggi. Ripreso da [3], con adattamenti
Le tecniche per la riduzione delle dimensioni del sistema emittente, con conseguenti risparmi nel packaging, nel trasporto e nell’installazione attraggono sempre maggiore attenzione: risparmiare spazio consente anche una maggiore flessibilità per l’introduzione delle nuove funzionalità richieste dall’integrazione nei sistemi di domotica e nei sistemi Human Centric Lighting (come sensoristica, gestione remota, connetività wireless ecc.).  Diversi fabbricanti di LED stanno sviluppando prodotti CSP (vedi figura 2).

 

Figura 2 – Confronto tra un package LED per alta potenza (a sinistra) e un tipico LED Chip Scale Package (CSP) Flip-Chip. Da: [4]
Questa soluzione permette infatti di ridurre gli step necessari per il montaggio dei LED e quindi riduce automaticamente i costi. Un LED CSP consiste in un package che contiene, montato in configurazione flipchip, un LED blu. Il CSP ha quasi le stesse dimensioni del chip LED e può essere montato direttamente su una scheda o in un modulo. La figura 3 mostra schematicamente la riduzione di complessità che si può ottenere per un CSP ad alta densità di illuminazione rispetto ad un LED SMT convenzionale, e la corrispondente riduzione percentuale del costo.

 

Figura 3 – Riduzione di complessità che si può ottenere passando da un LED SMT convenzionale ad un LED Chip Scale Pachage (CSP) e corrispondente riduzione percentuale di costo. Da: [5]
La tecnologia flip-chip consiste nel montare il chip con la zona attiva e i contatti verso il basso e il substrato verso l’alto: questo permette di eliminare i fili di interconnessione; la luce viene emessa attraverso il substrato e dalle facce laterali e l’intero chip viene ricoperto dai fosfori.  Se l’emissione laterale può causare dei problemi, come ad esempio, in una matrice di LED, fenomeni di cross-talk o illuminazione disuniforme, le facce laterali vengono coperte con materiale che agisce come uno specchio, aumentando la direzionalità.

 

I LED CSP possono essere fino a dieci volte più piccoli dei LED di media e alta potenza, il che porta direttamente ad elevate luminanze e alla possibilità di creare matrici di LED estremamente compatte, con distanza tra un LED e l’altro molto più piccola che nei sistemi COB, permettendo di creare soluzioni di beam steering basate sull’accensione selettiva dei LED; naturalmente per quest’ultima funzione è essenziale poter contenere l’etendue o la dimensione del fascio emesso dal singolo LED.

Inizialmente, i LED CSP sono stati utilizzati nei sistemi per i quali il fattore di forma era essenziale, perché lo spazio disponibile era estremamente ridotto. Attualmente, oltre che nell’illuminazione, i LED CSP trovano utilizzo – grazie al loro fattore di forma e alla loro direzionalità – nella luce flash dei dispositivi mobili, nei proiettori delle luci di scena, nella retroilluminazione di display e TV, nei cluster di LED a luce variabile utilizzati nelle luci architetturali per interni.

Quindi i sistemi CSP emulano i moduli COB, ma con maggiori funzionalità e potenzialità applicative, e ad un costo potenzialmente minore, facilitando lo sviluppo di applicazioni Tunable White e Human Centric Lighting. Per questo motivo, i CSP potrebbero conquistare ampie fette di mercato, soprattutto nei settori a basso costo.

Vi sono tuttavia anche delle difficoltà, connesse con il controllo dell’uniformità del colore, lo sviluppo di nuovi materiali con buone caratteristiche termiche per l’interconnessione tra CSP e scheda, l’affidabilità in condizioni di alta densità di corrente e alta temperatura, l’assenza di protezione dagli agenti esterni dovuta alla mancanza di un package.

Gli esempi sul mercato

Lumileds è stata tra le prime industrie a proporre al mercato LED flip-chip CSP ad elevata densità di flusso. I LED Luxeon Flip Chip White 10 hanno temperature di colore CCT comprese tra 2700 K e 5700 K, indice di resa di colore CRI compreso tra 70 e 80, flusso luminoso da 108 e 137 lumen, efficacy tra 110 e 140 lumen/W.

Nichia ha recentemente presentato la serie E17A, E21A rispettivamente con flussi di 100-160 lumen e 200-320 lumen, temperature di colore di 3000 o 5000 K secondo le opzioni e CRI tra 70 e 90.

OSRAM OS prosegue con la linea DURIS S2, con dimensioni di 2 mm x 1.6 mm, temperature di colore tra 3000 e 5000 K, flusso luminoso di 30 lm a 4000 K, efficacy di 160 lm/W a 65 mA, angolo di emissione di 150°, color rendering index Ra di 80-85.

Nel mese di dicembre 2017 Cree ha annunciato una famiglia di LED denominata XD (eXtreme Density), basata sulla piattaforma NX, che si avvicina per dimensioni ai LED CSP (1.6 mm x 1.6 mm), ma utilizza un chip carrier ceramico che include strutture riflettenti sui lati del chip in modo che l’emissione avvenga solo dalla superficie superiore: un LED di questa famiglia, alimentato a 350 mA e ad una temperatura di 85°C può fornire 148 lumen, con un’efficacy di 155 lm/W ad una temperatura di colore di 3000 K con un CRI pari a 70. Questa famiglia di componenti può raggiungere una densità di illuminazione di 284 lumen/ mm2, superiore a molti LED CSP presenti sul mercato.

In conclusione, i LED CSP non sono solo più compatti, meno costosi da produrre e di uso flessibile, ma anche compatibili con i processi di montaggio SMT (Surface Mount Technology). Possono quindi sostituire i LED con package convenzionale direttamente su schede a circuiti stampati, offrendo ai costruttori di moduli ( i cosiddetti integratori di secondo livello) le stesse possibilità prima riservate ai costruttori dei più sofisticati sistemi ‘Chip on Board’, che richiedono condizioni ambientali e pulizia dei processi molto più controllate.

L’assenza di un contenitore o di un interlayer che possa diffondere meglio il calore rende estremamente difficile il problema di contenere la temperatura di giunzione dei LED CSP entro limiti accettabili e la soluzione di questo problema dipende quasi interamente dalle caratteristiche dell’assemblaggio e delle schede che alloggeranno i LED. Un altro potenziale rischio per l’affidabilità dei CSP deriva dall’eliminazione del diodo Zener di protezione, che rende questi dispositivi più esposti al danno da scariche elettrostatiche (ESD), rendendo quindi più critiche le procedure di posizionamento e montaggio. La figura 4 confronta la potenza massima e le dimensioni per LED di media e alta potenza e LED CSP.

Figura 4 – Confronto tra potenza massima e dimensioni per LED CSP, di media potenza e di alta potenza. Da: [4]
Nuove strategie di packaging e LED ad alta intensità: evoluzione delle tecnologie Chip on Board.

 

L’innovazione interessa anche le tecnologie chip on board (COB), grazie al miglioramento della stabilità ottica, meccanica e termica dei LED a montaggio flip-chip. Tridonic ha recentemente presentato la sua sperimentazione relativa a LED flip-chip montati direttamente su circuito stampato, e successivamente ricoperti da uno strato di fosfori [6].

Si voleva realizzare un’elevata densità di illuminazione, con una matrice di LED con un’intercapedine di ampiezza minore di 200 µm; in questo caso il problema principale consisteva nel migliorare la conducibilità termica dei vari strati e nel rendere più uniforme la distribuzione di temperatura sul chip. Una delle criticità è data dallo strato di conversione del colore: con lo spessore tipicamente usato (circa 700 µm) l’aumento di temperatura indotto può raggiungere i 70°C!

Sono state quindi sperimentate tre alternative:

(a) migliorare la conducibilità termica del materiale nel quale sono dispersi i fosfori (“binder”) utilizzando SiO2 assieme a composti organici;

(b) caricare il binder con particelle sferiche di silica (SiO2), aumentandone la tipica conducibilità termica da 0.2 W/(m K) a 0.48 W/ (m K);

(c) aumentare la concentrazione delle particelle di fosforo nel binder, in modo
da poter utilizzare strati più sottili, e quindi più termicamente conduttivi. In questo modo di può ridurre lo spessore dello strato di conversione del colore a 150 µm.

Se si vuole realizzare un LED ad alta luminanza, si deve affrontare il problema dell’ efficiency droop, ovvero della diminuzione non-lineare dell’efficienza ad elevate densità di potenza. Questo riguarda sia la sorgente LED [7], sia i fosfori [8],[9]. In generale la diminuzione di efficienza di conversione dei fosfori contribuisce per circa il 25% della diminuzione di efficienza totale in un LED “warm white” [3] [9] [8].

La figura 5 mostra l’andamento dell’efficienza quantica di conversione per fosfori comunemente usati nei LED per illuminazione: aluminum garnet drogato Cerio e fosfori rossi basati su nitruri drogati Europio (Ba,Sr)2Si5N8:Eu. Come si vede, l’efficienza del materiale drogato Eu dipende fortemente dagli effetti fototermici.

Figura 5 – Efficienza di conversione in un LED “warm white”: esempi di droop foto-termico (photo-thermal quenching) in fosfori comunemente usati. Da: [9], [8]
Per evitare questi, si può diminuire la concentrazione di Eu, aumentare lo spessore dello strato di fosforo, utilizzando fosfori ceramici che, grazie alla loro omogeneità, non introducono dispersione della luce e non riducono l’efficienza del LED. Un’alternativa consiste nell’aumentare il volume dello strato di conversione attraversato dalla luce, come nei sistemi a fosfori remoti, ma questo automaticamente riduce la luminanza, ed è quindi più adatto ad applicazioni medium-power.

 

Verso il futuro (prossimo?). Fosfori e LED ad effetti quantistici, riduzione del problema dell’efficiency droop, laser lighting

Sfruttando le proprietà quantistiche delle nanoparticelle o punti quantici (“Quantum Dots”) si possono cambiare le proprietà ottiche ed elettroniche dei materiali semplicemente cambiando le dimensioni delle nanoparticelle stesse [10]. In questo modo si possono ottenere fosfori che emettono luce nell’intero spettro visibile, e che possono convertire la luce blu dei LED in luce di lunghezza d’onda arbitraria, con efficienza e purezza spettrale elevatissime. I fosfori a quantum dots (QD) sono già utilizzati nei televisori e display di alta qualità, nei quali sono inseriti all’interno di film polimerici con strati barriera contro la penetrazione di ossigeno, tipicamente illuminati da LED blu ad una distanza di circa 1 mm.

Fino ad oggi le applicazioni dei fosfori QD all’interno dei LED per illuminazione sono state limitate dai problemi legati alla diminuzione temporanea o permanente dell’efficienza di conversione di questi materiali, accelerata dall’elevata temperatura o intensità luminosa. Recentemente però, utilizzando nanoparticelle di materiali semiconduttori composti del gruppo II e del gruppo VI in combinazione con un LED LUXEON 3535HE Plus è stata ottenuta un’efficienza di 160 lm/W a 225 mA con una temperatura colore di 3000 K e un CRI pari a 89, ad un flusso luminoso di 497 lm [10].

L’affidabilità di questi dispositivi sembra promettere tempi di vita superiori alle 6000 ore, senza alterazioni significative della qualità della luce emessa; un’incognita è rappresentata dalla presenza di cadmio (Cd) in questi fosfori, che, seppure in quantità limitatissime, potrebbe rappresentare un problema dal punto di vista ambientale e normativo.

Anche OSRAM OS sta studiando nuovi LED basati su nanotecnologie ed effetti quantistici, in collaborazione con le Università di Chemnitz e di Friburgo in Germania [11]. I dispositivi oggetto della ricerca sono LED costituiti da “aste” di dimensione nanometrica (“nanorod”), costituiti da un nucleo (“core”) in GaN, circondato da un guscio (“shell”) in InGaN/GaN (figura 6).

Figura 6 (a) sezione schematica di un LED a “nanorod core-shell”; (b) immagine al microscopio elettronico dei LED. Da: [11]
L’obiettivo di questa tecnologia è quello di aumentare l’area attiva del dispositivo, riducendo di conseguenza la densità di corrente ed evitando il fenomeno dell’ efficiency droop” che causa una significativa diminuzione dell’efficienza dei LED ad elevata corrente.

 

Un’altra possibilità per ottenere sistemi compatti ad alta luminosità ed efficienza è costituita dai sistemi laser lighting. I laser a semiconduttore, infatti, emettono luce grazie ad un meccanismo di emissione “stimolata” e non, come nei LED attraverso emissione “spontanea”; di conseguenza la loro efficienza diminuisce solo lievemente ad elevate densità di corrente a causa dell’effetto della temperatura e della resistenza serie, e non sono presenti fenomeni di efficiency droop come nei LED.

Questo fattore, insieme alla possibilità di utilizzare ottiche di dimensioni estremamente ridotte, a causa della ridotta area di emissione, rende i sistemi di illuminazione laser estremamente interessanti, in particolare per le applicazioni per le quali è necessario un fascio estremamente collimato come nei sistemi di proiezione e nelle applicazioni automotive. Sono già disponibili sul mercato automobili dotate di proiettori frontali basati sull’illuminazione laser [12].

Recentemente l’Università di Padova ha concluso uno studio relativo alla stabilità e affidabilità dei materiali utilizzati come “fosfori” nei sistemi di laser lighting, che possono essere soggetti a degradazione permanente, termica e/o fotoindotta, a causa dell’elevata densità di potenza del fascio laser.

È stato studiato in particolare il comportamento di fosfori basati su yttrium-aluminum-garnet (YAG) drogato cerio: YAG:Ce3+, accoppiati ad un laser blu in GaN, con emissione a 450 nm. Per le prove sono state utilizzate tre configurazioni: eccitazione dei fosfori in trasmissione; eccitazione dei fosfori in riflessione; fosfori applicati su un riflettore parabolico; sono stati confrontati due tipi di solventi, etanolo e alcool benzilico.

È stato verificato che la massima irradianza tollerabile è di 4.8 W/mm2, e che sopra i 200°C la riduzione dell’efficienza di conversione (reversibile) non è più tollerabile. Nel caso del set-up di tipo trasmissivo, è possibile ottenere un fascio estremamente collimato (2°), con una lente di soli 25 mm circa (un LED richiederebbe una lente di 185 mm [13]).

In conclusione, mentre la crescita dell’efficienza continuerà fino a raggiungere valori prossimi a 250 lm/W, si stanno esplorando diverse opzioni per ottenere sorgenti estremamente compatte ad elevata luminanza. La disponibilità di queste sorgenti, che possono essere assemblate in matrici a grandissima densità porterà nuovi gradi di libertà ai lighting designer, permettendo soluzioni finora non realizzabili, e mantenendo ottime caratteristiche ottiche a costi contenuti.

( a cura di Enrico Zanoni1, 2, Nicola Trivellin1, 2, Matteo Meneghini1, 2, Gaudenzio Meneghesso1, 2, Diego Barbisan2, Carlo De Santi1, Marco Ferretti1, 2, Matteo Buffolo1)

1Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione, Università degli Studi di Padova, Via Gradenigo 6/A, 35131 Padova – email: enrico.zanoni@unipd.it

2LightCube, Viale della Navigazione Interna 51, 35100 Padova – email: nicola.trivellin@light-cube.com

Bibliografia

[1] “U.S. Department of Energy, Office of Energy Efficiency and Renewable Energy Solid-State Lighting R&D Plan 2016,” 2016.

[2] N. Trivellin et al., “Laser-Based Lighting: Experimental Analysis and Perspectives,” Materials (Basel)., vol. 10, no. 10, p. 1166, Oct. 2017.

[3] J. Bhardwaj et al., “Progress in high-luminance LED technology for solidstate lighting,” Phys. status solidi, vol. 214, no. 8, p. 1600826, Aug. 2017.

[4] P. Mukish, E. Virey, and P. Boulay, “CSP LED Lighting Modules 2017, Technology, Manufacturing and applications trends (Yole Developpement report sample),” 2017.

[5] R. Bertram, “‘LED product trends in general lighting – is CSP the only solution?’, LED Taiwan 2016,” 2016. 

[6] F. Schrank, “Design, substrates and processes for the production of high performance flip chip LED module,” in Proc. LED Professional Symposium LpS 2017, Luger Resarch publisher, Dornbirn, Austria, 2017, pp. 60–68.

[7] G. Verzellesi et al., “Efficiency droop in InGaN/GaN blue light-emitting diodes: Physical mechanisms and remedies,” J. Appl. Phys., vol. 114, no. 7, 2013.

[8] O. B. Shchekin et al., “Excitation dependent quenching of luminescence in LED phosphors,” Phys. status solidi – Rapid Res. Lett., vol. 10, no. 4, pp. 310–314, Apr. 2016.

[9] O. Shchekin, “LED droop: the role of phosphors,” Compd. Semicond. Mag., vol. 22, no. 6, pp. 26–29, 2016.

[10] K. T. Shimizu et al., “Toward commercial realization of quantum dot based white light-emitting diodes for general illumination,” Photonics Res., vol. 5, no. 2, p. A1, Apr. 2017.

[11] C. Mounir et al., “Polarization-resolved micro-photoluminescence investigation of InGaN / GaN core-shell microrods,” J. Appl. Phys., vol. 121, no. 25701, pp. 1–3, 2017.

[12] “Laser light for headlights – latest trend in car lighting.

[13] SEANNA, “LEDIL. SEANNA Lens Handout. (accessed on 7 October 2017),” 2017.

 

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