Мощные светодиоды: конструкция, особенности, перспективы

С появлением в середине 90-х годов первых образцов светодиодов белого свечения появилась возможность использовать такие твердотельные излучающие приборы в качестве источников освещения. Но для этого потребовалось увеличить их силу света, которая, как известно, линейно зависит от тока, текущего через р-n переход. Необходимость увеличения прямого тока повлекла за собой увеличение мощности рассеяния на кристалле.

Если рассеиваемая мощность прежних светодиодов равна примерно 50... 100 мВт, то у новых, главным образом, белого свечения, пригодных для освещения, она поднялась до 1 Вт и выше. Приборы этого нового класса, предназначенные в основном для освещения помещений или особо яркой подсветки различных объектов, стали называть мощными светодиодами (High Power LEDs).
Принципиально существуют три способа получения белого света от светодиодной структуры. Во-первых, возможно смешать излучение трёх светодио-дов: "красного", "зелёного" и "синего", что в суммарном потоке даст свет, близкий к белому. Во-вторых, если светодиодную структуру на основе GaAIN, генерирующую ультрафиолетовое излучение, покрыть тремя слоями люминофора, излучающими красный, зелёный и синий свет, то исходный УФ поток, пройдя через указанные три люминофорных слоя, вызовет на выходе белый свет.
И, наконец, третий, технологически наиболее простой способ состоит в следующем. Кристалл светодиода сине-голубого свечения обволакивают таким люминофором, который при исходном его облучении даёт жёлто-зелёное излучение. Результирующий поток от этих двух источников воспринимается как белый свет. Третий способ в настоящее время является основным для производства "белых" светодиодов.
Типовая конструкция современного мощного светодиода белого свечения (рис. 1) состоит из металлического или металлокерамического основания, на котором монтируют кристалл площадью 1,4 x 1,4 мм, вырезанный из полупроводниковой гетероструктуры AlGalnN, полученной методом газовой эпитаксии из металлоорганического соединения. Кристалл, излучающий синий свет, покрывают смесью люминофоров, дающей при облучении широкий жёлто-зелёный спектр излучения. При пропускании через кристалл тока суммарный поток от кристалла и люминофора становится близким к белому свету.
Чтобы приплюсовать боковое излучение кристалла к основному потоку, используют накладной отражатель (рефлектор). Пространство над кристаллом герметизируют заливкой прозрачной силиконовой смолы. Для выведения и фокусировки излучённого потока света формируют полимерный купол полусферической формы или устанавливают стеклянную линзу. Для создания светодиода с предельно большим углом излучения в полимерный корпус встраивают металлический отражатель конической формы (специалисты иногда называют его "вогнутой линзой").
Современная технология пока не позволяет изготовлять приборы со строго заданными цветовыми параметрами потока излучения. Обязательно есть некоторый разброс цветности, даже среди приборов, изготовляемых в едином технологическом цикле. Готовые светодио-ды белого свечения при номинальном токе в зависимости от конкретного экземпляра излучают холодно-белый, нейтральный или тёпло-белый свет с тем или иным промежуточным оттенком.
Степень белизны света можно выразить через температуру дающего такой же свет абсолютно чёрного тела в градусах Кельвина. Поскольку для ряда применений требуются приборы с идентичными цветовыми характеристиками, большинство производителей выполняют сортировку изготовленных светодиодов, разделяя их на группы и присваивая каждой из них индекс, который входит в буквенно-цифровое обозначение прибора.
На рис. 2 показан фрагмент цветового графика в координатах х, у, в котором область белого цвета разбита на восемь четырёхугольников с указанием цветовой температуры для каждого из них. Предполагается, что различие оттенков белого цвета в пределах любого четырёхугольника человеческий глаз увидеть не способен.
В соответствии с установленным Стандартом Международной комиссии по освещению оси х и у цветового графика проградуированы условными безразмерными значениями, называемыми координатами цветности. Производители светодиодов обычно указывают цвет свечения прибора либо через цветовую температуру (Тцв), либо через координаты цветности (х, у). Так, например, если цвет свечения имеет координаты х=0,31; у=0,32, то по цветовому графику, показанному на рис. 3, легко определить, что этот прибор излучает белый свет с холодным (синим) оттенком.

Рис. 3 Цветовой график

Повышение рассеиваемой мощности светодиода и, как следствие, увеличение температуры его кристалла вызывают серьёзные проблемы, такие, например, как резкое нарастание де-градационных процессов в полупроводниковой структуре и в люминофоре, приводящие к сокращению срока службы прибора. Типовой график зависимости срока службы мощного светодиода от температуры кристалла представлен на рис. 4. Поэтому очень важно обеспечить эффективное отведение тепла.
Для этого чаще всего основание с кристаллом припаивают к медному или алюминиевому теплоотводящему фланцу, а готовый прибор крепят к внешнему теплоотводу. Как правило, мощный све-тодиод монтируют на печатной плате с алюминиевой подложкой. Всё это создаёт приемлемые условия для вывода теплового потока от кристалла через теплоотвод и печатную плату в окружающую среду.
Тем не менее прямой ток светодиода не удаётся увеличивать сверх определённого предела. В настоящее время для мощных светодиодов ток 350 мА считают оптимальным, а 700 мА — предельным. Попытки создавать светодио-ды с рабочим током 1 А и выше признаны нецелесообразными.
К источнику питания мощные свето-диоды подключают либо наружными проволочными выводами, либо через контактные площадки, сформированные на основании корпуса. Монтаж показанного на рис. 1 светодиода выполняют путём точной установки его на плате, на которую в нужных местах нанесена паяльная паста с припоем, закрепления клеем с высокой теплопроводностью и последующего нагревания до температуры плавления припоя.
Кроме светодиодов белого свечения, в настоящее время идёт разработка и серийный выпуск цветных мощных светодиодов: красного, оранжевого, янтарного, зелёного и синего цветов. Основными материалами для их изготовления служат кристаллы состава AIGalnP для "красных" и "янтарных" и InGaN — для "зелёных" и "синих" приборов.
Цветные мощные светодиоды используют там, где требуется насыщенное цветное освещение или интенсивная подсветка с оперативным управлением яркостью. Их основное назначение: студийное и наружное светотехническое оборудование, архитектурно-декоративная подсветка, рекламные установки.
Специалисты по маркетингу мощных светодиодов называют обычно три ведущих и конкурирующих между собой компании: Nichia, Cree, Lumileds Lighting. Все технологические и конструктивные новинки рождаются именно здесь. Эта тройка тянет за собой армию рассеянных по всему миру производителей мощных светоизлучающих приборов. В числе этих предприятий отметим и Российские ЗАО "Протон", ООО НПЦ ОЭП Оптэл и новую, но многообещающую Компанию "Оптоган" в Санкт-Петербурге. Следует отдельно назвать и такие зарубежные фирмы, как Seoul Semiconductor и Prolight Opto, чья продукция выигрышнее по стоимости, а также High Power Lighting, всё производство которой полностью нацелено на разработку и изготовление мощных светодиодов.
Мощные светодиоды в настоящее время — один из самых востребованных классов светоизлучающих приборов. Новые разработки показывают быстрый рост характеристик как световых, так и надёжностных, важнейшая из которых — срок службы.
Ведущим зарубежным фирмам технологическими средствами удаётся замедлить деградацию полупроводниковых структур светодиодов до таких значений, что срок службы серийных приборов достигает уже 50000 ч. Однако эти технологии остаются пока коммерческой тайной. Российским производителям пока приходится пользоваться поступающими на наш рынок кристаллами со сроком службы в основном не более 10...20 тыс. ч.
По мере улучшения характеристик и снижения стоимости приборов область применения мощных светодиодов будет непрерывно расширяться. Пока их основное назначение — это садово-архи-тектурная подсветка, подсветка крупных жидкокристаллических мониторов и телевизионных экранов, автомобильное освещение, использование в мобильной технике, аварийное и местное освещение и — пока ограниченно — освещение уличное.
В настоящее время мощные свето-диоды выпускают в металлопластмассовых или металлокерамических корпусах с полимерной или стеклянной линзой. Так как готовые приборы предназначены для размещения на печатных платах, а затем для установки в светильники, то почти все они изготовлены в корпусах, приспособленных для поверхностного монтажа — в круглых, квадратных и прямоугольных, с тонким металлическим теплоотводящим фланцем или без него.

А. ЮШИН, г. Москва (Радио, №2 2012г)