Soluzioni innovative per il miglioramento delle caratteristiche prestazionali

 

LED

In questo articolo vengono brevemente descritti i principali ostacoli alla  diffusione dei LED nel mercato dell’illuminazione generale ed alcune innovazioni tecnologiche riguardanti materiali e dispositivi che dovrebbero consentire di migliorare l’efficienza e ridurre i costi dei LED utilizzati per l’illuminazione a stato solido

La roadmap per i LED secondo il DOE Department of Energy americano

Le sorgenti di luce bianca basate su LED hanno raggiunto efficienze (o efficacy) superiori  a 150 lumen/Watt (lm/W), per LED di tipo “cool white” (con temperatura colore correlata, o CCT, compresa tra 4700  e 7000 K circa) e a 110 lm/W per LED “warm white” (con CCT tra 2600 e 3700 K).

Il funzionamento di queste sorgenti luminose è basato sull’utilizzo di LED blu a buca quantica InGaN/GaN, la cui radiazione viene convertita in luce bianca mediante fosfori. Il miglioramento delle caratteristiche dei LED e la riduzione del costo per lumen seguono quindi la roadmap definita dal Department of Energy (DOE) del governo degli Stati Uniti, mostrata nella figura 1.

Figura 1 – Evoluzione temporale dell’efficienza dei LED “cool white” e “warm white” (tratto da: Strategies Unlimited 2011)

Il funzionamento di queste sorgenti luminose è basato sull’utilizzo di LED blu a buca quantica InGaN/ GaN, la cui radiazione viene convertita in luce bianca mediante fosfori.

Il miglioramento delle caratteristiche dei LED e la riduzione del costo per lumen seguono quindi la roadmap definita dal Department of Energy (DOE) del governo degli Stati Uniti, mostrata nella figura 2.

Figura 2 – Evoluzione temporale secondo la roadmap del DOE (Department of Energy degli Stati Uniti)

La tecnologia LED promette cambiamenti radicali nel concetto di illuminazione, con rilevanti risparmi energetici, riduzione dell’impatto ambientale, sviluppo di applicazioni “oltre l’illuminazione” (pensiamo ad esempio alle applicazioni biologiche e alla coltivazione di prodotti ortofrutticoli in serra o ambiente protetto) sempre più rilevanti.

L’illuminazione a LED è quindi certamente destinata ad avere un ruolo decisivo per i futuri sistemi di illuminazione. Tuttavia, fino al 2011, la diffusione dei LED nel mercato dell’illuminazione generale era limitata al 9%, e concentrata principalmente nel settori decorativo e architetturale.

La diffusione dei LED nel mercato dell’illuminazione generale è ancora bloccata da una serie di fattori:

(1) anche se in costante diminuzione (vedi figura 3), il prezzo iniziale appare ancora troppo elevato rispetto alle sorgenti convenzionali;

Figura 3 – Evoluzione temporale del costo in dollari USA per 1000 lumen e dell’efficacy, prendendo come riferimento LED da 1 W di consumo

(2) la necessità di controllare la temperatura operativa dei LED richiede dissipatori del calore che possono pregiudicare il fattore di forma e l’estetica delle lampade;

(3) l’assenza di metodi di prova e di standard consolidati e condivisi rendono difficile la valutazione delle prestazioni e della affidabilità dei LED.

Questo articolo presenta in sintesi alcune delle soluzioni tecnologiche che l’industria dei semiconduttori e i laboratori di ricerca stanno esplorando per poter assicurare il continuo miglioramento delle prestazioni dei LED previsto dalla roadmap; ad alcuni dei temi presentati saranno dedicati articoli più specifici nei prossimi numeri di Luce e Design.

Il problema dell’efficienza

I valori di picco dell’efficacy dei LED sono superiori sia alle lampade ad incandescenza che alle lampade fluorescenti compatte; purtroppo l’efficienza dei LED diminuisce sia al crescere della temperatura (figura 4), sia della densità di corrente (figura 5).

Figura 4 – Dipendenza dalla temperatura del flusso luminoso di LED blu, verdi, rossi e bianchi (fonte: LightCube)
Figura 5 – Dipendenza dell’efficienza dei LED dalla corrente, che mette in evidenza il fenomeno dell’efficiency droop (fonte: LightCube)

Per ridurre i consumi energetici ed i costi è necessario migliorare il valore massimo dell’efficacy e ridurre la sua diminuzione ad alte densità di corrente, o efficiency droop.

I valori di efficacy che vengono normalmente dichiarati si riferiscono a densità di corrente di 35 mA/cm2; a 100 mA/ cm2  la riduzione di efficienza può essere molto severa (anche il 70%).

I meccanismi fisici che portano ad una riduzione dell’efficienza dei LED ad alte correnti non sono ancora completamente noti: se si riuscisse a limitare il fenomeno dell’efficiency droop si potrebbe ottenere il flusso luminoso desiderato semplicemente aumentando la corrente, riducendo così il numero di die LED necessari per raggiungere i lumen richiesti.

Anche le altre parti che compongono un sistema di illuminazione contribuiscono alla riduzione di efficienza: nella figura 6 viene preso in considerazione un luminaire comprendente il sistema di alimentazione e controllo elettronico, i fosfori, il package e le interconnessioni elettriche, le ottiche e il dissipatore termico, evidenziando i vari contributi.

Figura 6 – Efficienza complessiva di un sistema di illuminazione (cortesia: LightCube)

Il problema del substrato

Il semiconduttore utilizzato per la realizzazione dei LED (nitruro di gallio) è un materiale cristallino, che deve essere cresciuto a partire da un opportuno substrato.

Per ottimizzare le prestazioni dei dispositivi si dovrebbe utilizzare come substrato un monocristallo di nitruro di gallio (GaN), ma i wafer che si possono realizzare con questo materiale hanno diametro ancora estremamente ridotto e costo elevato; si utilizzano quindi substrati in zaffiro o carburo di silicio (SiC) di costo un po’ più ridotto e dimensioni dei wafer accettabili.

La figura 7 riporta le caratteristiche spettrali e il tipo di substrato utilizzato come base per la crescita epitassiale degli strati monocristallini che rappresentano lo strato attivo.

Figura 7 – LED emettitori di luce visibile con indicazione della composizione dello strato attivo e dell’intervallo spettrale corrispondente e del materiale del substrato (fonte: Yole Development, LED Professional Symposium 2012)

Una possibile linea strategica nella produzione di LED a più basso costo è quindi rappresentata dalla crescita epitassiale degli strati cristallini di GaN e InGaN su substrati in silicio anzichè sui più costosi carburo di silicio o zaffiro.

Rispetto a questi ultimi, i substrati di silicio sono disponibili sotto forma di wafer di maggiore diametro, permettendo di realizzare contemporaneamente un maggior numero di LED a parità di costo del processo produttivo.

Vi sono tuttavia dei problemi tecnologici significativi da superare: nitruro di gallio e silicio hanno struttura cristallografica e distanza tra gli atomi (parametri reticolari) diversi: far crescere GaN su Si introduce degli stress meccanici che possono causare la creazione di difetti cristallografici (atomi che non si trovano nella posizione che dovrebbero occupare in un cristallo con struttura e simmetria perfette).

Un aumento della densità di difetti nel materiale implica una diminuzione della efficienza radiativa e della affidabilità dei LED.

È inoltre necessario realizzare degli accorgimenti (come specchi o strutture riflettenti) per evitare che la luce generata dal LED raggiunga il substrato, dove verrebbe assorbita dal silicio, portando ad ulteriori perdite di efficienza. Le tecnologie attuali permettono di controllare questi meccanismi: LED “GaN su Si” di diversi fornitori sono già apparsi sul mercato.

Come si vede in figura 8, il costo medio dei substrati attualmente usati (SiC e zaffiro) corrisponde al 15% del costo totale di un LED, la crescita epitassiale (anche a causa dell’elevatissimo costo dei reattori necessari per realizzare questa fase di processo) per il 12%.

Figura 8 – Contributi al costo di un LED nelle varie fasi di processo

La figura 8 mette anche in evidenza come montaggio e packaging rappresentino una frazione significativa del costo complessivo dei LED. Tra le soluzioni che sono state adottate in questo ambito dai costruttori di LED per aumentare le prestazioni e ridurre il costo vi sono: la riduzione delle dimensioni e della complessità del package (come per Luxeon C), l’aumento delle dimensioni del die (come per Cree XP-G, Cree XM-L), l’uso di strutture a die multiplo (come in Cree MX-6 e in diversi modelli Bridgelux e Sharp).

Nuove tecnologie (Direct Attach) permettono di collegare elettricamente il LED al substrato senza ricorrere alla microsaldatura di fili tra il LED e il substrato o il package (bonding wires), riducendo i costi legati all’assemblaggio dei dispositivi.

Una insufficiente uniformità di processo (in particolare per quanto riguarda la deposizione dei fosfori) e una bassa resa possono anch’esse contribuire ad aumentare i costi, dato che implicano, ad esempio, procedure di binning, ovvero di selezione e suddivisione dei LED in gruppi con caratteristiche di temperatura di colore simili.

L’uso di fosfori non direttamente depositati sul chip o all’interno del package del LED, ovvero fosfori remoti, dovrebbe consentire di alleviare questo problema, ottenendo una migliore diffusione della luce, uniformità del colore e riducendo anche il riscaldamento dei fosfori stessi, e quindi evitando possibili fenomeni di degradazione accelerati dalla temperatura.

Cost of ownership e tempo di vita

Se poi si sposta l’attenzione dal costo iniziale del LED al cost of ownership, che tiene conto, a parità di servizio reso, del risparmio nel costo dell’energia sull’intera vita della sorgente luminosa, diventa di notevole rilevanza una precisa valutazione del tempo di vita dei LED, il che richiede lo sviluppo di metodi di caratterizzazione che rispondano a standard condivisi per la misura delle caratteristiche ottiche e fotometriche dei LED, per la loro caratterizzazione, e soprattutto, per la definizione della affidabilità e dei relativi metodi di valutazione, che vanno estesi dal componente LED al sistema di illuminazione.

Se da un lato è vero che le tecnologie LED mature possono raggiungere i valori di vita attesa tipici dei componenti microelettronici, dell’ordine di 100.000 ore, è anche vero che questi valori sono fortemente dipendenti dalle condizioni di utilizzo: la progettazione inadeguata di un sistema di illuminazione può facilmente compromettere l’affidabilità dei dispositivi.

Va inoltre ricordato che l’affidabilità complessiva del sistema di illuminazione dipende anche dai tempi di vita dell’elettronica di alimentazione e controllo, e dai possibili fenomeni di degradazione dei fosfori, del package, delle interconnessioni e delle ottiche (figura 9).

Figura 9 – Possibili meccanismi di guasto di un LED (fonte: Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione – Università di Padova, LightCube)

L’intervento di laboratori di ricerca in questo caso permette l’accumulazione di dati ed esperienze, in un ambito necessariamente più ampio di quanto possibile con singole esperienze di progettazione o prova.

A questo scopo presso il Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione dell’Università di Padova è stato costituito un gruppo di ricerca, dotato di laboratori per la caratterizzazione e la prova di LED e luminaire, dal punto di vista elettrico, ottico, fotometrico, termico, e affidabilistico: dal 2000 ad oggi sono state effettuate prove per quasi un milione di componenti-ora.

Le conoscenze sul componente-LED sono state trasferite ad uno spin-off, LightCube, che le utilizza per progettare e sviluppare soluzioni di illuminazione innovative, anche in collaborazione con i maggiori costruttori e utilizzatori di LED sul mercato mondiale. Le sorgenti luminose “a stato solido” basate su LED InGaN/GaN rappresentano una delle forme di illuminazione a maggiore efficienza e versatilità oggi disponibili.

Nonostante coprano solo qualche punto percentuale del mercato globale, i sistemi LED hanno già originato risparmi energetici dell’ordine del TWh, ovvero 1012 Watt-ora (2.6 TWh nel 2010 nei soli Stati Uniti).

Se l’efficienza, la vita media e il costo dei LED si manterranno sulla roadmap prevista, la conseguente riduzione del consumo di elettricità dovrebbe originare nei soli Stati Uniti un risparmio energetico di 300 TWh, ovvero una diminuzione di costo di 30 miliardi di dollari, con una riduzione nelle emissioni di 210 milioni di tonnellate di gas serra nel solo anno 2030.

(Enrico Zanoni, Gaudenzio Meneghesso, Matteo Meneghini, Nicola Trivellin, Matteo Dal Lago, Diego Barbisan)

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