Главная / Справочные... /

Технологии изготовления, достоинства и недостатки твердотельных источников белого света - светодиодов

В переводе с английского светодиод называется light emitting diode — диод, испускающий видимый свет, или LED. Светодиод состоит из полупроводникового кристалла на подложке, корпуса с контактными выводами и оптической системы.

Светоизлучающий диод представляет собой электронное устройство, которое излучает свет, когда через него пропускают электрический ток. Диод состоит из кристалла (нередко называемого чипом), который изготовлен из полупроводникового материала с вкраплениями примесей, необходимых для создания p-n-перехода (или электронно-дырочного перехода). В диоде ток проходит от стороны p (анода) к стороне n (катоду), но не в обратную сторону. Носители заряда (электроны и дырки) поступают в p-n-переход от электродов с разным напряжением. При столкновении электронов с дырками происходит высвобождение энергии в форме фотонов (частиц света).

                                

Чтобы p-n-переход излучал свет, должны выполняться следующие два условия. Во-первых, ширина запрещённой зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона, а во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой. Для этого полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Эти условия в той или иной степени противоречат друг другу. Реально, чтобы их соблюсти, одного p-n-перехода в кристалле недостаточно. Приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры. Их называют гетероструктуры (именно за изучение гетероструктур академик Алфёров получил Нобелевскую премию). Это послужило новым этапом в развитии технологий изготовления светодиодов.

Цвет свечения (или длина волны излучаемого света) светодиода определяется материалами, из которых изготовлен светодиод. Монохроматические диоды выпускаются в различных цветах, включая красный, синий, янтарно-желтый, зеленый и ультрафиолетовый, со светоотдачей от 10 до 200 люменов. Чтобы получить LED-устройства, излучающие белый свет, прибегают к одной из трех распространенных в настоящее время технологий, описанных ниже.

Технология выращивания кристаллов

Производство светоизлучающих диодов сталкивается с некоторыми трудностями. Поскольку создание светодиодов — это динамично развивающаяся отрасль светотехнической промышленности, то сложившихся законов и правил их применения пока не существует. Нет нормативной документации, относящейся к процессу производства и использования светодиодов. Каждое крупное производство старается найти свои критерии отбора продукции, но, к сожалению, никаких международных соглашений не существует. Хотя в этом направлении в последнее время ведётся активная работа и достигнуты хорошие результаты, надо понимать, что создание единых требований к светодиодной технике — дело не одного года. Чтобы понять, в чём сложность создания подобной документации, следует ознакомиться с технологией производства.

Технология выращивания кристаллов называется — металлоорганическая эпитаксия. Эпитаксия — это ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого (подложки). Эпитаксиальный рост полупроводников (а светодиод — это именно полупроводник) осуществляется методом термического разложения (пиролиза) металлорганических соединений, содержащих необходимые химические элементы. Для этого процесса необходимы особо чистые газы. В современных установках для выращивания кристаллов предусмотрены автоматизация и контроль состава газов, их раздельные потоки, точная регулировка температуры газов и подложек. Толщины выращиваемых слоёв измеряются и контролируются в пределах от десятков ангстрем до нескольких микрон. Разные слои необходимо легировать примесями, донорами или акцепторами, чтобы создать p-n-переход с большой концентрацией электронов в n-области и дырок — в р-области. За один процесс, который длится несколько часов, можно вырастить структуры на 6–12 подложках диаметром 50–75 мм. Очень важно обеспечить и проконтролировать однородность структур на поверхности подложек. Стоимость установок для эпитаксиального роста полупроводниковых нитридов, разработанных в Европе (фирмы Aixtron и Thomas Swan) и США (Emcore), достигает 1,5–2 млн. долларов. Опыт разных фирм-производителей показал, что научиться получать на такой установке конкурентоспособные структуры с необходимыми параметрами можно за время от одного года до трёх лет. Это — технология, требующая высокой производственной культуры.

Создание чипов

На этом этапе имеют место такие процессы, как травление, создание контактов к n- и р-слоям, покрытие металлическими плёнками для контактных выводов, резка. Плёнку, выращенную на одной подложке, можно разрезать на несколько тысяч чипов размерами от 0,24 x 0,24 до 1 x 1 кв. мм. Весь этот комплекс получил название «планарная обработка плёнок».

Биннирование

Биннирование ( с о р т и р о в к а чипов) — особенно важный процесс производства светодиодов, о котором несправедливо часто забывают упоминать в литературе. Дело в том, что при производстве любой продукции должны соблюдаться некие критерии отбора. Но на вышеописанных стадиях производства светодиода невозможно добиться абсолютного сходства изделий по его характеристикам. Изготовленные чипы изначально имеют характеристики, различающиеся в некотором диапазоне. Чипы сортируют на группы (бины). В каждой группе определённый параметр варьируется в определённых пределах. Сортировка происходит по:

• длине волны максимума излучения;

• напряжению;

• световому потоку (или осевой силе света) и т. д.

Создание светодиода

Следующим шагом является создание светодиодов из этих чипов. Это заключительный этап технологической цепочки. Создаётся корпус будущего источника света, монтируются выводы, подбирается люминофор (если он необходим). Но особо стоит отметить такую важную часть, как оптическую систему (а именно, изготовление линз). Линзы для светодиодов изготавливают из эпоксидной смолы, силикона или пластика. К ним предъявляется широкий спектр требований, т.к. оптическая система светодиода играет большую роль (направляет световой поток светодиода в нужный телесный угол). Общая схема светодиода представлена ниже

Линзы должны:

• быть максимально прозрачными;

• пропускать свет во всём оптическом диапазоне;

• обладать хорошей клейкостью материала к материалу печатной платы; • быть температурно стабильными;

• обладать высоким сроком службы.

Около половины стоимости светодиода определяется этими этапами высокой технологии. Необходимость повышения мощности для увеличения светового потока привела к тому, что традиционная форма корпусного светодиода перестала удовлетворять производителей из-за недостаточного теплоотвода. Надо было максимально приблизить чип к теплопроводящей поверхности. В связи с этим на смену традиционной технологии и несколько более совершенной SMD-технологии (surface montage details — поверхностный монтаж деталей) приходит наиболее передовая технология СОВ (chip on board). Эта технология обеспечивает выращивание чипа кристалла непосредственно на подложке или радиаторе светодиода, что в свою очередь обеспечивает более качественный теплоотвод. А это, в свою очередь, сокращает скорость деградации кристаллов и продлевает срок службы светодиода! На сегодняшний день производители светодиодных модулей на основе СОВ (chip on board) технологии дают на свои продукты гарантию до 5 лет. Так создаются светодиодные модули, которые могут иметь линейную, прямоугольную или круглую форму, быть жёсткими или гибкими, и такое разнообразие призвано удовлетворить любую прихоть дизайнера. Раньше в светодиодных сборках было очень много светодиодов. Сейчас, по мере увеличения мощности, светодиодов становится меньше, зато оптическая система, направляющая световой поток в нужный телесный угол, играет всё большую роль. 

 

Методы изготовления белых светодиодов и особенности их цветопередачи

Если лампы накаливания и люминесцентные лампы по сути своей — источники белого света, то белые светодиоды таковыми не являются. В отличие от более традиционных ламп, светодиоды генерируют свет очень узкого диапазона длин волн в видимом спектре, результатом чего является их почти монохромное свечение. Именно поэтому светодиоды особенно эффективно использовать в световых установках, излучающих какой-либо определенный основной цвет, к примеру, в светофорах и указателях. Между тем в вывесках чаще всего необходима внутренняя подсветка, излучающая белый свет, по цветовой температуре и индексу цветопередачи сопоставимый со свечением привычных люминесцентных ламп. В этом случае выбор в пользу светодиодов не создаст никаких дополнительных сложностей в работе дизайнеров, поскольку воспроизведение цветов на лицевой стороне вывески будет именно таким, какое требуется заказчику.

Основными способами для получения белого свечения в светодиодах являются:

-  нанесение слоя желтого фосфора на синие кристаллы;

-  нанесение нескольких слоев разноцветных фосфоров на кристаллы, излучающие свет, близкий по цвету к ультра- фиолетовому;

-  RGB-системы, в которых за счет смешения света совокупности монохромных красных, зеленых и синих диодов достигается свечение белого цвета.

В первом случае чаще всего используют кристаллы синих светодиодов, которые покрывают желтым фосфором. Фосфор поглощает некоторое количество синего света и излучает желтый свет. При смешении непоглощенного синего света с желтым человеческий глаз воспринимает свечение диода как белое. Второй метод представляет собой не так давно разработанную технологию получения твердотельных источников белого света на основе комбинации диода, излучающего свечение, близкое по цвету к ультрафиолетовому, и нескольких слоев разноцветных фосфоров. В последнем случае белый свет получают путем смешивания трех базовых цветов (красного, зеленого и синего).

Качество белого света улучшают за счет дополнения конфигурации RGB-диодами с янтарножелтым свечением, что позволяет охватывать желтую часть спектра.

 У каждого из этих подходов есть свои плюсы и минусы. Так, для белых светодиодов, изготавливаемых по принципу комбинации синих кристаллов с фосфором, характерны достаточно низкий индекс цветопередачи (около 70), склонность к генерации белого света холодных тонов, неоднородность оттенка свечения при достаточно высокой светоэффективности и относительно небольшой стоимости. Белые светодиоды, полученные на основе комбинации диодов с близким к ультрафиолетовому цвету свечения и разноцветных фосфоров, обладают более высоким индексом цветопередачи, могут генерировать белый свет более теплых оттенков и отличаются большей однородностью оттенков свечения от диода к диоду. При этом они не столь энергоэффективны и не столь ярки, как первые. В свою очередь, принцип RGB позволяет создавать светодинамические эффекты в световых установках со сменой цвета свечения, генерировать белый свет различных оттенков и потенциально может обеспечивать очень высокий индекс цветопередачи.

В то же время светодиоды отдельных цветов по-разному реагируют на величины рабочего тока, окружающую их температуру и регулирование яркости, и нуждаются в достаточно сложных и дорог стоящих системах управления для достижения стабильного цвета свечения.

Для всех светодиодных модулей, излучающих белый свет, характерен ряд достоинств и недостатков, распространяющийся на твердотельные источники света в целом. Этим особенностям следует уделить отдельное внимание.

Преимущества LED-технологий

Бесспорным достоинством светодиодов является их световая эффективность. Так, поставляемые в настоящее время на рынок LED-модули генерируют световой поток в диапазоне от 25 до 80 люменов на каждый ватт потребляемой мощности. К примеру, у ламп накаливания светоэффективность не превышает 5-10 лм/ Вт.

Второй плюс в использовании светодиодов — их долговечность, которая в среднем составляет 25-50 тыс. часов. Для сравнения: лампа накаливания мощностью 75 Вт работает примерно 1 тыс. часов, компактная люминесцентная лампа сопоставимой яркости — от 8 тыс. до 10 тыс. часов. Долговечность LED-модулей позволяет существенно сокращать затраты на обслуживание световых установок и покупку новых источников света для замены вышедших из строя ламп. К примеру, светодиодный светильник при работе восемь часов в день способен прослужить 18 лет до того, как выйдет из строя. К тому же он будет потреблять меньше электроэнергии, чем другие источники света и почти не потребует обслуживания.

Рассмотрим более детальное сравнение долговечности светодиодов и ламп дневного света. Обычно срок службы люминесцентных ламп оценивается в 30 тыс. часов. Что же касается светодиодов, считается, что заменять LED-модули на новые необходимо только тогда, когда уровень яркости их свечения составляет не более 30% от первоначальной величины. Согласно данным Министерства энергетики США, самый долговечный из уже протестированных светодиодов беспрерывно проработал 35 тыс. часов, прежде чем достиг этого показателя. В силу постоянного развития светодиодных технологий среднестатистический ресурс LED-модулей продолжает увеличиваться. По оценкам экспертов, срок службы современных белых светодиодов оценивается в 17-20 лет при ежедневной эксплуатации в течение восьми часов. Стоит добавить, что светодиоды не перегорают, как люминесцентные или газоразрядные лампы, а в большинстве случаев со временем просто утрачивают свою первоначальную яркость.

Все эти плюсы в эксплуатации твердотельных источников света обеспечивают экономию электроэнергии, сокращение затрат на обслуживание световых конструкций и снижение цены владения вывеской со светодиодной подсветкой на протяжении ее срока служба в целом. В конструкции светодиодов не используется опасных для человеческого здоровья веществ, в отличие от компактных люминесцентных ламп, внутри которых содержатся ртутные пары. Немаловажным плюсом светодиодной технологии является и тот факт, что при диммировании (снижении яркости свечения) оттенок цвета их свечения не меняется в отличие, к примеру, от ламп накаливания, свет которых при снижении напряжения в сети желтеет.

Светодиоды — оптимальный выбор для использования в вывесках, которые работают в постоянном или достаточно частом режиме включения/ выключения. К примеру, люминесцентные лампы при частом выключении выходят из строя гораздо быстрее, а газоразрядным лампам требуется достаточно ощутимый промежуток времени, чтобы заработать в полную силу после включения питания. Светодиоды во включенном состоянии начинают излучать свет почти мгновенно: к примеру, красный LED-модуль достигает полной яркости свечения за микросекунды. Светодиоды, по сути своей являющиеся твердотельными устройствами, сложно повредить при внешних ударах, в отличие от люминесцентных ламп, неоновых трубок и ламп накаливания, которые при падении или сильном внешнем воздействии разрушаются без возможности починки.

Недостатки светодиодов

 Оценивая различные потребительские свойства и качества светодиодов, чаще всего их главным минусом называют более высокую стоимость в сравнении с традиционными источниками света. Эта величина еще более увеличивается за счет необходимости в использовании большего числа LED-модулей при достижении искомой яркости свечения вывески, а также за счет затрат на электронику и блоки питания, требуемые для их работы. И все же стоит заметить, что в целом стоимость владения светодиодной световой конструкцией (включая затраты на электроэнергию и обслуживание) ощутимо ниже, чем вывеской аналогичного размера и яркости, оснащенной какими-либо другими источниками света.

В режиме эксплуатации выявляется и еще одна особенность светодиодов, которую, пожалуй, следует отнести к их недостаткам: сильная зависимость от температуры, окружающей световую конструкцию. Если LED-модули подвергаются сильному нагреву, происходит перегрев их корпусов, и в результате это может привести к преждевременному выходу светодиодов из строя. В частности, известно, что повышение эксплуатационной температуры на 10 градусов Цельсия может сократить срок службы светодиода вдвое. Таким образом, для обеспечения максимально возможного срока службы светодиодов необходима соответствующая система отвода тепла. Поэтому при оценке предполагаемой долговечности светодиодов следует учитывать рекомендованную производителем рабочую температуру и решения, внедренные им в конструкцию LED-модуля для нивелирования нагрева.

Ниже приведены вопросы, на которые целесообразно получить ответы производителя или поставщика белых светодиодов, если мы стремимся получить качественную и долговечную под- светку нашей вывески:

-  Какую технологию изготовления светодиодных модулей с белым цветом свечения практикует фирма-производитель?

-  Каковы светоэффективность (в люменах на ватт), угол рассеивания светового потока (в градусах), цветовая температура (ССТ) и индекс цветопередачи (в единицах от 1 до 100) этих источников света?

-  Каков предполагаемый срок службы светодиодов?

-  Какие дополнительные устройства необходимы для работы LED-модулей?

-  В каком диапазоне температур рекомендуется использовать эти светодиоды, и как в них реализована система отвода тепла?

Возможность регулирования яркости свечения светодиодов в вывеске является еще одним немаловажным аспектом, который целесообразно учитывать при проектировании той или иной световой конструкции. Диммирование LED-подсветки позволяет оптимизировать эксплуатацию установки, реализовать в рекламном изделии дополнительные светодинамические эффекты, а также увеличить срок службы диодов. 

Благодаря большому количеству положительных качеств (малой потребляемой мощности, отсутствию ртути, низкому напряжению питания, высокой надёжности, малым габаритам и т.д.), на основе светодиодов создаются разнообразные и высококачественные осветительные светодиодные приборы. Можно долго перечислять различные типы светодиодных светильников: это и светодиодные модули, ленты и линейки, точечные источники света, RGB системы, прожекторы и светильники общего или специального назначе- ния. Однозначно можно сказать, что светодиоды — это динамично развивающиеся источники света. А знание и понимание природы светодиодного света позволяет компаниям-производителям наружной рекламы с максимальной пользой для себя использовать преимущества быстроразвивающейся светодиодной технологии при производстве объёмных букв, лайтбоксов и световых коробов

X