LED sempre più luminosi con la CSP

Per meglio comprendere l'efficienza dei LED CSP, è senz'altro utile ripercorrere l'evoluzione delle tecnologie di packaging dei LED. Inventati negli anni '60, i primi LED erano ospitati in package DIP (Dual-In-Line). Formati da un chip emettitore racchiuso in una capsula plastica da cui uscivano due lunghi terminali, questi semplici dispositivi optoelettronici sono stati utilizzati per molti decenni e, grazie alla semplicità d'uso e alla lunga durata, sono ancora oggi impiegati nei segnali stradali e per l'elettronica "fai da te". Poiché i LED in package DIP erano sicuramente ingombranti, sorgeva la necessità di apportare qualche modifica. I dispositivi a montaggio superficiale (SMD - Surface Mounted Devices) sono sprovvisti dei lunghi pin caratteristici dei dispositivi a fori passanti come appunto i LED DIP. I LED SMD vengono posti direttamente sulla scheda PCB e quindi saldati per fornire una connessione di tipo fisico ed elettrico. L'approccio che prevede il montaggio in superficie apporta numerosi benefici ai LED. Grazie all'eliminazione del package plastico, ingombrante e termicamente isolante, e alla maggior vicinanza alla scheda PCB, i LED SMD sono caratterizzati da una dissipazione termica nettamente migliore rispetto agli analoghi componenti in package DIP.

Per questo motivo i LED SMD possono essere pilotati con correnti più elevate (producendo quindi una maggiore luminosità) garantendo comunque una lunga durata operativa. Mentre la lunghezza dei LED DIP è di parecchi centimetri a causa della presenza dei terminali per la connessione a fori passanti, i LED SMD possono avere dimensioni pari a solo 1 mm2. La compattezza dimensionale di questi LED SMD ha consentito l'integrazione di più LED in spazi molto ristretti, in modo da creare, almeno approssimativamente, una sorgente puntiforme. Ciò significa che le prestazioni degli apparecchi di illuminazione possono essere adattate alle particolari esigenze scegliendo tipo e quantità di LED da utilizzare.

Tecnologia CoB LED

Anche se i LED SMD hanno rappresentato un notevole miglioramento rispetto ai LED DIP in termini di dimensioni, densità ed efficienza, non rappresentavano ancora la soluzione ideale. Ospitati in package singoli, i LED SMD necessitano di una certa quantità di lavoro per la loro installazione in un apparecchio di illuminazione. Ciascun LED SMD richiede le proprie connessioni di saldatura sulla scheda e ha un proprio circuito. L'uniformità del colore tra i singoli LED SMD presenti in un apparecchio di illuminazione può rappresentare un problema. I LED CoB sono un'ulteriore evoluzione il cui obbiettivo è risolvere i problemi appena sopra esposti. Invece di avere LED SMD ciascuno dei quali ospitato nel proprio package che devono essere poi integrati uno per uno sulla scheda PCB, i LED CoB prevedono numerosi LED integrati in un singolo modulo (provvisto di package) che viene installato e pilotato come una singola unità.

Ciascun LED CoB è formato da un gran numero di piccoli chip LED, dell'ordine delle decine o addirittura delle centinaia. Questi chip sono collegati direttamente al substrato e ricoperti solitamente con uno strato di fosforo, creando in tal modo una sorgente luminosa singola invece di più sorgenti puntiformi come accade quando si utilizzano LED SMD. Poiché i chip presenti su un CoB sono raggruppati per colore (colour binned), il colore dell'illuminazione è più uniforme rispetto al caso in cui si faccia ricorso a più LED SMD. A causa del fatto che i chip sono montati direttamente sul substrato e non separati da un package aggiuntivo, la dissipazione del calore sarà migliore. Non va comunque dimenticato il fatto che i LED CoB possono generare una quantità significativa di calore poichè spesso prevedono la presenza di più LED che operano in un'area di dimensioni più piccole. In funzione dell'applicazione può essere quindi richiesta la presenza di dissipatori di calore.

I LED CoB semplificano notevolmente il progetto e la produzione di sistemi di illuminazione a LED poiché i singoli LED non devono essere saldati e pilotati attraverso una scheda PCB custom. Un LED CoB viene pilotato come un modulo completo. Spesso per la realizzazione di un apparecchio di illuminazione sono necessari il LED CoB, il circuito di pilotaggio (driver) per LED, il dissipatore di calore, l'alloggiamento e le lenti. Quindi non sono più richiesti i forni per la saldatura a riflusso e le competenze nella produzione di schede PCB. Tutto ciò significa che i LED CoB sono in grado di fornire un'illuminazione efficiente, a basso costo e distribuita in modo uniforme nelle applicazioni che solitamente richiedevano l'uso di più LED SMD.

Tecnologia flip chip

Con il termine flip chip si fa riferimento a una nuova tecnica di packaging che permette di migliorare l'efficienza termica e le prestazioni ottiche dei LED CoB. In un tradizionale LED CoB, il chip LED è attaccato al substrato mediante una resina epossidica con gli elettrodi sulla parte superiore. Questi elettrodi sono poi collegati tramite fili (wire bonded) al substrato. Con il lato che emette luce in prossimità della parte inferiore e le connessioni elettriche su quella superiore, sia le prestazioni di illuminazione sia la dissipazione del calore risultano penalizzate poiché i fili creano ombra mentre il collegamento mediante resina epossidica tra il chip LED e il substrato rappresenta un ostacolo per la conducibilità termica. In un LED che utilizza la tecnologia flip chip lo strato che emette luce è posizionato in modo tale da ottimizzare l'uscita luminosa. Gli elettrodi, invece di essere sulla parte superiore, sono posizionati su quella inferiore e saldati direttamente al substrato, eliminando il ricorso ai fili di collegamento (e le relative ombre). Poiché non è più necessario il ricorso allo strato di resina epossidica, il LED è caratterizzato da un'interfaccia termica migliore con il substrato per dissipazione di calore elevate.

L'eliminazione della resina epossidica e dei fili per realizzare il collegamento si traduce in una riduzione dei costi e in un miglioramento a livello sia di processo di fabbricazione (con rese maggiori) sia di affidabilità di funzionamento dei LED flip chip: il numero delle fasi di lavorazione è inferiore, sono richiesti meno materiali e il prodotto finito è più resistente alle sollecitazioni e alle vibrazioni. Inoltre, grazie al miglioramento delle prestazioni termiche, i LED CoB in tecnologia flip chip risultano persino più efficienti dei LED CoB tradizionali.

LED CSP

L'obiettivo dei LED CSP è ridurre ulteriormente le dimensioni del package dei LED. Un chip LED è ottenuto sfruttando il consueto procedimento del taglio del wafer seguito dalla fase di packaging. Nel caso dei LED CSP il packaging viene effettuato a livello di wafer, ancora prima che di procedere al taglio del chip dal wafer. Poichè il packaging dell'emettitore LED è effettuato a livello di wafer, il LED finito ha praticamente le medesime dimensioni del chip stesso. Le piazzole (pad) di interconnessione sono realizzate in modo da avere il passo standard utilizzato per altri emettitori SMD. La minimizzazione delle dimensioni del LED comporta numerosi vantaggi: riduzione delle spese di fabbricazione, incremento delle prestazioni ottiche, miglioramento della conducibilità termica e diminuzione dell'ingombro complessivo del LED.

Quando vengono utilizzati al posto dei tradizionali LED SMD, i LED CSP sono caratterizzati da una superficie illuminante maggiore a parità di area della scheda PCB. Le prestazioni operative sono migliori poichè la luce è emessa da cinque lati del chip e non solo dalla superficie superiore. Il package minimale consente di aumentare la conducibilità termica di questi dispositivi. Grazie alla minor resistenza termica i LED CSP possono essere pilotati con correnti di maggiore intensità rispetto ai LED ospitati in altri tipi di package, con conseguente aumento delle prestazioni di illuminazione senza alcun impatto negativo sulla durata operativa. (Fig. 3)

Il futuro dell'illuminazione a LED

Il futuro dell'illuminazione a LED appare decisamente luminoso. L'avvento della tecnologia LED CoB ha contribuito a ridurre sensibilmente i costi per la realizzazione di soluzioni di illuminazione a LED moderne ed efficienti dal punto di vista energetico. Grazie all'integrazione di un gran numero di LED su una singola scheda, i LED CoB forniscono una soluzione per l'illuminazione a LED non solo efficiente in termini energetici, ma anche semplice da integrare. L'incremento di prestazioni dell'illuminazione a LED non dà segni di rallentamento grazie all'introduzione di nuove tecnologie come flip chip e CSP che fissano nuovi traguardi in termini di efficienza energetica e qualità dell'illuminazione a fronte di una riduzione dei costi resa possibile dalla minimizzazione del package.

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