Diody do oświetlenia ledowego są w coraz mniejszych obudowach

Rys. 1. Konstrukcja elementu w obudowie CSP

Przełomem na rynku układów scalonych było wprowadzenie na rynek w 1994 roku przez firmę Mitsubishi obudowy typu CSP (Chip-Scale Package). Ma ona wymiary niewiele większe od samej struktury (rys. 1) i w dużej części wykonana jest z metalu, przez co charakteryzuje się dobrymi własnościami termicznymi.

W takim rozwiązaniu połączenie półprzewodnika z mozaiką połączeń obwodu drukowanego realizowane jest przez pady lutownicze umieszczone w jej dolnej części (podstawie). Bezwyprowadzeniowa obudowa CSP szybko zyskała popularność w branży i dzisiaj ma wiele wariantów i odmian. Bezsprzecznie większość układów scalonych pojawiających się na rynku jest dzisiaj dostępna właśnie w wersji CSP, z uwagi na wysoki stopień miniaturyzacji, dobre własności cieplne, wysoką niezawodność i trwałość, niewielkie reaktancje pasożytnicze i oczywiście niską cenę.

Niestety przez wiele lat obudowy CSP nie były wykorzystywane do montażu diod LED dużej mocy, głównie z uwagi na konieczność odprowadzania z tych elementów dość dużych ilości ciepła. Ale najnowsze emitery LED są już znacznie bardziej tolerancyjne pod względem maksymalnych temperatur pracy i zapewniają dobrą trwałość nawet w podwyższonej temperaturze.

Zmieniło to sytuację na rynku i w ofertach firm takich jak Samsung, Lumileds i Toshiba pojawiły się wersje LED-ów w obudowach CSP. Nie oznacza to oczywiście, że wysoka temperatura nie ma wpływu na trwałość diod, ale raczej to, że jakość na tyle się poprawiła, że nawet w podwyższonej temperaturze jest ona wystarczająca. Przykładowa dioda ma przy 105°C trwałość rzędu 35 000-50 000 godzin świecenia, co dla wielu aplikacji, zwłaszcza elektroniki konsumenckiej, jest akceptowalne.

Rys. 2. Z roku na rok diody LED są dostępne w coraz mniejszych obudowach

W wielu aplikacjach potrzebne są małe, ale wydajne LED-y przeznaczone do montażu SMT, bo za pomocą wielu takich elementów można tworzyć oświetlenie, które nie ma charakteru punktowego, tylko jest złożone z setek, a nawet tysięcy pojedynczych emiterów rozłożonych na dużej powierzchni.

Trzeba zauważyć, że produkcja układów półprzewodnikowych w obudowach CSP nie jest trywialna. Struktura półprzewodnikowa musi zostać wklejona do "puszki" obudowy w sposób zapewniający trwałość mechaniczną i zdolność do prawidłowego działania przy zmianach temperatury (różne współczynniki rozszerzalności termicznej materiałów muszą być kompensowane).

W przypadku krzemu technologia była opanowana, ale LED-y bazują na azotku galu, a dokładniej na azotku galu na podłożu szafirowym. Są też wersje wykonane z węglika krzemu SiC. Inne materiały spowodowały konieczność dopracowania rozpraszania ciepła i stabilności konstrukcji.

Małe jest piękne

Fot. 3. Dioda LED Toshiby TL1WK w obudowie CSP (na tle linijki i w powiększeniu)

Kluczową zaletą obudów CSP są niewielkie rozmiary, co pomaga konstruktorom w tworzeniu innowacyjnych aplikacji i prowadzi do obniżki kosztów, bo wiele innych elementów i akcesoriów przestaje być potrzebnych (np. rozbudowana optyka). Montaż takich elementów jest też tańszy i szybszy, bo można wykonać go za pomocą standardowych maszyn pick&place i testować wyroby za pomocą urządzeń typu ATE.

Co więcej, powierzchnia świecąca jest tutaj większa niż w innych obudowach SMT, a dioda świeci w większym kącie przestrzennym, przekraczającym 180°, a więc nawet nieco na boki, a nie tylko do przodu. W ten sposób sprawność konwersji światła przez luminofor jest lepsza niż dla odpowiedników tradycyjnych, bo jest on efektywniej pobudzany.

Podobnie jak w przypadku układów scalonych w obudowach CSP, w LEDach tego typu też nie ma jednolitego standardu obudów, ale widać prawidłowość taką, że struktura półprzewodnikowa ma zbliżone wymiary do gabarytów zewnętrznych tego elementu (średnio jest 20% mniejsza). Druga cecha charakterystyczna to niewielka rezystancja termiczna, która jest mniejsza niż na standardowych LED.

Przykładowo, dioda Toshiby TL2F2 o wydajności 136 lm/W i napięciu przewodzenia 2,8 V ma rezystancję termiczną złącze-stop lutowniczy 30°C /W. A dioda TL1WK tej samej firmy i serii, ale już w obudowie CSP (112 lm/W, w punkcie pracy 60 mA/2,8 V) ma ten sam parametr na poziomie 17°C/W. Są dostępne wersje, które zapewniają jedynie 5°C/W. Dobre parametry termiczne wynikają tutaj z konstrukcji, bo między strukturą a podłożem (radiatorem) jest tylko cienka przekładka dobrze przewodząca ciepło.

Niska rezystancja termiczna pozwala na uzyskanie większej wydajności świetlnej w takich samych warunkach montażu w obudowy i na PCB, bez ryzyka przegrzania. Skutkiem jest możliwość użycia w aplikacji mniejszej liczby diod, a więc niższe koszty. Przykładowy standardowy emiter o wydajności 120 lm ma powierzchnię świecącą 12,25 mm², co daje 9,8 lm/mm². Dla diod w CSP powierzchnia świecąca to typowo 1 mm² , a emisja z tej powierzchni to 30 lm, czyli około 3 razy więcej.

CSP wchodzą na rynek

Fot. 4. LED CSP Samsunga (pojedynczy element i matryca 3×3)

Samsung Electronics ma w ofercie wiele białych diod w obudowach CSP, np. 2-watowe LH141A. Bazują one na strukturze emitującej światło niebieskie i luminoforze zamieniającym je na barwę białą. Warstwa luminoforu położona została bezpośrednio na półprzewodniku. Dioda ma 1,46×1,46 mm, a sam chip tylko 1,16×1,16×0,17 mm (fot. 4). W zasadzie element ten nie ma na obwodzie ramki, co pozwala ciasno pakować na płytce diody jedną obok drugiej praktycznie bez przerwy. W ofercie są też diody macierzowe CSP z 2×2 lub 3×3 elementami świecącymi.

Dioda tego typu firmy Lumileds Luxeon Q zawiera chip o wymiarach 1×1 mm świecący na niebiesko, który pokryty został żółtym luminoforem, dzięki czemu całość świeci na biało. Sprawność tej konwersji barwy jest rzędu 60%, wydajność finalna ok. 124 lm/W. Z kolei dla TL1WK Toshiby wymiary struktury to 0,65×0,65 mm (0,42 mm²).

Wysokość diody wynosi jedynie 0,36 mm i luminofor nie wystaje tutaj poza obręb półprzewodnika. Dioda ma wydajność 22 lm dla 60 mA i 2,8 V, przy temperaturze barwowej 5000 K. Pracuje w zakresie temperatur -40...+120°C, a jej maksymalny prąd przewodzenia bez ryzyka przegrzania to aż 180 mA (0,61 W) dla zalecanego przez producenta sposobu montażu.

Diody CSP pojawią się też niedługo w ofercie firmy Cree. Na razie najmniejsza pod względem wymiarów to XLamp XP-E2. Ma stosunkowo duże wymiary w porównaniu z konkurencją CSP - 3,45×3,45×2,36 mm (11,9 mm²), ale i dużą wydajność - 109 lm/W (350 mA @2,9 V). Jest to dioda wykonana z węglika krzemu SiC i przy zachowaniu odpowiedniego chłodzenia może osiągnąć 283 lm @ 3 W (85°C).

CSP dla mas

Mimo wielu zalet diody w obudowach CSP nie są dobre do wszystkich aplikacji, gdyż raczej ich użycie obliczone jest na wykorzystanie wielu elementów jednocześnie lub też na umieszczenie w ciasnej i specyficznej zabudowie, np. w lampach w motoryzacji.

Są to produkty delikatne i niełatwe w manipulacji oraz montażu, przez co raczej będą trafiały do aplikacji konsumenckich i produktów wytwarzanych masowo, gdzie te niedogodności nie będą przeszkodą. Mimo ograniczeń prognozy mówią o szybkim wzroście tego segmentu rynku. Aktualnie LED-y w obudowach CSP tworzą ok. 11% rynku diod LED wysokiej jasności, a w 2020 roku ich udział ma wzrosnąć do 34%.

Steven Keeping
Digi-Key Electronics Germany
www.digikey.pl