Внедрение светодиодов в освещении уже давно является основным направлением развития светотехники. Тем не менее, существует несколько технологий светодиодного освещения. Например, в последние два года интенсивно развивается такое направление как Multi Chip-on-Board (MCOB). И вопрос, использовать светодиодные светильники на основе MCOB или изготовленные по иным технологиям вызывает среди специалистов бурные споры. О том, что представляет собой новая технология, ее особенностях и актуальном зарубежном опыте использования пойдет речь в этой статье.
Примерно до 2009 года у полупроводниковой светотехники был только один вектор развития — увеличение мощности одного светодиода. Это направление получило название Power LED (не путать с одноименной торговой маркой известного производителя). На русский язык это словосочетание переводится как «мощный светодиод». Действительно, совершенствование технологий позволило повысить мощность светодиода до 10 Вт. Хотя практическое применение нашли главным образом светодиоды мощностью 1–3 Вт.
Концепция Power LED позволяет сократить количество светодиодов и увеличить светоотдачу источников света. Тем не менее, увеличение мощности светодиодов не привело к значительному снижению стоимости готовых светильников. Да и светоотдача всего светильника получается значительно меньше, чем у используемых в нем светодиодов.
Причина заключается в том, что светодиод является точечным источником света. В то же время, для многих практических применений требуется рассеянный свет. Из-за малых размеров светодиоды без дополнительной оптической системы обладают огромной габаритной яркостью и дают большой слепящий эффект. Поэтому приходится создавать специальные оптические системы для того, чтобы сделать свет от мощных светодиодов рассеянным. Эти оптические системы стоят дорого и вносят значительные потери (до 35%) в изначальный световой поток от светодиодов. Другим недостатком светильников на основе мощных светодиодов является большой объем ручного труда при их производстве.
С 2009 года начат выпуск светильников на так называемых SMD-светодиодах. Технология SMD означает Surface Mounting Device — «устройство с креплением на поверхность». Мощность SMD-светодиодов лежит в пределах 0,01–0,2 Вт. В SMD-светодиодах кристаллы в количестве от 1 до 3 штук устанавливаются на керамические подложки, представляющие собой прямоугольники с размером сторон от 1,4 до 6 мм. Каждый SMD-светодиод индивидуально покрыт слоем люминофора. Конструкция SMD-светодиода предусматривает прямое соединение припоем контактных площадок подложки и монтажной платы. Благодаря этому, производство светильников может быть полностью автоматизировано.
Большое количество маломощных светодиодов (до 700 штук в одном светильнике) позволяет получить рассеянный свет без применения каких-либо оптических систем. Достаточно лишь защитного стекла, потери в котором составляют всего 8%.
SMD-светодиоды размещаются на плате через определенные промежутки, как правило, они в несколько раз больше линейных размеров кристаллов. Поэтому наличие отдельных светящихся точек, пусть и не таких ярких, как в случае с Power LED, хорошо заметно. Если требуется еще большая равномерность распределения света, например, для освещения комнаты, где идет работа за компьютерами, используются простейшие молочные или микропризматические рассеиватели.
Недостатком SMD-светильников является низкая ремонтопригодность конструкции. Теоретически можно перепаять SMD-светодиод, но для этого требуется сложное оборудование. Поэтому для ремонта светильник приходится отправлять на предприятие-изготовитель. Практически оказывается дешевле заменить всю плату со светодиодами.
От SMD — к COB
Решением проблемы ремонтопригодности может являться значительное снижение стоимости светодиодного модуля. Тогда, в случае выхода из строя, можно просто заменить этот модуль и такая процедура будет рентабельной.
Дальнейшим развитием такого подхода в светотехнике стала технология Chip-on-Board, сокращенно COB. Дословно переводится как «многочисленные кристаллы на плате». В некоторых источниках ее называют более кратко — COB, при этом смысл остается тем же.
Суть технологии COB заключается в размещении на плате кристаллов без корпусов и керамических подложек, а также покрытие этих кристаллов общим слоем люминофора. Благодаря этому, действительно значительно снижается стоимость матрицы светодиодов. Для сравнения экономических показателей тех или иных светодиодных устройств принято использовать стоимость 1 лм светового потока. Так вот, у матрицы из SMD-светодиодов стоимость 1 лм начинается с 0,5 руб., а у COB-матрицы стоимость 1 лм у ведущих брендов (например, Sharp, Epistar и некоторых других) начинается с 0,2 руб., а у менее именитых производителей начинается с 0,07 руб. за 1 лм.
Кристаллы светодиодов при технологии COB расположены гораздо ближе друг к другу, чем при использовании SMD-светодиодов. Плотность размещения может достигать 70 кристаллов на 1 кв. см. К тому же, они имеют общее покрытие люминофором. Поэтому COB-матрица светится равномерно, в ней практически неразличимы отдельные точки.
При равной мощности размер COB-матрицы меньше, чем размер матрицы из SMD-светодиодов. Это позволяет создать полупроводниковый источник света с размером светящегося тела, как у традиционных источников (МГЛ, ДНаТ и т.п.) В результате становится возможным использовать отражатели и рассеиватели, ранее разработанные и серийно производимые для традиционных источников света, а это тоже немалый резерв снижения стоимости. Не придется вкладываться в разработки и новые производственные линии.
Главное — толщина слоя «клея»
Процесс изготовления COB-матрицы состоит из следующих основных этапов:
- нанесение на подложку вещества, обеспечивающего адгезию;
- установка кристаллов на подложку;
- затвердевание слоя защитного покрытия;
- удаления загрязнений с помощью плазменной очистки;
- соединение контактов кристаллов и платы ультратонкими (всего несколько микрон);
- покрытие массива кристаллов люминофором, смешанным с силиконом, что обеспечивает герметизацию кристаллов;
- отвердение силикона.
Ключевым моментом, долгое время не позволявшим реализовать технологию COB на практике, была необходимость нанесения на подложку очень тонкого равномерного слоя адгезивного материала. Если очень упростить ситуацию, то можно сказать, что кристаллы «приклеиваются» к подложке. На подложку нужно нанести слой «клея» строго определенной толщины. Если он будет слишком тонким, то кристалл «отклеится». А если слишком толстым, то будет недостаточным тепловой контакт между кристаллом и подложкой.
Задача была решена в 2009 году учеными Китайской академии наук. Они предложили метод магнетронного распыления (magnetron sputtering), обеспечивающий равномерное нанесение адгезивного вещества с точно заданной толщиной. В итоге, тепловой контакт между подложкой и кристаллом получается значительно лучше, чем при монтаже на теплопроводящую плату SMD-светодиодов.
Новая технология получила название Multi Chip-onBoard или сокращенно МСОВ. Переводится это как «многочисленные кристаллы на плате», тем самым подчеркивается возможность создания мощных светодиодных матриц. Практически все выпускаемые сейчас светодиодные COB-матрицы изготавливаются по технологии MCOB.
Параметры COB-матриц
Мощность COB-матрицы может достигать 100 Вт. Использование современных технологических процессов при производстве COB-матриц и хороший теплоотвод позволяют достичь реальной светоотдачи матрицы 100–150 лм/Вт.
Светящаяся поверхность типичной COB-матрицы представляет собой квадрат со стороной 1–3 см или круг диаметром 1–3 см. Встречаются и матрицы со светящейся поверхностью больших размеров, например, 12x3 см. Такие матрицы используют в наружном освещении и позволяют, благодаря большим размерам светящего тела, обойтись без дополнительных мероприятий по снижению слепящего эффекта.
Производители COB-матриц заявляют о сроке службы своей продукции около 30 000 часов. Производители мощных светодиодов говорят о сроке службы своей продукции 50 000 часов. Для некоторых специалистов это стало поводом считать, что у COB низкая надежность. Но так ли это на самом деле?
Данные о сроке службы светодиодов являются результатами математического моделирования на основании испытаний светодиодов в экстремальных условиях. Чтобы проверить, что светодиод действительно проработает 50 000 часов, он должен непрерывно светить на протяжении почти 6 лет. За это время появятся уже новые модели светодиодов, а информация станет неактуальной.
При этом гарантийный срок, когда можно бесплатно отремонтировать или поменять светильник, даже ведущие производители устанавливают, исходя из того, что светильник проработает лишь 20 000 часов. Работа светильника свыше этого срока — только лишь оценка, данная производителем, ни к чему его не обязывающая. Поэтому данные о сроке службы 30 000 часов могут быть результатом более осторожного прогноза производителя.
Практическое применение
В России наиболее распространенным примером использования технологии COB являются прожектора заливающего света. В основном они используются для подсветки рекламных плакатов, но есть и другие примеры успешного использования данной технологии. Российская компания «Оптоган» производит COB-матрицы серии OCM.
За рубежом светильники на основе COB-матриц широко используются в Китае, Англии, США, Польше и ряде других стран. Но наиболее широкое распространение светильники на основе технологии COB получили в Швейцарии.
В Швейцарии к 2034 году планируют закрыть все атомные электростанции. А на них в стране сейчас приходится 40% выработки электроэнергии. Для сравнения, в Германии, которая тоже решила отказаться от атомных электростанций, на их долю приходится только 28% вырабатываемой электроэнергии.
Сложившаяся ситуация требует от швейцарцев уже сейчас срочного внедрения энергосберегающих технологий. Повсеместный переход на светодиодное освещение требует использование технологий, которые обеспечивают быструю окупаемость, иначе задача оказывается неподъемной даже для богатой Швейцарии.
Самым известным проектом стало освещение универмага Manor — одного из крупнейших универмагов в Базеле, имеющего 7 этажей над землей и один подземный этаж. Почти все освещение, кроме нескольких дизайнерских светильников, выполнено на трековых прожекторах производства швейцарской фирмы RD-Leuchten AG. Источниками света в них являются COB-матрицы производства Bridgelux. Внедрение светодиодных светильников позволило сократить энергопотребление приблизительно в 2 раза по сравнению с ранее использовавшимися МГЛ и люминесцентными лампами. Светильники на основе COB надежно работают; в гигантском универмаге автору статьи не удалось отыскать ни один неработающий светодиодный светильник.
Во многих других швейцарских магазинах, торгующих едой и одеждой, также широко используются трековые и встраиваемые прожекторы на основе COB-матриц.
На некоторых улицах швейцарских городов Берна и Лугано установлены светодиодные светильники на основе COB-матриц большого размера. Благодаря использованию технологии COB, они дают мягкий, рассеянный свет при наличии в светильнике только отражателя простейшей конструкции.
Перспективы использования в России
Ремонт светильника на основе технологии COB при выходе из строя светодиодов, если есть фирменный сервис, сводится к замене COB-матрицы ценой порядка $10. Ремонт же светодиодных светильников других типов может обойтись по цене нового изделия. Другой вопрос, что большинство светильников на COB пока поступает в Россию от малоизвестных производителей, не обеспечивающих послегарантийное обслуживание, а это не дает возможность оценить выгоду от снижения расходов на ремонт. Тем не менее, как показывает опыт Швейцарии, именно технология COB может стать основой для массового перехода на светодиодное освещение.
Алексей Васильев
Статья опубликована в журнале «Электротехнический рынок», № 2 (50), 2013
