Процесс миниатюризации электронных компонентов в наше время затрагивает практически все области их применения. Но, если для смартфона понятно зачем стремиться делать его детали более миниатюрными, то для осветительного оборудования уменьшение размеров компонентов выглядит, на первый взгляд, излишеством. Тем не менее, новый актуальный тренд в развитии светотехники связан с CSP-технологией, позволяющей значительно уменьшить размеры светодиодов, причем в самых что ни на есть массовых осветительных приборах.
По мере того, как светодиоды становились все более доступным видом полупроводниковых приборов, наблюдалась тенденция упрощения конструкции их корпуса. Например, чипы первых светодиодов устанавливались вручную в DIP- корпуса весьма сложной конструкции. Эти светодиоды монтировались на плату с применением ручного труда. Потом появились светодиоды типа Power LED с более простой и удобной конструкцией корпуса. Далее для массового применения были созданы SMD-светодиоды, где кристалл устанавливался на керамическую или пластмассовую подложку, заливался люминофором, а также защитным покрытием, и в таком виде монтировался на плату с применением полностью автоматизированных производственных линий.
Дальнейшим развитием данной тенденции стало создание технологии CSP (сокращение от английского Chip-Scale Packaging — корпусирование, соразмерное чипу). Главная особенность CSP — длина и ширина готового светодиода лишь ненамного превосходят длину и ширину используемого в нем чипа. Что такое «немного» в стандартах пока не прописано. Есть мнение специалистов, что при использовании технологии CSP площадь, занимаемая светодиодом на монтажной плате, не более чем на 20% превышает площадь чипа, но его не всегда придерживаются производители при классификации своей продукции. По данным компании Seoul Semiconductor, которая развивает CSP-технологию под собственным фирменным названием WICOP, площадь CSP-светодиода в 4 раза меньше, чем у SMD-светодиода и в 5,6 раз меньше, чем у Power LED с сопоставимыми техническими характеристиками.
Контактные площадки у CSP-светодиода располагаются на обратной поверхности, они напрямую соединяют полупроводниковый кристалл с монтажной платой. Это позволяет обеспечить эффективный теплоотвод светодиода при его малых размерах, естественно, при условии, что монтажная плата обладает хорошими теплопроводящими свойствами. Например, если у SMD светодиода производства Toshiba термическое сопротивление между р-n переходом и контактными площадками составляет около 30° С/Вт, то у серийно выпускаемых образцов CSP-продукции Toshiba оно имеет значение около 17° С/Вт, а для опытных образцов CSP-светодиодов уже достигнуто значение 5° С/Вт.Первопроходцем технологии CSP является компания Lumileds, которая еще в 2013 году представила опытный образец светодиода синего свечения, изготовленного по данной технологии. В 2014 году Samsung создала первый CSP-светодиод белого свечения. Тогда же несколько ведущих мировых производителей анонсировали свои разработки в области CSP. Правда, пока основным применением CSP-светодиодов являются лампы-ретрофиты, а также подсветка в ЖК-дисплеях. Производители светильников только присматриваются к новинке, тем не менее, уже в 2016 году можно ожидать появление на рынке первых светильников, использующих преимущества CSP-светодиодов.
Следует отметить, что технология CSP изначально создавалась не для светотехнических применений. Она появилась в рамках работы над технологией «интернета вещей», когда искались способы сделать как можно более миниатюрный и дешевый Bluetooth чип, который можно было бы встраивать в самые разнообразные предметы быта. Однако после положительных результатов в телекоммуникационных применениях, ее решили использовать и для производства светодиодов.
Как удалось уменьшить размеры?
Если вы посмотрите на работающий светодиод типа SMD или Power LED (в том случае, если вам действительно захочется провести такой опыт, соблюдайте меры предосторожности и используйте темное стекло!), то увидите на лицевой стороне в центре черное пятно, от которого идет тончайший провод. Это — один из электродов, который подводит питание к аноду (п-слою). Другой электрод подведен к катоду (p-слою) и его не видно. Анодный электрод частично перекрывает излучение от р-n перехода, идущее в направлении, перпендикулярном лицевой поверхности. Поэтому в обычном светодиоде значительная часть светового потока исходит из боковых сторон чипа. Для обеспечения нужного распределения света чип размещается внутри отражателя, направляющего излучение боковых сторон. Этот отражатель одновременно выполняет функцию держателя кристалла. В SMD-светодиодах роль отражателя выполняет керамическая или пластмассовая основа, которой придана соответствующая форма.
Развитие полупроводниковых технологий позволило выращивать структуру светодиода на прозрачной основе из искусственного сапфира. Благодаря этому появилась возможность уменьшить толщину n-слоя и разместить оба электрода на стороне, обращенной к монтажной плате. В итоге излучение идет главным образом через лицевую поверхность чипа, хотя свечение боковых поверхностей также присутствует, но отражателя для него не предусмотрено. В том случае, если светодиод белого свечения, чип покрывается с лицевой стороны и по бокам слоем люминофора. Именно так и устроены CSP-светодиоды.
В некоторых случаях CSP-светодиоды снабжаются встроенной первичной оптикой в виде линзы. Тогда условие 20% разницы в размерах не соблюдается, но светодиод, тем не менее, все равно относят к CSP по технологии изготовления чипа.
Мощность CSP-светодиода (в зависимости от модели) может достигать 5 Вт. Максимальная светоотдача серийно выпускаемых образцов достигает 145 лм/Вт. Качество спектра во многом определяется люминофором, но стабильность цветового оттенка при использовании CSP технологии теоретически выше, так как люминофор наносится только на поверхность кристалла и не попадает на отражатель, что имеет место быть, например, в SMD светодиодах.
Преимущества и недостатки CSP
Малые размеры источника света уже сами по себе являются преимуществом для построения прожекторов и светильников, имеющих кривую силы света сложной формы. Как известно, чем ближе источник света к точечному, тем проще конструкция оптики, фокусирующей световой поток в нужном направлении. Угол распределения света у CSP светодиода, установленного на непрозрачную монтажную плату, равен 180°. С одной стороны, это недостаток, так как на основе таких светодиодов практически невозможно создать бюджетный светильник без вторичной оптики, что легко делается для SMD-светодиодов, имеющих угол распределения света 120°, приемлемый для многих применений. С другой — огромное преимущество при использовании в лампах-ретрофитах, устанавливаемых вместо ламп накаливания. В ретрофитах требуется обеспечить максимально широкий угол распределения света, для чего используется сложная оптическая система, в которой теряется до 40% светового потока. CSP-светодиод естественным образом дает распределение света в пределах полусферы, из дополнительной оптики потребуется разве что рассеиватель. Именно поэтому технология CSP нашла применение в первую очередь в производстве светодиодных ретрофитов.
Малые размеры светодиода и хороший теплоотвод через его заднюю поверхность позволяют размещать CSP-светодиод внутри линзы, плотно подогнав линзу к люминофору. В итоге между ними отсутствует воздуш - ный промежуток, что улучшает характеристики оптической системы. Отсутствие встроенного отражателя становится преимуществом, так как линза не только направляет свет в нужном направлении, но и собирает излучение, испускаемое боковыми поверхностями чипа. Исключение из этой системы встроенного отражателя, характерного для обычных светодиодов, позволяет повысить КПД системы.
Но самое главное преимущество CSP — значительное снижение стоимости светодиодов. Поскольку зависимость цены на светодиоды от светового потока близка к линейной, принято сравнивать не абсолютные значения цен, а стоимость 1 лм. Например, для CSP-светодиодов производства Seoul Semiconductor цена 1 лм составляет 0,04 долл. США, а для обычных Power LED светодиодов от того же производителя — 0,06 долл. США. Но это еще не предел — технология CSP только что появилась, по мере ее развития цены будут снижаться, и разрыв в цене 1 лм между ней и Power LED может достигнуть 3 раз.
Значительного снижения цен на светодиоды удастся добиться, если люминофор будет наноситься не на отдельный кристалл, а на всю полупроводниковую пластину, из которой потом вырезаются чипы. Для обычных светодиодов это сделать невозможно, но при использовании CSP групповое нанесение люминофора становится реальностью. На пластине прорезаются канавки со стороны слоя сапфира на глубину чуть ниже р-n перехода. Далее вся пластина покрывается слоем люминофора. Попадая в канавки, люминофор покрывает чипы с боковой стороны. Потом пластина распиливается по уже имеющимся канавкам. На пути внедрения этой технологии в серийное производство стоит проблема обеспечения равномерности полива люминофором. Но для нее нашли несколько решений, которые, возможно, уже в 2016 позволят дополнительно снизить цены на полупроводниковые источники света.
Поскольку CSP-компоненты не имеют ни прочной оболочки, ни хотя бы некоей несущей подложки, их прочность полностью определяется прочностью полупроводникового чипа. То есть, CSP-светодиоды — довольно хрупкие устройства. Поэтому для их монтажа требуется высокая культура производства, хотя сама по себе стоимость монтажа сопоставима с SMD. Пока неизвестно, смогут ли средние по размеру производители светильников осуществлять монтаж CSP-светодиодов на своих производствах так же просто, как сейчас это делается для SMD-светодиодов. Скорее всего, на первых порах производители светильников будут работать только с готовыми платами, на которых уже установлены CSP-светодиоды.
Перспективы использования
При использовании в ретрофитах CSP-технология может стать реальной альтернативой использованию филаментов (т.е. светодиодных матриц, имитирующих нить накаливания). С одной стороны, обеспечивается широкое распределение света, близкое к лампе накаливания. С другой стороны, лампа на CSP-светодиодах прослужит примерно 50 000 ч, тогда как филаментная — 15000-25000 ч.
Светодиоды, изготовленные по технологии CSP, можно использовать без линз в лампах-ретрофитах и в подсветке ЖК-дисплеев. Во всех остальных случаях на такие светодиоды требуется установка линз. Это обстоятельство делает невозможным применение CSP вместо SMD в сверхбюджетных светильниках, например, предназначенных для ЖКХ. Но зато всевозможные прожектора небольшой мощности, используемые для локального освещения в музеях и на выставках, а также для расстановки акцентов в домашнем интерьере, будучи выполненными на CSP-светодиодах, станут дешевле и надежнее.
Можно предположить, что в будущем главной сферой применения CSP-светодиодов станут уличные светильники, а также светильники для архитектурной подсветки. В таких светильниках, как правило, используются оптические системы на основе линз. Большой угол распределения света станет значительным преимуществом для светильников, размещаемых вдоль автомагистралей, так как при этом упрощается конструкция оптической системы. Возможность плотно пригнать светодиод к линзе улучшает герметичность конструкции, а высокая эффективность теплоотвода повышает диапазон рабочих температур. Низкая стоимость CSP-светодиодов позволит снизить сроки окупаемости уличных светодиодных светильников, что позволит более широко внедрять уличное светодиодное освещение.
