LED Lighting. Le nuove piattaforme tecnologiche per l’illuminazione ad alta efficienza

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L’industria dei LED attraversa un momento critico, a valle della drastica riduzione dei costi dei LED in package avvenuta negli ultimi due anni (-30%, superiore alle previsioni), e dell’abbondanza dell’offerta, legata all’espansione della capacità produttiva soprattutto da parte dell’industria cinese-asiatica.

Mentre il mercato dell’illuminazione continua ad espandersi, con un trend largamente positivo nei prossimi 3-4 anni, i ricavi risultanti dalla vendita dei LED per retroilluminazione di televisori, e display, così come dei LED per utilizzo nei telefoni cellulari sono in diminuzione, portando complessivamente ad un rallentamento nella crescita annuale.

Secondo LEDinside questo comporterà che il mercato dei LED ad alta luminosità sarà caratterizzato da un fattore di crescita inferiore al 10% nei prossimi cinque anni, misurato dal compound annual growth rate o CAGR.

Nel settore dell’illuminazione LED le previsioni sono invece più ottimistiche, con una crescita media prevista di circa il 15% fino al 2019. La competizione tuttavia aumenta, e lo scenario futuro prevede il consolidamento della capacità produttiva delle industrie maggiori, attraverso una politica di acquisizioni e fusioni, che comporterà l’abbandono del settore da parte di qualche società, come sta già avvenendo.

Paradossalmente, la diffusione dell’illuminazione a stato solido basata sull’uso dei LED è solo all’inizio. Nel 2014 solo il 5% delle lampade vendute utilizzava LED (ma dava luogo ad una percentuale dei ricavi totali nell’ambito dell’illuminazione compresa tra il 26% e il 41%  secondo i vari analisti [1]). Entro il 2020 le lampade LED dovrebbero invece costituire il 30% delle lampade vendute, corrispondente all’80% circa del fatturato mondiale nell’ambito dell’illuminazione. Anche per quel che riguarda le luci attualmente già installate, la penetrazione dei LED sarà estremamente significativa, anche se non completa, come mostrato nella figura 1.

Figura 1 - Evoluzione del mercato globale, in termini di numero relativo di installazioni, suddiviso in base alla sorgente di illuminazione (Fonte: Philip Smallwood, Strategies in Light Conference, Las Vegas, NV, Febbraio 2015)
Figura 1 – Evoluzione del mercato globale, in termini di numero relativo di installazioni, suddiviso in base alla sorgente di illuminazione (Fonte: Philip Smallwood, Strategies in Light Conference, Las Vegas, NV, Febbraio 2015)

Oltre che ad ampliare la capacità produttive contenendo i costi, i produttori di LED hanno sviluppato strategie comuni, che consistono:

(i) nell’offrire un catalogo molto ampio di LED con caratteristiche specifiche, adattate alle diverse applicazioni;

(ii) nello sviluppo di tecnologie che riducano i costi relativi al packaging e all’assemblaggio, come la tecnologia Chip-Scale Packaging (CSP) che elimina virtualmente il package;

(iii) nell’utilizzare sistemi multichip nei quali gli spazi tra i LED vengono ridotti, aumentando la densità, scelta resa possibile  dalla maggiore efficienza, dal migliore comportamento termico e dalla più elevata affidabilità delle tecnologie più recenti.

Tutto questo è accompagnato da un costante miglioramento dell’efficacia dei LED, secondo la roadmap prevista dal Department of Energy degli Stati Uniti [1].

A seguire, analizzeremo questi aspetti singolarmente, con riferimento alle piattaforme LED attualmente disponibili.

L’evoluzione e l’efficienza dei LED

L’efficienza o efficacy [lm/W] dei LED – misurata dal rapporto tra il flusso luminoso emesso espresso in lumen e la potenza assorbita in watt – ha raggiunto valori di picco superiori a 200 lm/W per LED commerciali (nel 2014 Cree ha annunciato il valore record di 303 lm/W per un LED bianco con una temperatura di colore di 5150 K a 350 mA e temperatura ambiente).

Tuttavia, nelle condizioni operative richieste dai sistemi di illuminazione, queste prestazioni non sono raggiungibili a causa del fenomeno del droop, che riduce l’efficienza ad elevate densità di corrente e dell’autoriscaldamento del dispositivo. Ad alta temperatura sia l’efficienza del LED (thermal droop) che l’efficienza di conversione dei fosfori diminuiscono: una temperatura di colore (CCT, Correlated Color Temperature) più calda o un Color Rendering Index (CRI) più elevato implicano anch’essi una riduzione dell’efficacy. Ad una densità di corrente di 35 A/cm2 l’efficienza tipica della maggior parte dei prodotti commerciali è di 160 lm/W per cool white  e 130 lm/W per warm white (figura 2) [1].
Figura 2 - Efficacy dei LED : campioni commerciali misurati a 25°C e ad una densità di corrente pari a 35 A/cm2 (Fonte : Solid-State Lighting R&D Plan, U.S. Department of Energy, May 2015)
Figura 2 – Efficacy dei LED : campioni commerciali misurati a 25°C e ad una densità di corrente pari a 35 A/cm2 (Fonte : Solid-State Lighting R&D Plan, U.S. Department of Energy, May 2015)

Un aumento della temperatura di giunzione da 25°C a 85°C riduce l’efficienza del 10%-13%; un aumento del CRI da 80 a 90 a 3000 K porta una riduzione tra il 15% e il 25%.

E’ interessante notare come – nel caso dei LED blu (GaN) – l’ efficacy -efficienza non sia più limitata dall’efficienza di estrazione della luce (la percentuale di luce emessa all’esterno rispetto alla luce generata internamente al LED), che ha ormai raggiunto valori prossimi al 100% (figura 3) [2].

Figura 3 - Efficienza di estrazione della luce per LED InGaN e AlGaInP. Per il GaN si è vicini al limite teorico (Fonte : Mike Krames (Arkesso), IEEE CNSV Meeting, Palo Alto 7 Oct. 2015)
Figura 3 – Efficienza di estrazione della luce per LED InGaN e AlGaInP. Per il GaN si è vicini al limite teorico (Fonte : Mike Krames (Arkesso), IEEE CNSV Meeting, Palo Alto 7 Oct. 2015)

Questo non vale per i LED rossi (AlGaInP), ancora limitati dall’elevato indice di rifrazione e dalle perdite interne non trascurabili.

Lo stesso vale per l’efficienza quantica (figura 4), un’altra componente dell’efficacy  complessiva dei LED.

Figura 4 - Efficienza quantica esterna per LED blu, violetti e verdi (InGaN), ambra e rossi (AlGaInP). I LED blu e violetti stanno raggiungendo il limite teorico; per i rimanenti tale limite è ancora lontano (Fonte: Mike Krames (Arkesso), IEEE CNSV Meeting, 7 Ottobre 2015, Palo Alto)
Figura 4 – Efficienza quantica esterna per LED blu, violetti e verdi (InGaN), ambra e rossi (AlGaInP). I LED blu e violetti stanno raggiungendo il limite teorico; per i rimanenti tale limite è ancora lontano (Fonte: Mike Krames (Arkesso), IEEE CNSV Meeting, 7 Ottobre 2015, Palo Alto)

I sistemi multi-LED (Red-Green-Blu, RGB o Red-Green-Blu-Ambra, RGBA e “ibridi” Blu+fosfori+rosso o Blu+fosfori+ambra) permetterebbero, in linea teorica, valori di efficacy più elevati dei LED blu con conversione basata su fosfori. Tuttavia, la bassa efficienza dei LED verdi, le cattive prestazioni dei LED ambra e rossi su AlGaInP in termini di efficienza e stabilità in temperatura penalizzano ancora questo approccio.

I LED bianchi, basati su LED blu + fosfori, rimangono quindi i dispositivi di riferimento; l’efficacy dei LED disponibili sul mercato dovrebbe raggiungere 250 lm/W a 35 A/cm2 entro il 2020. Nel caso si utilizzino densità di corrente più elevate per aumentare l’intensità luminosa, l’efficacy  diminuisce a causa del fenomeno dell’efficiency droop già citato, che rappresenta, assieme althermal droop, il principale ostacolo alla realizzazione di LED ad alta intensità ed efficienza, e, di conseguenza, bassa dissipazione termica. L’origine fisica di questi effetti è quindi oggetto di un’intensa attività di ricerca (figura 5) [3].

Figura 5 - Efficienza quantica esterna di un LED Multi Quantum Well (MQW) ad una temperatura del contenitore compresa tra 25°C e 150°C, in funzione della corrente diretta (Fonte: http://www.digikey.com/en/articles/techzone/2011/oct/identifying-the-causes-of-led-efficiency-droop )
Figura 5 – Efficienza quantica esterna di un LED Multi Quantum Well (MQW) ad una temperatura del contenitore compresa tra 25°C e 150°C, in funzione della corrente diretta (Fonte: http://www.digikey.com/en/articles/techzone/2011/oct/identifying-the-causes-of-led-efficiency-droop )

Una scelta infinita di LED, con e senza package

Per rispondere alle esigenze particolari dei vari tipi di mercato (si pensi solo alle diverse caratteristiche delle sorgenti di luce necessarie nell’ambito dell’illuminazione domestica, per uffici, negozi e boutique, per la grande distribuzione, per gli esterni…) i costruttori di LED hanno reso disponibili centinaia di LED con proprietà diverse, organizzati in “piattaforme” con caratteristiche costruttive e package comuni e potenza in generale scalabile all’interno dell’ambito di applicazione.

Fino a qualche anno fa esistevano principalmente tre principali piattaforme LED (come visibile nella figura 6):

Figura 6 - A sinistra, in alto: LED di alta Potenza su substrato ceramico con lente stampata sulla superficie; in basso, LED di media Potenza in package adatti per tecnologia SMD (Surface Mount Device); a destra, in alto: LED package basato su una matrice di LED die assemblata in un contenitore ceramico con la tecnica chip-on-board (COB); in basso, come appaiono i LED Chip Scale Package (CSP) a singolo die (Parte dell’illustrazione è tratta da: C. Keusch, “Current trends of SMD LEDs for general lighting, LED Professional Symposium 2015, 132)
Figura 6 – A sinistra, in alto: LED di alta Potenza su substrato ceramico con lente stampata sulla superficie; in basso, LED di media Potenza in package adatti per tecnologia SMD (Surface Mount Device); a destra, in alto: LED package basato su una matrice di LED die assemblata in un contenitore ceramico con la tecnica chip-on-board (COB); in basso, come appaiono i LED Chip Scale Package (CSP) a singolo die (Parte dell’illustrazione è tratta da: C. Keusch, “Current trends of SMD LEDs for general lighting, LED Professional Symposium 2015, 132)

1)Dispositivi in package ceramico per alta potenza (1-5 W), con lente modellata per stampa, per applicazioni che richiedono sorgenti fortemente direzionali e ad alta affidabilità. Tipicamente dispositivi ad alta efficacy e ad alto flusso luminoso.

L’elevata affidabilità viene garantita grazie ad un buon management termico; anche il progetto ottico è ottimizzato. Uno o più die  di larga area (1 mm2) vengono montati su di un substrato ceramico; il fosforo viene depositato sul chip e una lente emisferica viene formata direttamente sul package.

Spesso i vari die sono collegati in serie in modo da ottenere una tensione di funzionamento più elevato, che migliora l’efficienza del circuito di pilotaggio elettrico. Benchè il mercato dei LED ad alta potenza sia stato parzialmente eroso dai LED a media potenza (si veda sotto), i LED di alta potenza continuano a dominare per le applicazioni che richiedono direzionalità, elevata affidabilità e qualità del colore.

2)Dispositivi di media potenza (tipicamente 0.1 – 0.5 W e oltre fino a 1 W), con dimensioni del package ridotte, package polimerici, leadframe metallico, per sistemi di emissioni omnidirezionali, plafoniere, lampade per retrofit. Si tratta di dispositivi a basso costo, con package stampati in materiale plastico polimerico.

I die, di dimensione e numero ridotto, sono montati su un telaio metallico (leadframe) coperto con argento, che viene inglobato nel contenitore plastico in modo da formare una cavità nella quale si trovano i LED. La cavità viene riempita da silicone entro il quale sono contenuti i fosfori, con la funzione duplice di down-converter e di incapsulante.

Per il loro basso costo, questi package sono diventati molto diffusi anche nell’ambito dell’illuminazione. I LED di media potenza appartengono a due tipologie:

(i) a elevato rapporto lm/W, caratterizzata da un die di grandi dimensioni per aumentare l’efficienza ad elevate correnti;

(ii) a elevato rapporto lm/$, per la quale si utilizzano package di maggiore qualità che permettono correnti e flussi luminosi più elevati.

3)Matrici di LED die montati con la tecnica Chip-on-board (COB) su un circuito stampato multistrato o, più frequentemente, su un substrato ceramico. Si tratta di LED destinati a prodotti che richiedono alta intensità (anche 15000 lumen) e piccole dimensioni, ad esempio sistemi di illuminazione industriale. Grazie alla buona dissipazione termica, i sistemi COB possono avere la stessa stabilità e affidabilità dei LED high-power,  permettendo però un montaggio più semplice ed economico. In questi dispositivi c’è una finestra ottica unica per l’intero array, completamente riempita dai fosfori che ricoprono l’intera matrice di LED.

4)Matrici di LED (Chip Arrays) in contenitore SMD SMT (Surface Mount DesignTechnology). Questa tecnica, alternativa alla tecnologia chip-on-board, è basata su una nuova classe di LED in contenitore SMD (Surface Mound Device) per montaggio superficiale, da 300 a 1500 lm. Questi LED vengono direttamente montati su di un circuito stampato con tecniche pick-and-place, offrendo una grande versatilità a chi progetta la sorgente luminosa, e permettendo di montare altri componenti elettronici e sensori sulla stessa piastra che ospita i LED.

I LED, in genere cresciuti su di un substrato di zaffiro, sono montati su un frame ad alta riflettività o su un substrato ceramico. Dal punto di vista dell’utilizzo in lampade per retrofit o in sistemi di illuminazione, siano essi lampadari, luci lineari o a spot, i Chip Arrays SMTD (CAS) aprono la possibilità di rendere completamente automatico il processo di assemblaggio, e rendono più facile inserire i LED senza compromettere l’aspetto della lampada.

Per contro, gli aspetti legati alla dissipazione termica vanno considerati con maggiore attenzione: anche se la resistenza termica del package dal chip alla superficie di saldatura è bassa, grazie al leadframe metallico (rame), a differenza della tecnica COB con questa tecnica i chip non sono direttamente a contatto con il metal core del circuito stampato, ma separati da un dielettrico, il che comporta caratteristiche termiche leggermente peggiori rispetto ai COB.

5)Chip-scale packaging (CSP). Più recentemente è apparsa sul mercato una nuova piattaforma, identificata come Chip Scale Package (CSP) o package-free LED o white-LED. Si tratta di una concezione del package ereditata da tecniche di assemblaggio sviluppate per circuiti integrati in silicio, e consiste nella realizzazione di un dispositivo che può essere direttamente montato sulla superficie della board in configurazione flip-chip (con la superficie del die e i contatti verso la board, i contatti elettrici direttamente realizzati tra il die e la board senza bisogno di fili di interconnessione).

La luce viene emessa attraverso il substrato, sul quale è deposto il fosforo con una tecnica conformale, grazie alla quale il film di fosforo ricopre esattamente l’intero chip mantenendone la forma. Il CSP è qundi basato su singoli die coperti da fosforo, la cui dimensione è molto ridotta e si presta ad una successiva integrazione in un package di ordine superiore.

La gestione termica può essere molto buona (resistenze termiche di 2 K/W), così come l’affidabilità; l’emissione avviene da cinque facce, da cui il nome white-LED. La versatilità è massima, e il costo risulta notevolmente ridotto dall’avere eliminato substrato ceramico, leadframe, wire bonding ecc.

I LED possono essere montati con un’elevata densità, permettendo la realizzazione di sistemi con valori scalabili di flusso luminoso, anche molto elevati, con dimensioni minori dei sistemi COB. Il controllo della direzionalità dell’emissione richiede  un progetto ottico dettagliato, reso meno facile dall’assenza della lente sul chip; altri limiti sono legati alla molto minore robustezza meccanica dei die già coperti da fosforo e all’assenza di un diodo di protezione dalle scariche elettrostatiche (ESD).

LG, Lumileds, Samsung, Seoul Semiconductors sono stati tra iI primi ad introdurre questa piattaforma. Ad esempio un singolo chip LumiLeds Luxeon White 10 con una CCT nominale di 3000 K e una CRI minimo di 80 fornisce 100 lm a 114 mA con un’efficacy  di 118 lm/W. Con questi LED è stata dimostrata una lampada per illuminazione stradale con 12 LED con 2400 lm  e 90 lm/W.

Figura 7 - Confronto tra un LED convenzionale su substrato ceramico per alta potenza ed un LED CSP (Fonte : Ingolf Sischka, “Leveraging chip scale package technology to deliver a robust and future-proof platform”, Led Professional Symposium 2015)
Confronto tra un LED convenzionale su substrato ceramico per alta potenza ed un LED CSP (Fonte Ingolf Sischka, “Leveraging chip scale package technology to deliver a robust and future-proof platform”, Led Professional Symposium 2015)

Altri nuovi approcci tecnici

OSRAM OS propone invece due diversi approcci per migliorare la versatilità e l’economicità di sistemi multiLED. Il primo approccio è basato su tecnologia Chip Array SMD, come alternativa a LED COB: viene proposta una matrice di LED DURIS S8/S10 con CCT di 4000K CRI>80,  145 lm/W e un flusso di 660 lm circa a 150 mA, 25°C. Con 5 LED si ottengono circa 2200 lumen, con un’efficacy  del sistema pari a 133 lm/W, prestazioni del tutto confrontabili all’analogo sistema basato su COB.

Per tutte le applicazioni downlighting con un flusso luminoso principalmente verticale questi LED cluster consentono una sensibile riduzione dei costi, oltre il 40% rispetto a COB. Oltre alla grande versatilità di progetto, questi cluster di LED molto vicini tra di loro riducono notevolmente gli artefatti, al costo di qualche complicazione nel design delle ottiche.

La seconda proposta si riferisce alla piattaforma CSP di OSRAM OS, motivata da un’ulteriore riduzione dei costi. I LED su zaffiro DURIS S2 sono caratterizzati da un’efficacy di 160 lm/W a 4000K con CRI>80, 65 mA. Come in tutti i LED CSP, i fosfori nella matrice siliconica ricoprono interamente il chip, con un’emissione “di volume”.

L’angolo di emissione di questi LED è più ampio di quello di LED Medium Power convenzionali (fino a 150°C), il che permette una maggiore distanza tra i LED a parità di uniformità dell’emissione rispetto alle altre tecnologie di montaggio, senza artefatti. Le applicazioni tipiche consistono nella sostituzione di tubi fluorescenti e nell’illuminazione professionale.

Anche Cree sta proponendo soluzioni basate sull’uso di un numero minore di LED a più alte prestazioni e affidabilità, con densità crescenti, sulla base di simulazioni che mostrano come questa scelta possa portare a temperature di giunzione confrontabili o più basse di quelle dei sistemi a bassa densità. Nel caso di Cree, che utilizza un substrato in carburo di silicio, la piattaforma tecnologica più avanzata è la SC5 che offre un’efficienza quantica maggiore rispetto alle generazioni precedenti (grazie all’ottimizzazione degli strati epitassiali della zona attiva).

Questi LED presentano inoltre migliore efficienza di estrazione, minore resistenza termica, migliore efficienza e affidabilità a temperature più elevate. Sono presenti soluzioni Mid-Power, Chip-on-Board, multi chip SMD (famiglia MH)  e sono stati recentemente immessi sul mercato dispositivi di alta potenza. Tra questi ultimi, i LED Extreme High Power, XHP50 e XHP70, raggiungono potenza di 19 W e 30 W rispettivamente.

I LED XHP50 sono caratterizzati da un flusso luminoso massimo di oltre 2500 lumen, e da un’efficacy massima tipica di 149 lm/W. Sono disponibili CCT da 2700 a 5000 K, con CRI minimo di 70, 80 e 90. Il flusso più elevato a parità di area, la temperatura operativa più elevata (150°C), la migliore affidabilità porterebbero, secondo Cree, ad un risparmio complessivo del 40% sul costo di sistema, dovuto ai minori costi legati al management termico, ottico e meccanico.

Conclusioni

Pur rimanendo significativo, il prezzo dei LED non rappresenta più il costo dominante per un apparato di illuminazione: si stima che rappresenti meno del 30% del costo di sistema. Il costo per lumen sta ulteriormente calando, e questo trend continuerà nei prossimi anni (figura 7).

Figura 8 - Relazione tra il prezzo dei LED sul mercato e l’efficacy a 1 W/mm, considerato equivalente a 35 A/cm2 e 25°C. Per i LED cool-white si è assunto CCT=5700 K e CRI = 70; per i LED warm-white CCT=3000 K e CRI = 80. I rettangoli rappresentano l’area delimitata dalla efficacy massima e dal prezzo più basso (Fonte : Solid-State Lighting R&D Plan, U.S. Department of Energy, May 2015)
Figura 7 – Relazione tra il prezzo dei LED sul mercato e l’efficacy a 1 W/mm, considerato equivalente a 35 A/cm2 e 25°C. Per i LED cool-white si è assunto CCT=5700 K e CRI = 70; per i LED warm-white CCT=3000 K e CRI = 80. I rettangoli rappresentano l’area delimitata dalla efficacy massima e dal prezzo più basso (Fonte : Solid-State Lighting R&D Plan, U.S. Department of Energy, May 2015)

Mentre la ricerca per migliorare le caratteristiche elettriche ed ottiche dei LED continua, i costruttori stanno sviluppando nuove piattaforme e nuovi metodi di assemblaggio, che permettono una riduzione di costi a livello di sistema.

In questo processo, l’affidabilità dei dispositivi ricopre un ruolo cruciale, non solo perché influisce direttamente sul costo reale di utilizzazione dei sistemi di illuminazione (cost of ownership), ma anche perché alcune delle soluzioni proposte sono possibili solo se la vita media dei LED si mantiene elevata anche ad alta temperatura; la ridotta familiarità con le nuove famiglie di componenti (ad esempio CSP) potrebbe ritardare la loro diffusione nel mercato.

In base all’applicazione da realizzare, sono possibili opzioni che privilegiano il basso costo o l’elevata affidabilità; è quindi sempre più importante saper caratterizzare e valutare dispositivi e sistemi per poter effettuare correttamente queste scelte.

(Enrico Zanoni, Nicola Trivellin, Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione – Università degli Studi – Padova; Matteo Meneghini, Gaudenzio Meneghesso, Diego Barbisan, Carlo De Santi, Marco Ferretti, Matteo Buffolo, LightCube – Padova)

Riferimenti bibliografici

[1] Solid-state lighting R&D plan, U.S. Department of Energy, DOE/EE-1228, May 2015, http://energy.gov/eere/ssl/downloads/solid-state-lighting-rd-plan

[2] Mike Krames, “How LEDs are changing the world”, IEEE CNSV Meeting, Palo Alto 7 Oct. 2015, https://californiaconsultants.org/wp-content/uploads/2015/09/CNSV-1510-Krames.pdf

[3] Giovanni Verzellesi, Davide Saguatti, Matteo Meneghini, Francesco Bertazzi, Michele Goano, Gaudenzio Meneghesso, and Enrico Zanoni, “Efficiency droop in InGaN/GaN blue light-emitting diodes: Physical mechanisms and remedies”, Journal of Applied Physics 114, 071101 (2013).

 

LASCIA UN COMMENTO

Please enter your comment!
Please enter your name here