Una nuova classe di LED – Chip Array (matrici di chip) in package SMD

Questo articolo offre una panoramica dei vantaggi e degli inconvenienti di tale package nelle lampade LED retrofit e in diversi tipi di apparecchi di illuminazione.

Affronta inoltre la loro durata e affidabilità e mostra come la giusta scelta dei prodotti, e una buona progettazione termica, possa soddisfare anche esigenze specifiche. Studi illustrano gli enormi benefici che la CAS (Chip Array in package SMD) può generare quando utilizzato in faretti e in sorgenti di luce omnidirezionale.
Recentemente diverse società hanno lanciato prodotti che possono essere comunemente considerati come una nuova classe di LED – Chip Array in package SMD (CAS). Questi package LED a elevata potenza possono fornire tra i 300 e i 1.500 lm e stanno rappresentando una seria concorrenza per gli array Chip-on-Board, in questa categoria di flusso luminoso. Combinano l’elevata efficacia ed emissione luminosa dei LED CoB con efficaci risparmi in termini di costo complessivo e un assemblaggio affidabile utilizzando elettroniche Pick&Place. Integrare il pcb (printed circuit board, circuito stampato) nei sistemi di illuminazione dà ai produttori la libertà di includere fusibili termici, connettori o componenti del driver direttamente sulla scheda LED.

Quasi in contemporanea con Osram Opto Semiconductors, che ha avuto inizialmente l’idea, diversi produttori di chip hanno lanciato le matrici di Chip in package SMD (CAS). Perché questi prodotti possono essere generalmente considerati una nuova classe di LED? Perché possono generare un elevato livello di luminosità, tra i 300 e i 1.500 lumen (lm). Combinano l’elevata efficacia ed emissione luminosa dei LED CoB (Chip on Board) con efficaci risparmi in termini di costo complessivo e un assemblaggio affidabile utilizzando elettroniche Pick&Place. Il pcb (circuito stampato) non fa più parte del CoB ma è parte dell’apparecchio di illuminazione, per cui vi è una maggiore libertà di progettazione per i produttori. Questo apre ulteriori possibilità di includere elementi come fusibili termici, connettori o componenti di controllo direttamente sulla scheda LED. Grazie a queste interessanti caratteristiche, questi package di LED ad elevata potenza stanno rappresentando una seria concorrenza per gli array Chip-on- Board in questa categoria di flusso.

Tutte le matrici di chip LED in package SMD disponibili sul mercato presentano un flusso luminoso superiore a 300 lm, ma alcuni possono anche arrivare a 1.200 lm. Con livelli di flusso così alti, lampade retrofit con wattaggi equivalenti da 25 a 75 watt sono realizzabili con un solo package di LED. I principali produttori di lampade, come Osram Opto Semiconductors, hanno adattato i loro prodotti esattamente in funzione della luminosità richiesta per realizzare retrofit direzionali e omnidirezionali, assicurando sufficiente efficacia per raggiungere la Classe Energetica UE A+. Le dimensioni più comuni del package sono di 5 x 5 mm e 7 x 7 mm e anche 9,5 x 9,5 mm.

Come nel caso dei LED Chip-on-Board, la luce dei LED CAS è generata da un array di chip emettitori (“Sapphire”).

Tuttavia, i chip CAS sono montati su una struttura metallica (leadframe) di materiale altamente riflettente o su un substrato ceramico. Tutti questi chip emettono luce blu e sono incapsulati in un materiale siliconico riempito di fosforo che genera luce bianca. Di conseguenza, semplicemente scambiando il materiale riflettente del circuito stampato con un leadframe i produttori sono in grado di assicurare un facile montaggio SMD senza compromettere l’efficacia o altre proprietà positive dei LED CoB. La tabella seguente mette a confronto package luminosi, costi del sistema e altre caratteristiche dei diversi tipi di LED.

Molti vantaggi, svariati inconvenienti

La prima generazione di LED CAS fu progettata per l’uso nei retrofit, specialmente per le lampade direzionali MR e PAR. Pertanto, il package luminoso di questi primi prodotti venne ottimizzato per sostituire le lampade alogene da 20 a 50 W. Sono stati utilizzati come singole sorgenti di luce senza fornire più punti o più ombre. Hanno quindi soddisfatto le necessità di molti clienti che con i nuovi LED desideravano ottenere lo stesso aspetto delle lampade alogene utilizzate in precedenza. Fino ad allora, questo era possibile solo con i LED CoB. Questi però hanno bisogno di saldature manuali o inserimenti manuali nei supporti. Nel frattempo, i primi costruttori hanno intuito che il package CAS poteva essere utilizzato anche per potenze elevate, consentendo di usare un solo LED integrato in retrofit omnidirezionali. Per questa applicazione, sono entrati in gioco gli altri vantaggi dei LED CAS. Grazie al package SMD, è stato possibile automatizzare il montaggio e l’uso di connettori o componenti del driver sul circuito stampato del LED, spianando la strada per la completa automazione della produzione di retrofit.

Queste caratteristica dei retrofit può essere applicata anche ad altri apparecchi di illuminazione. Con i convenienti chip array di LED SMD, una grande varietà di lampade, compresi i downlight, i tracklights e i faretti, può essere prodotta senza comprometterne l’aspetto.

Nonostante tutti questi vantaggi vi sono anche alcune cose che devono essere prese in considerazione durante la progettazione di LED CAS. Grazie al loro maggiore flusso luminoso, il carico termico che influisce su un package CAS è nel range di qualche watt. Dovremmo pertanto dare uno sguardo più da vicino alle proprietà termiche di questi prodotti: la maggior parte dei LED CAS sono poggiati su leadframe, in modo che il chip LED sia collocato direttamente sulla base di rame del leadframe. La resistenza termica del package stesso (dal punto di giunzione a quello di saldatura) è eccellente e anche migliore di quella dei prodotti CoB (ad es. 1,2 K/W per un dispositivo da 10 W). Tuttavia, a differenza dei prodotti CoB il calore non è ancora nel core metallico del circuito stampato, deve ancora attraversare il dielettrico. Pertanto, deve essere considerata anche la resistenza termica addizionale del dielettrico. Ovviamente questa dipende dal tipo di materiale utilizzato per il pcb. Considerando una media il valore è di circa 1,3 K/W, il che rende la resistenza termica totale leggermente superiore a quella dei CoB. Utilizzando una corretta progettazione del circuito stampato non ci dovrebbe essere bisogno di ulteriore isolamento elettrico rispetto al dissipatore di calore.

In questo caso il circuito stampato dovrebbe sopportare facilmente parecchie migliaia di volt, come richiesto dai test di certificazione secondo le norme IEC 61347 o UL 1310. Per i dispositivi da 10 W sopra menzionati, le nostre simulazioni termiche hanno mostrato un aumento nella temperatura di giunzione tipica del dissipatore di calore di 29 K rispetto a 21 K di un CoB (vedere figura 1).

Per quanto riguarda l’ottica e il colore del LED CAS, alcuni aspetti interessanti sono venuti alla luce. Come i LED CoB, le matrici di chip con package SMD della prima generazione erano caratterizzate da una superficie di emissione della luce circolare (LES), così non c’era molto di cui preoccuparsi in termini di progettazione ottica. Per un dispositivo 5050 il diametro tipico è di 4,6 mm e l’emissione da 300 a 500 lm. Tuttavia, poiché i package sono quadrati si è scoperto che l’efficacia può essere notevolmente aumentata se la superficie di emissione della luce è anch’essa quadrata. Questo si traduce in un aumento del diametro effettivo fino a 5,7 mm. Non è un dato molto significativo se non per l’impatto sulla progettazione ottica. Rispetto ai LED CoB con la stessa classe di potenza, il diametro dei LED CAS è ancora piuttosto piccolo (da 6 a 10 mm).

Un altro aspetto importante da considerare è la consistenza del colore: poiché il CAS sarà probabilmente l’unica fonte di luce del prodotto finale, il color binning deve essere effettuato con cautela per evitare spiacevoli variazioni di colore da lampada a lampada. Purtroppo, a causa dei processi di produzione coinvolti, nessun produttore può ottenere una distribuzione al di sotto di 3 step MacAdam, come nel caso standard dei CoB. Dovrebbe essere fatta una corretta valutazione per vedere se una variazione di colore maggiore possa essere accettata o meno in un progetto o lotti più rigorosi debbano essere acquistati a prezzo extra.

Una delle principali preoccupazioni con il nuovo package è la robustezza. È sufficiente per le applicazioni previste?

Poiché la maggior parte dei progetti disponibili sul mercato contengono argento tenero nel leadframe e materie plastiche nel supporto, questi timori vanno presi sul serio. Di seguito diamo uno sguardo a diversi materiali nel package CAS: Chip e fosforo: il chip di emissione nonché le resine siliconiche riempite di fosforo responsabili della conversione della luce sono gli stessi di quelli utilizzati in altri tipi di LED. Così non c’è da aspettarsi alcuna riduzione né miglioramento in questa sezione.

Leadframe: si considera leadframe sia la struttura meccanica di supporto, sia il contatto termico ed elettrico con la scheda. Come nei CoB, il leadframe di LED CAS serve anche come specchio per aiutare a emettere la luce dal package. Pertanto necessita di avere eccellenti proprietà riflettenti e dovrebbe essere tipicamente rivestito in argento. Però la presenza di gas corrosivi (specialmente acido solforico) porta a un invecchiamento accelerato che riduce la luminosità dei chip. Se i LED CoB o CAS sono utilizzati in ambienti difficili, Osram Opto Semiconductors raccomanda una schermatura adeguata contro tali sostanze.

Materiale dell’alloggiamento: la maggior parte delle preoccupazioni con i LED di media potenza e gli array di chip LED SMD riguardano l’invecchiamento dei materiali plastici ad alte temperature e a intensi livelli di luce. In effetti, i primi package in poliftalammide (PPA) sono stati limitati da questo effetti. Tuttavia, una corretta progettazione potrà limitare l’esposizione del materiale che costituisce il package alla luce blu. Anche questo materiale può avere una vita lunga come ha recentemente dimostrato Osram Opto Semiconductors nel progetto di un di tunnel a Shanghai1.

Poiché in grandi package la superficie della plastica esposta alla luce può essere minimizzata in relazione allo specchio o alla superfice del leadframe, l’invecchiamento del package può essere ridotto al minimo. Se vengono utilizzate resine epossidiche di ultima generazione, i package possono avere una vita in grado di superare i test LM-80, sufficiente per la maggior parte delle applicazioni (vedere la figura 2).

Quale design CAS è più adatto alla mia applicazione?

Come menzionato sopra, i clienti possono scegliere tra i LED CAS con base su leadframe e quelli con base ceramica. Utilizzando la ceramica, la resistenza termica del package sarà maggiore rispetto al leadframe in rame. Tuttavia, a causa della migliore robustezza intrinseca di questo tipo di package, sono possibili temperature di trasmissione più elevate – a scapito di una certa efficacia. Una decisione dovrebbe pertanto essere presa caso per caso sulla base di comparazioni di sistema scegliendo quale materiale sia il migliore per ottenere i valori richiesti in termini di efficacia, costi e vita del prodotto.

In applicazioni retrofit per i consumatori le soluzioni come lampade o dispositivi d’illuminazione devono sopportare diversi cicli on-off al giorno. Questo è il motivo per cui la stabilità della temperatura del ciclo è critica in queste applicazioni. Nei casi in cui la differenza di espansione termica tra il leadframe di rame e il core di alluminio della scheda sia minima, si consiglia di utilizzare LED CAS con leadframe per le applicazioni in cui sono attesi cicli frequenti e/o con alte temperature. La sollecitazione sui giunti di saldatura è tanto maggiore quanto più il dispositivo diventa più grande. La figura 3 mostra il numero di cicli necessari prima che si verifichino guasti rilevabili nei giunti di saldatura come effetto della differenza di temperatura. In questo grafico sono indicati i valori del package ceramico di un 3030 a nitruro di alluminio, oltre ai risultati ottenuti utilizzando il modello Coffin-Manson per un ciclo di temperatura di 30 minuti.

Figura 3: primo guasto nei giunti di saldatura rilevabile grazie a un improvviso aumento di tensione. Il numero di cicli di temperatura dipende dalla differenza di temperatura.

Caso pratico: LED CAS utilizzati in soluzioni di illuminazione

Sia le lampade retrofit direzionali, sia quelle omnidirezionali possono trarre vantaggio dall’utilizzo di Array di chip LED SMD.
Nelle lampade con bulbo A e in quelle a candelabro, i LED CAS possono sostituire un numero di LED più piccoli di media potenza a un prezzo paragonabile. Questo consente di utilizzare un “filamento virtuale” in una gamma maggiore di classi di potenza rispetto a quello attuale.

Nei retrofit tipo MR 16, i LED CAS offrono una soluzione conveniente per lampade a singola sorgente con aspetto di lampada alogena, eliminando il famigerato effetto “multi ombre”. Tuttavia, il design dell’ottica qui è complesso. Secondo le regole di base dell’ottica, le dimensioni di una lente su una sorgente più grande deve essere proporzionalmente maggiore rispetto a quella di una piccola sorgente. Visto che è necessaria una sola lente invece di tre o quattro, i diametri delle ottiche possono essere comparabili (vedere figura 4). D’altro canto, la lente maggiore richiede una quantità superiore di spazio prezioso all’interno del corpo dell’MR16.

Nel complesso il numero di chip in un CAS è simile a quello utilizzato nei progetti esistenti, quindi la tensione e i requisiti di alimentazione sono compatibili con i driver odierni. Diversi LED CAS sono disponibili in varie classi di potenza, così è possibile realizzare tutte le tipiche lampade retrofit. Ma vi è un ulteriore fattore spesso trascurato nel design retrofit: quando si passa alla produzione di massa, i costi di montaggio costituiscono una parte significativa del costo totale del prodotto. L’assemblaggio automatizzato dovrebbe sempre essere utilizzato laddove possibile. Oggi sempre più retrofit sono progettati con connettori SMD su scheda LED e questo aumenta un po’ il costo dei materiali, ma permette un notevole risparmio e affidabilità dal punto di vista del montaggio.

Questa è la ragione principale per cui è altamente probabile che, in tutte le applicazioni che richiedono grandi volumi, il package SMD prevarrà sull’assemblaggio semi automatico dei LED CoB.

LED CAS in lampade downlight professionali

Le lampade professionali per l’illuminazione verso il basso (da 6 a 8 pollici) utilizzate negli uffici e negozi sono spesso basate su LED CoB perché una singola sorgente di luce al centro della lampada offre un certo grado di controllo della luminosità. Inoltre mantiene il look and feel di una lampada alogena o HID, particolare trascurato nelle lampade fluorescenti degli ultimi decenni.

Tuttavia, i livelli di luminosità di 2.000 e 3.000 lm sono ancora troppo elevati per essere ottenuti con un singolo LED CAS. Come possono essere ridotti i costi in questo caso? La risposta è un grappolo di LED CAS. Le dimensioni di una matrice 2×2 di LED 7070 sono ancora inferiori rispetto a quelle di un CoB con un LES di 22 mm (diametro).

Dopo l’adozione del layout pcb, il CoB precedentemente utilizzato può essere semplicemente sostituito senza altre modifiche al design. Questo porta ad avere un output maggiore o una migliore efficacia rispetto al CoB. Progetti simili possono essere prodotti con LED CAS 5050 o CoB con un LES di 14,5 mm. Lo spazio tra i singoli LED è così piccolo che non vi è praticamente alcuna differenza rispetto a un “vero” CoB. Ulteriori vantaggi possono essere ottenuti quando il pcb non viene utilizzato solo per fornire un’interfaccia termica.

Ad esempio fusibili termici, parti del driver o l’elettronica di controllo possono essere inclusi nel circuito stampato del LED. Fori di montaggio possono essere posizionati dal produttore e non si deve “subire” il posizionamento di chi ha realizzato il CoB. Connettori poke-in sono inoltre disponibili e possono essere assemblati direttamente insieme con il LED, così non è necessaria alcuna ulteriore saldatura manuale o sistema di fissaggio.

In sintesi, uno studio dettagliato mostra che i LED CAS presentano alcuni inconvenienti che devono essere presi in considerazione, come la resistenza termica addizionale, a seconda del materiale utilizzato per il pcb, o il color binning, che deve essere eseguito con cautela per evitare spiacevoli variazioni di colore da lampada a lampada.

Tuttavia, i vantaggi superano nettamente gli svantaggi. Ci sono diversi benefici con questo nuovo tipo di LED, in particolare i piccoli LES e il notevole vantaggio in termini di costo rispetto ai CoB. Ma il motivo principale per l’utilizzo di LED CAS è l’assemblaggio più semplice che li farà prevalere rispetto ai LED CoB con assemblaggio semi-automatico in tutte le applicazioni con elevati volumi di produzione. Fino a quando questo avverrà, i produttori devono conoscere le prestazioni termiche, la durata e la consistenza del colore per scegliere facilmente il tipo di LED più adatto alla propria applicazione.

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L’autore

Ralph Bertram ha conseguito il dottorato di ricerca in fisica nell’Università di Bonn nel 2004 con una tesi sui filtri polimerici e i modulatori di telecomunicazione ottica. Nel 2005 è entrato in OSRAM come sviluppatore di sistemi ottici. Come ingegnere di sviluppo e Systems Engineer, ha lavorato nella retroilluminazione a LED, nei retrofit, nei  moduli LED, e su molte altre applicazioni LED. Tra il 2010 e il 2013, è stato membro dello Zhaga Consortium essendo Work Group Chair ed editore del Zhaga Book 3 sullo Spot Light Engine da 50 mm. Nel 2013, si è trasferito nella sezione Application Engineering for general lighting LED. Dal 2014, è leader del team System Expert di Osram Opto Semiconductors (Malaysia) Sdn. Bhd.

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