Преимущества технологии Chip On Board

Появление на рынке

В полупроводниковой светотехнике до 2009 года было только одно направление – повышение мощности свечения диода. Это направление носит название Power LED, что в переводе означает «мощные светодиоды». Ученые смогли изобрести лампу, мощность которой достигала до 10 Вт. Но большим спросом, как правило, пользовались излучатели мощностью от 1 до 6 Вт.

Начиная с 2009 года, на рынке появляются SMD-диоды. Такая технология означает то, что устройство крепится на поверхность с помощью пайки, а каждый диод порывается слоем люминофора. Такие светильники маломощные и создают рассеиваемый свет за счет большого количества диодов (до семисот штук).

Следующим шагом в развитии стала технология СОВ, которая расшифровывается как «многочисленные кристаллы на плате». Суть Chip On Board заключается в том, что на плату кристаллы крепятся без корпуса и без подложек из керамики. Затем все кристаллы покрываются равномерным слоем люминофора. За счет этого лампа будет светить равномерно. Такая конструкция позволила существенно снизить стоимость на светодиоды.

Устройство COB-светодиодов демонстрируется на картинке:

Технология изготовления

Преимущества СОВ перед SMD состоит в том, что на один квадратный сантиметр размещается всего лишь 70 кристаллов. А это означает, что размеры светильника значительно уменьшены, но при этом ярость остается неизменной.

Chip On Board матрицы изготавливаются по определенной технологии, которая включает такие этапы:

подложка покрывается специальным клеевым составом, который обеспечивает адгезионные качества;
установка на подложку кристаллов;
затвердение слоя клея, который выполняет защитную функцию;
чистка матрицы от загрязнения при помощи плазменной технологии;
пайка платы и контактов кристаллов между собой;
покрытие люминофором, который смешивается с силиконом (последний необходим для герметизации кристаллов).

Самый сложный этап в данной технологии — равномерное нанесение очень тонкого слоя адгезионного материала. Для того чтобы кристаллы закрепились на подложке необходимо нанести тонкий слой клея, только он должен быть установленной толщины. Если этот слой будет тонким, то в ходе использования кристаллы отпадут. В случае если слой толстый – недостаточный контакт между подложкой и элементом (тепловая отдача уменьшается).

Вопрос решился китайскими учеными, которые предложили метод, с помощью которого адгезионный слой наносится равномерно, тем самым улучшая тепловой контакт. Этот метод носит название магнетронное распыление. Усовершенствованные матрицы называются теперь Multi Chip On Board. На сегодня практически все светодиоды СОВ-матрицы изготавливаются по этой технологии, тем самым создавая лампы высоких мощностей.

Характеристики и параметры светодиодов

Применение современных технологических процессов позволяет изготовлять светильники, в которых используется матрица СОВ, с мощностью до 100 Вт. А светоотдача при этом достигает 150 Лм/Вт. Типичная матрица Chip On Board имеет две формы: круглую и квадратную. Ее размеры (диаметр и сторона соответственно) колеблется от 1 до 3 см.

Но бывают светодиоды Chip On Board и больших размеров. Производители матрицы СОВ дают срок службы изделия до 30 000 часов, а более мощные светодиоды способны работать до 50 000 часов.

Такие показатели привели некоторых специалистов к мысли, что Chip On Board обладает низкой надежностью. Эти цифры о сроке службы изделия получены в ходе математических исследований. Светодиоды испытывались при экстремальных условиях, и результат принес следующие значения: при непрерывном режиме, устройство способно проработать до шести лет. За такое длительное время появятся другие более мощные и лучше модели изделия.

Но следует помнить о том, что все производители элементов освещения на основе матрицы Chip On Board дают гарантийный срок до 20 000 рабочих часов. Если за это время что-то произойдет, то они готовы осуществить бесплатный ремонт.

Конечно, СОВ-матрицы имеют и недостатки, но они не столь существенны по сравнению с достоинствами. Светильники с такой матрицей стоят дороже чем обычные, но если посчитать расход электроэнергии, то очевидно, что светодиодные лампы более выгодные.

Напоследок рекомендуем просмотреть видео, на котором наглядно демонстрируются лампы с COB-светодиодами:

Вот мы и рассмотрели Chip On Board светодиоды, их преимущества, характеристики и конструкцию. Надеемся, предоставленная статья была для вас полезной и интересной!

Наверняка вы не знаете:

Несколько слов о COB-светодиодах, их отличия и особенности

Обычный светоизлучающий диод представляет собой полупроводниковое устройство, способное формировать оптическое излучение в момент, когда через него пропускается электрический ток. С другой стороны, светодиоды, выполненные по технологии COB (Chip On Board), появились значительно позже, но уже успели зарекомендовать себя, как надёжные устройства, пригодные для использования в различных осветительных приборах.

Когда были созданы мощные светодиоды SMD (Surface Mounting Device), приобрёл актуальность вопрос наращивания их светоотдачи с возможностью выработки рассеянного света. В процессе совершенствования светодиодов появилась концепция, в рамках которой предлагалось размещать на плату в едином корпусе несколько кристаллов. Дальнейшая деятельность разработчиков была связана с уменьшением размера кристаллов, а не с попытками увеличения их мощности.

В результате таких экспериментов исследователям и удалось получить COB-светодиод, имеющий одно основание, на плоскости которого размещено несколько маленьких чипов. Что касается используемой печатной платы, то в её основе имеется металлизированный слой. В целом же, печатная плата имеет три слоя:

металлизированное основание,
диэлектрическую прослойку,
токопроводящий слой.

Стоит отметить, что основание изготавливают из металла с хорошим показателем теплопроводности. Это говорит о том, что данный слой, помимо основной функции, выполняет роль радиатора, т.е. рассеивает вырабатываемое в процессе функционирования устройства тепло.

Кратко о производстве COB-светодиодов

Для объединения светодиодов с платой используется адгезив, после чего они соединяются между собой. В завершающей стадии изделие покрывается слоем люминофора. Такой подход позволяет производить COB-матрицы, формирующие луч рассеянного равномерного света без необходимости включения в конструкцию иных оптических изделий. Кроме того, технология делает возможным создание матриц практически любой формы по достаточно невысокой стоимости, что также немаловажно для производителей.

Если рассматривать процесс подготовки COB-матрицы подробнее, то он начинается с нанесения тонкого слоя адгезива, делающего возможным соединение светодиодов за счёт поверхностного сцепления с основанием. Стоит отметить, что слой должен быть нанесён таким образом, чтобы обеспечить надёжное соединение LED-кристаллов и равномерный отвод тепловой энергии. Добиться этого удалось за счёт внедрения технологии магнетронного распыления, которая помогла получить первые экземпляры плат Multi Chip On Board, т.е. с многочисленными кристаллами на едином основании.

В дальнейшем на поверхности основы устанавливаются чипы, а затем поверхность подвергается очистке от любых посторонних частиц. На следующем этапе осуществляется электрическое соединение светодиодов, после чего остаётся лишь нанести люминофор.

Достоинства и недостатки COB-матриц

Что касается сильных сторон COB-матриц, то в первую очередь следует сказать о высокой универсальности. Производители могут создавать COB-матрицы любых размеров, дополняя их всеми необходимыми функциональными элементами. Это означает, что изделие такого типа может быть изготовлено для осветительного прибора любой формы. Кроме того, при необходимости можно с лёгкостью заменять элементы, вышедшие из строя в процессе эксплуатации.

Ещё одним плюсом является равномерный рассеянный свет, излучаемый COB-светодиодами. Благодаря этому предметы, освещаемые светильником или фонарём на COB-светодиодах, имеют выраженные светотеневые границы. Важно и то, что COB-матрицы имеют неплохие показатели светоотдачи. Так, в некоторых случаях эта характеристика достигает отметки в 165 лм/вт.

Главным недостатком COB-матриц является их непригодность к ремонту. Это означает, что при выгорании хотя бы одного чипа придётся осуществлять замену всей матрицы целиком.

В качестве примера фонаря на COB-светодиодах можно рассмотреть Focusray 1062, о котором мы рассказывали недавно. Он неплохо защищён от внешнего воздействия, выдаёт рассеянный равномерный свет и отлично подойдёт для освещения участка во время отдыха в загородном доме или на даче, места туристической стоянки в походе и т.д.

Подводя итог можно сказать, что COB-светодиоды выглядят весьма перспективно. Несмотря на то, что сейчас они не слишком распространены, в будущем, вероятно, ситуация изменится в их пользу. Даже если они не найдут широкого применения в фонариках, то уж наверняка отлично подойдут для уличного освещения, ламп и некоторых других осветительных приборов.

SamsPcbGuide, часть 14: Технологии — Микроразварка и технология Chip-On-Board

В этой самоизоляционной статье я расскажу о разварке проволочных микровыводов (англ. wire bonding). В контексте печатных плат речь пойдёт о технологии монтажа кристаллов на печатную плату (англ. chip-on-board, COB). Обязательно смотрите видео по ссылкам, микроразварка — это очень красиво!

Разварка обеспечивает электрическое соединение кристалла с выводами корпуса (при корпусировании микросхемы), либо напрямую с проводниками печатной платы (технология COB). Альтернативный способ электрического соединения – это перевёрнутый монтаж кристалла (англ. flip-chip), как в конструкции самого корпуса, так и непосредственно на печатную плату (рис. 1).

Монтаж с использованием микропроволочных выводов появился следом за первыми интегральными схемами в начале 1960-ых годов и успешно используется до сих пор. Перевёрнутый монтаж – это современная технология, возникшая в ответ на требования повышения количества выводов, увеличения быстродействия и снижения габаритов. Однако она имеет ряд конструкционных ограничений, связанных с обеспечением надёжности (подробно об этом я писал здесь), и является технологически более сложной.

В этой статье не будет подробно рассматриваться классификация и теория различных методов разварки – это очень объёмный материал, выходящий за рамки обсуждаемого вопроса. Дело в том, что за свою продолжительную историю технология присоединения микропроволочных выводов развивалась в направлениях повышения стабильности, надёжности, скорости процесса сборки, расширения возможностей оборудования по созданию сварочных петель сложной формы и высокой плотности монтажа (рис. 2). Разнообразие задач и отсутствие универсальной технологии привело в процессе поиска к разработке различных методов разварки. Рассмотрим кратко основные моменты. Несмотря на разнообразие методов, общим для всех принципом является то, что сварное соединение образуется в результате давления и нагрева контактирующих поверхностей до высокой температуры до образования межатомных соединений (чаще всего это интерметаллиды). В зависимости от метода нагрева разварка делится на следующие основные типы: термокомпрессионная (внешний нагрев), ульразвуковая (трение при ультразвуковом импульсе), термозвуковая (сочетание внешнего нагрева и ультразвукового импульса) и контактная (импульсный нагрев при протекании электрического тока) сварки. Основные материалы микропроволочных выводов – алюминий, золото, медь. Медь используют вместо золота для снижения стоимости, но она более жёсткая, а также быстро окисляется на воздухе, что осложняет процесс сварки, и требует более сложного оборудования, создающего в зоне разварки инертную среду (азот или формовочный газ). Высокая же проводимость меди является драйвером для замены алюминия в разварке силовых приборов, несмотря на более сложный техпроцесс.

Ось проволоки при разварке может быть ориентирована параллельно – это разварка типа «клин» (англ. wedge bond), или перпендикулярно – это разварка типа «шарик» (англ. ball bond) (рис. 3). У петли чаще всего две точки контакта, поэтому по типу сварочных точек методы разварки делятся на «шарик-клин» и «клин-клин». Наиболее распространены ультразвуковая сварка алюминиевой проволокой типа «клин-клин» (видео) и термозвуковая сварка золотой/медной проволокой типа «шарик-клин» (видео). В последнем случае для формирования шарика используется оплавление кончика проволоки искровым разрядом (видео), что только добавляет эпичности и красоты в процесс разварки. Для силовых приборов используются алюминиевые и золотые ленты (видео с шикарным звуковым сопровождением).

Ключевыми параметрами при ультразвуковой/термозвуковой разварке являются усилие сварки, мощность и продолжительность ультразвукового импульса. Их сочетание для заданной установки разварки, конкретной проволоки (диаметр, жесткость), конкретного разварочного инструмента, конкретных параметрах контактной площадки (размер, материал) должно обеспечивать повторяемость процесса разварки с гарантируемыми параметрами надёжности соединения. Напрямую контролируемыми параметрами являются внешний вид, усилие на отрыв (англ. pull test) и усилие на сдвиг (англ. shear test) (рис. 4), косвенно – сбои при термоциклировании и других испытаниях в составе изделия.

Подбор параметров является в некотором роде магической процедурой, но тут есть ряд рекомендаций. В целом, выполняется он методом научного тыкапоставноки эксперимента (англ. design of experiment, DOE), то есть последовательным перебором параметров в некотором диапазоне. Отталкиваться в этом поиске можно от опубликованных результатов по оптимизации параметров (например, статьи [1, 2]), от рекомендаций производителя оборудования и, конечно, от наработанного опыта. Далее выполняются тестовые разварки для каждого набора параметров с последующим контролем внешнего вида и усилий на отрыв/сдвиг. Для контроля внешнего вида вполне достаточно увеличения x100 с возможностью измерения линейных размеров (рис. 5), для измерения усилий на отрыв/сдвиг применяются специализированное оборудование (для лабораторных задач можно, например, использовать граммометр с крючком, а сдвиг выполнять вручную и исследовать форму разрушения на увеличениях x100…200 и более). Для оценки внешнего вида важно насмотреться на как можно большее количество микрофотографии красивых и некрасивых точек разварки (вот здесь и здесь, например, есть несколько хороших микрофотографий с описанием), потому что по моему опыту есть корреляция между красотой разварки и её качеством. Кроме того, с опытом появляется понимание того, как при наладке параметров их варьировать, чтобы получить требуемый результат (не хватает усилия при сварке или же слишком большая мощность), то есть перебор становится всё более осознанным и направленным. В своё время мне очень помогло прочтение статей с теорий формирования сварки и влияния параметров на её качество [3, 4]. И ещё вот этих не менее прекрасных статей [5, 6], где авторы (памятники таким ставить) исследовали формирование петли с помощью высокоскоростной камеры. А так, количество прочитанных статей добить до 100, количество разваренных и оторванных перемычек до 10000 и магии в этом процессе станет несколько меньше. Всё ещё очень от установки, конечно, зависит – я в упорной борьбе выжимал максимум из белорусского автомата ЭМ-4450.

Теперь вернёмся к печатным платам и некоторым особенностям их проектирования по технологии COB. Технология применяется для снижения стоимости или при микроминиаютиризации, создании многокристальных модулей и сборок (в частности, светодиодных). На рис. 6 приведено изображение из одной из презентаций Wurth Electronics по данной теме с рекомендациями по проектированию. Представленные ограничения на размеры могут служить в качестве ориентира, дополнительно рекомендуется использовать 3D-модель разварочного инструмента для проверки доступности всех КП во избежание проблем уже по факту. Важно обратить внимание, что в зоне разварки на печатной плате снята маска, чтобы не создавать помех рабочей плоскости разварочного инструмента. Зону под кристаллом лучше не использовать под трассировку, а разместить там монтажную площадку (как на рисунке), особенно если основание кристалла имеет потенциал или требуется монтаж на проводящий клей для повышения теплоотвода. Монтаж кристалла на маску возможен, особенно в случае дальнейшего компаундирования кристалла. Монтаж кристалла может также осуществляться в вырез в печатной плате (англ. pcb cavity) с расположением КП в том же топологическом слое или уровнем выше.

Следующий нюанс, касающийся трассировки, заключается в рекомендации ориентировать КП на печатной плате по направлению разварочных петель для золотой проволоки. Обоснованность её я понял только при написании программы разварки. Суть в том, что вторая точка варки образуется на краю капилляра (рис. 7), а при написании программы указывается его центр, что при больших углах приводит к необходимости учитывать это и смещать расположение точки в программе. Иными словами, так удобней, но это не является принципиальным ограничением, и удобство трассировки имеет более высокий приоритет.

По поводу финишного покрытия печатных плат в отрасли имеется консенсус: для разварки алюминиевой проволокой достаточно ENIG, для золотой проволоки – ENEPIG или гальваническое золото (рис. 8). Почему нельзя использовать более дешёвый и доступный ENIG для разварки золотой проволокой? Ответ, который удавалось найти, заключается в том, что дрейф никеля приводит к деградации сварного соединения со значительным снижением его надёжности. А в ENEPIG палладий служит барьерным слоем, который препятствует этому дрейфу. Для отладочных образцов использовать ENIG вполне допустимо, тем более что параметры разварки при прочих равных для этих покрытий близки. ENEPIG же прямо указывается как рекомендуемое покрытие во многих источниках, по нему приводятся данные по испытаниям на надёжность [7, 8].

Большое внимание также уделяется проблеме образования нежелательных интерметаллидов Au-Al («пурпурная чума» и другие страшные слова), которые возникают при разварке золотой проволокой на алюминиевые КП кристалла или алюминиевой проволокой на ENIG. Вопрос этот достаточно сложный и для полного его понимания необходимых знаний химии у меня, к сожалению, нет. Вывод такой, что разварка в системе Au-Al является потенциальным источником сбоев, особенно при высоких температурах, и должна тщательно испытываться на надёжность. Максимизация усилия на отрыв как одна из стратегий, так как прочность сварки и долговременная надёжность связаны (более тонкий интерметаллический слой с большей площадью покрытия).

Слабым местом разварки «шарик-клин» на ENEPIG из-за тонкого слоя золота является вторая точка сварки. Задача получения качественной разварки осложняется также загрязнением КП после этапа поверхностного монтажа компонентов на печатную плату. Существуют два метода повышения надёжности: с укреплением бампом после сварки (англ. security bump/ball, SB) и c предварительным бампированием (англ. ball stich on ball, BSOB, или stand-off stich, SOS) (рис. 9). Дополнительным параметром оптимизации в этих технологиях является смещение бампа относительно точки сварки [9, 10]. По собственному опыту могу сказать, что для COB себя хорошо показала BSOB. Кстати, BSOB хороша ещё тем, что позволяет ставить вторую точку сварки на кристалл (англ. reverse bonding) и осуществлять разварку между кристаллами напрямую в многокристальных сборках. Буду рад, если в комментариях поделитесь своим опытом применения SB/BSOB и ENIG/ENEPIG.

И напоследок практический совет, может быть, кому-то будет полезно. Разварочные капилляры (а они недешёвые и поставка долгая), бывает, наглухо забиваются золотом. В случае, когда канал невозможно прочистить даже нихромовой проволокой, инструмент всё ещё рано списывать. Поможет «царская водка» – и инструмент как новый.

Сейчас появилось свободное время, поэтому планирую дополнить в адаптированном виде этой и предыдущей публикацией очередной релиз полной версии #SamsPcbGuide! Решил сделать самоизоляционную противовирусную скидку на полную версию – #сидидомаичитай, так сказать. Постепенно начинаю работу над калькулятором #SamsPcbCalc. Также прошу написать в комментариях, какие темы из нераскрытых интересно было бы рассмотреть. И, как всегда, буду благодарен за конструктивную критику и обратную связь. Всем удачи, народ, здоровья родным-любимым и продуктивного карантина!

Описание светодиодов типа COB

Не так давно рынок стали заполнять LED-светильники, выполненные по технологии COB. Сразу после появления подобных изделий сведения о них стали приобретать характер мифов. Этот обзор — попытка отделить правду от вымысла и уловок маркетологов.

Что такое COB-светодиод

С тех пор, как появились SMD-светодиоды, инженерная мысль не стояла на месте. Разработчики многих производителей решали задачи уменьшения размеров осветительной аппаратуры, увеличения светоотдачи, упрощения и удешевления технологии монтажа, сборки и т.д. Сейчас трудно установить, кому первому пришла в голову идея не заключать каждый p-n переход в отдельный корпус, покрытый люминофором, а поместить несколько арсенид-галлиевых кристаллов в одну оболочку. Но первый образец такой продукции появился на рынке в 2003 году от фирмы Citizen Electronics.

Идея оказалась прорывной. Помимо решения упомянутых задач, появилась возможность сконцентрировать излучающие элементы на относительно малой площади и получить меньшее рассеяние света. Такая технология получила наименование COB – chip-on-board, «чип на плате». Возможно, более верным переводом была бы фраза «элемент на плате» или «кристалл на плате».

Долгое время выпуск матриц, изготовленных по такому принципу, сдерживала сложность наклейки светодиодов на подложку. Толщина клея должна быть строго выверена: уменьшение слоя ведет к снижению прочности крепления, увеличение – к снижению эффективности отведения тепла. В 2009 году эта проблема была решена и COB-технология начала свое триумфальное шествие по миру светотехники.

Модуль, произведенный по такому принципу, содержит матрицу из светодиодов без корпусов, размещенных на основании. За счет отсутствия оболочек удалось повысить плотность размещения излучающих элементов и увеличить яркость, снимаемую с единицы поверхности. В некоторых случаях светодиоды заливают прозрачным компаундом для прочности. Верхняя часть оболочки покрыта люминофором.

Печатная плата производится по обычной технологии, состоит из токопроводящих дорожек, расположенных на диэлектрической основе. Снизу приклеивается пластина из металла с высокой теплопроводностью, и изделие получает законченный вид.

Важно! В большинстве случаев штатного радиатора недостаточно для обеспечения нормальной рабочей температуры светодиодов. Необходимо использовать дополнительный внешний теплоотвод.

Типовые значения светового потока матриц с размером кристалла 0,762*0,762 мм в зависимости от мощности указаны в таблице.

Электрическая мощность, Вт	Количество элементов, шт	Световой поток, лм
10	9	450-550
30	30	1800-2200
50	50	2550-2750
100	100	4500-5500

Фактически параметры могут отличаться в небольших пределах из-за дополнительных условий.

В последнее время на рынке появились COB-светодиоды со встроенными драйверами. «На борту» теперь не только матрица, но и элементы выпрямителя, а также микросхема стабилизации тока через излучающие элементы. Как видно, дополнительные элементы не спрятаны под общий кожух, а смонтированы на отдельной плате и объединены в модуль.

Такой тип светодиодов технологии COB представляет собой единый блок, к которому осталось только подвести питающее напряжение.

Принцип работы и характеристики

Новых принципов в основу работы COB-светодиодов не положено. Все тот же p-n переход из арсенид-галлия, фосфида индия или других материалов. Та же рекомбинация основных зарядов с излучением светового кванта при приложении прямого напряжения. Тот же монохроматический свет с узким спектром. Те же принципы получения недоступных цветов — при подаче питания излучение светодиодов (в оптическом диапазоне или УФ) инициирует свечение люминофора. Этот известный способ позволяет получить цвета, которых нельзя достичь при непосредственном свечении полупроводниковых переходов. Nакже никуда не делась проблема отведения тепла. Новизна элементов – только в технологии производства, позволяющей вывести светоизлучающие приборы на новый потребительский уровень.

Управление

Управление COB-светодиодом сводится к коммутации питающего напряжения, и в этом плане принципиальных отличий от обычных приборов нет. Включать и выключать такой элемент можно:

ручным выключателем на соответствующее напряжение;
электромагнитным реле или пускателем;
электронным ключом (транзистор, тиристор).

Надо только учитывать, что мощность такого светодиода может достигать 100 Вт, а рабочее напряжение – 220 В. Коммутационный элемент должен иметь соответствующие параметры.

Плюсы и минусы

Важно! С учетом дешевизны производства COB-светодиодов эти недостатки постепенно теряют значение. Все идет к тому, что экономически выгоднее становится заменить матрицу, а не восстанавливать.

Декларации производителей о повышенной светоотдаче по отношению к мощности за счет применения новых принципов производства, скорее всего, надо относить к маркетинговым ходам. Уже отмечалось, что новых принципов в основу работы COB-матриц не положено. А некоторое увеличение светоотдачи может быть связано с естественным развитием технологий производства люминофоров и полупроводниковых кристаллов.

Срок службы

Производители COB-матриц заявляют средний срок службы около 30 000 часов. Это около 3,5 лет непрерывной работы. У обычных светодиодов в технических характеристиках этот период указывается обычно в пределах до 50 000 часов (5,5 лет). Часто делается вывод о низкой надежности COB-элементов. На самом деле опыт эксплуатации новых светоизлучающих приборов еще не накоплен. Все цифры получены в результате расчетов, в которых часто не учитываются условия эксплуатации. И вряд ли кто-либо из изготовителей проводил реальные ресурсные испытания, длящиеся несколько лет. В них нет смысла – за это время придут новые технологии и материалы.

Надо учитывать, что гарантийные сроки и тех, и других элементов устанавливаются примерно одинаковыми – в районе 15 000 часов. Все, что дальше – прогнозы и чистый маркетинг. Поэтому все сведения о сроке службы на сегодняшний день носят характер деклараций, и относиться к ним следует с осторожностью.

Светодиодная лампа на COB-светодиодах

Еще одно достоинство новой технологии – можно выпускать матрицы любой формы и размеров. В большинстве случаев выпускаются приборы круглой и прямоугольной (квадратной формы), из которых можно изготовить лампы разных конфигураций.

Лампа «кукуруза», получившая свое название из-за дискретных элементов, напоминающих зерна сельхозкультуры, получила новый вид. Теперь нет светящихся точек, поверхность стала сплошной, излучение — более равномерным. Размер подобных ламп сейчас ограничивается требованиями механической прочности матрицы, но есть надежда, что развитие технологий в ближайшее время позволит обойти эту проблему.

LED-прожектор с использованием таких матриц может иметь либо один излучающий элемент, либо несколько – в зависимости от требуемой яркости свечения. Одной матрицей, заменяющей несколько меньших, светильники пока не оснащаются из-за упомянутых ограничений по размерам.

Схема подключения

Схема подключения зависит от исполнения матрицы. Если это просто параллельные цепочки элементов, то включать их в бытовую однофазную сеть 220 В надо через выпрямитель или драйвер на соответствующее напряжение и ток, подобно обычным одиночным светодиодам или сборкам.

Если выпрямитель и драйвер «на борту», то подключение ничем не отличается от обычной лампы накаливания. Уже упомянутая «кукуруза», например, имеет стандартный цоколь для вкручивания в патрон.

Распиновка

Светодиод, как и обычный диод, является прибором, проводящим ток в одну сторону. Поэтому при подключении надо соблюдать полярность. Анод должен быть подключен к плюсовому выводу источника питания, катод – к минусовому.

Определить расположение выводов COB-матрицы легко – маркировка наносится прямо на корпус. Выводы обозначены символами «+» и «-». Если сборка может быть включена непосредственно в цепь переменного напряжения, то выводы маркируются L (фазный) и N (нулевой).

Существует мнение, что осветительные элементы, произведенные по COB-технологии, в ближайшее время полностью вытеснят SMD-светодиоды. На самом деле это едва ли произойдет. Ведь СМД-элементы так полностью и не заменили выводные, хотя и значительно потеснили их. Наиболее вероятно, что и здесь будет та же ситуация – каждая технология займет свою нишу.

Чем отличаются светодиоды COB и SMD?

Вы когда-нибудь задумывались о том, насколько зернышко соли маленькое? Размер одного зерна составляет около трех миллиметров. Теперь представьте предмет, размеры которого составляют третью часть зерна соли. Разместите мысленно крошку на плату – и получите светодиод, наименьший из существующих сегодня. Технологии стремятся к уменьшению размеров LED, и возникновение светодиодных ламп типа SMD и COB это подтверждает. Как они возникли, чем отличаются и где используются?

Содержание

Как пришли к созданию матриц SMD и COB

Долго время развитие светотехники двигалось в направлении увеличения мощности светодиода. Светодиоды типа DIP, со светоотдачей максимум 5 Лм или 0,08 Вт, использовались в индикаторном освещении. Тогда как для яркого освещения применялись более мощные модели (до 10 Вт, хоть большей популярностью пользовались изделия от 1 до 3 Вт). Задачей было создать источник света, увеличив его светоотдачу без увеличения количества светодиодов. Это удалось, но не стало причиной уменьшения стоимости LED-светильников. К тому же, светоотдача светильника была существенно меньше, чем у используемых в нем LED.

Главная неудача вектора развития заключалась в природе самого светодиода – это точечный источник света. Массовый потребитель ждал изобретение, которое бы создавало рассеянный свет, тогда как ему предлагали товар, который без дополнительной оптической системы создавал неприятный слепящий эффект. Оптические решения делали свет LED рассеянным, но также увеличивали стоимость продукции и становились причиной потери силы светового потока (до 35%). Производство таких светильников требовало большого объема ручного труда.

Выход из положения нашли в 2000-х годах, когда создали LED поверхностного монтажа (SMD – Surface Mounting Device – «устройство с креплением на поверхность») с размерами чипа 3,5 мм на 2,8 мм. Изобретение вызвало фурор и завоевало лидерские позиции на рынке. Позже изобрели более яркий аналог – SMD 5050.

Светодиодная матрица SMD

Массовое производство светильников с SMD-светодиодами началось с 2009 года. Особенности матриц состояли в следующим:

мощность одного чипа – от 0,01 до 0,2 Вт;
размеры – от 1,4 до 6 мм;
наличие кристаллов в количестве от 1 до 3, установленных на основе из керамики или алюминия.

Кристаллы создаются искусственным образом с использованием подложек из наносапфира и галлия, что наслаиваются и соединяются с основой.

Сверху чип покрыт люминофором оранжевого или желтого цвета. Первый излучает белый свет теплой температуры свечения (2700-3500K), второй – холодной (6000-6500K). RGB модели, которые позволяют выбрать цвет свечения (синий, зеленый, красный), люминофор не содержат:

Инкапсулируют тип с помощью специального кремниевого клея, нанесенного на поверхность люминофора. К монтажной плате чип крепится припоем.

Принцип работы SMD-светодиодов (и отличие их от COB) состоит в том, что чипы крепятся на плате на расстоянии друг от друга. Это является недостатком матрицы и причиной низкой ремонтоспособности, если один из диодов вышел из строя. Проще и дешевле заменить плату, чем перепаивать составляющие ее элементы.

Светодиоды SMD выпускают нескольких размеров: 2835, 3014, 3030, 3528, 5050, 5630, от чего зависит мощность:

Мощность, Вт

Более современная матрица – COB

Технология Chip On Board появилась на рынке в 2010 году. Матрица COB представляет собой размещенные на плате близко друг к другу кристаллы (в количестве от нескольких десятков и больше), покрытые общим слоем люминофора. Таким образом достигается световой поток, который мощнее, чем у матрицы SMD. COB излучает более равномерный свет, с котором отдельные точки (кристаллы) практически не различимы. К тому же, стоимость такой матрицы ниже.

Такое решение позволило изготавливать источники света той же мощности, что и SMD, но меньших размеров. Соответственно, появилось больше возможностей использовать это преимущество в дизайне светильников.

При тех же размерах, мощность COB значительно выше и достигает 100 Вт, что при хорошем теплоотводе позволяет получить светоотдачу в пределах 100–150 Лм/Вт (светоотдача лампы накаливания 100 Вт – около 12 Лм/Вт).

Лучшие показатели теплопроводности достигаются большей площадью подложки. В SMD тепло от диодов поступает к радиатору, проходя через электроды и подложку (чаще алюминиевую). В COB этот путь упрощен, поскольку чипы установлены сразу же на подложку (из керамики или алюминия).

Срок службы COB-матриц, как заявляют производители, составляет 30-50 тыс. часов. Эти данные получают путем математического моделирования, поскольку на стадии изготовления проверить время работы невозможно. Иначе пришлось бы ждать почти 6 лет, чтобы удостовериться, что LED работает, как заявлено. Этого времени достаточно для изобретения более эффективной модели, а полученные результаты потеряют актуальность.

Как выбрать светодиодную лампу?
Подробнее!

Для того чтоб понять, какие перспективы открывает изобретение LED-матрицы минимально возможных размеров и почему современные технологии к этому стремятся, рассмотрим пример.

Вернемся мысленно к тому времени, когда были популярны SMD, а о возможностях и коммерческом потенциале COB еще не думали. Чип с размерами 3,5 на 2,8 мм имеет мощность 0,06 Вт. Для того, чтоб сконструировать светильник 50 Вт необходимо было установить в нем 50/0,06 = 833 чипов! И это без учета того, что каждому чипу требуется место для рассеивания тепла, как и светильнику в целом. Посчитать приблизительные габариты такого прибора несложно. Сложнее представить, как им пользоваться и кто его будет покупать.

На верхнем рисунке представлены размеры чипа SMD и COB-светодиода. Мощность последнего – 50 Вт, размеры – 36 x 36 мм. Работать с осветительной техникой стало проще, модельный ряд товара вырос, о чем говорит и с ассортимент продукции ТМ Брилле. Увидеть своими глазами товар и проверить его работу можно в наших магазинах. Сайт позволяет купить светильники и LED лампы в несколько кликов с доставкой и гарантией.

Где используют SMD и COB

SMD более популярны в изготовлении светодиодных лент и лампочек, прожекторов. COB выигрывает конкуренцию при комплектации светильников для коммерческих целей и акцентной подсветки, уличной подсветки мощностью до 50 Вт. На рисунке ниже отображен видимый свет от матриц, зависимо от типа рассеивателя:

Освещение промышленных и складских помещений, где требуются светильники мощностью больше 50 Вт, обеспечивается с помощью SMD. COB в этих целях реже устанавливают из-за ослепляющего эффекта. Если персонал не работает на высоте, вблизи светильников, этот недостаток можно не брать во внимание.

COB спроектированы таким образом, что замена чипов на матрице становится невозможной. Соответственно, в случае поломки, необходимо отдавать в ремонт весь светильник (если он имеет встроенные источники света). Преимущество SMD – большая гибкость для различных инженерных идей, ведь набор микросхем зависит от компоновки платы. В бытовых условиях изменить микросхему не удасться, но при наличии оборудования это возможно.

Преимущества светодиодных светильников Chip On Board: особенности конструкции и функционал

В нашу жизнь всё активнее внедряется освещение с использованием световых диодов. Кроме LED светильников есть ещё Chip On Board светильники, использующие излучатели большей мощности.

Осветительные Chip устройства On Board – это световые источники, использование которых даёт ощутимую экономию электрической энергии. Но споры по поводу, какие лучше, а какие хуже, продолжаются.

Поэтому в данной статье мы попробуем разобраться в этом вопросе.

Когда появились на рынке

До две тысячи девятого года на рынке полупроводниковой световой техники безраздельно господствовали LED светильники, с добавочным обозначениемPower («мощные»).

Эти световые источники обладали мощностью до десяти ватт. Но популярностью пользовались, в основном, светильники с показателем мощности от одного до шести ватт.

В две тысячи девятом году на рынок выходят SMD светильники. По технологии производства они отличались способом крепления к поверхности (использовался метод пайки), и покрытием светодиодов люминофором.

Эти световые источники, имея большое число световых диодов (700 штук), обладали небольшой мощностью и применялись для создания рассеянного освещения.

Следующим этапом стало появление Chip On Board, что означает – «множество кристаллов, установленных на монтажной плате». Суть технологии состоит в креплении кристаллов к плате безкерамических подложек и корпуса.

После монтажа на кристаллы наносится люминофорный слой, что даёт равномерное свечение. Такое конструктивное решение значительно уменьшило стоимость светильника.

Технология производства

На 1 см 2 Chip On Board светильников монтируется не более семидесяти кристаллов, что качественно отличает их отSMD устройств меньшими размерами без потери яркости свечения.

Chip On Board матрицы производятся по определённой технологии, включающей в себя следующие этапы:

Подложку обрабатывают особым клеящим составом, обеспечивающим адгезию (сцепление).
Крепление кристаллов к подложке.
Отвердевание защитного клеевого слоя.
Очистка матрицы от различного рода загрязнений плазменным методом.
Соединение кристаллов с платой при помощи пайки.
Покрытие кристаллов смесью силикона с люминофором (силикон герметизирует кристаллы).

Основным и довольно трудоёмким технологическим процессом является равномерное покрытие подложки клеящим составом строго определённой толщины.

Если толщина будет недостаточной, то в процессе эксплуатации кристаллы отвалятся, если толщина будет избыточной, то сила контакта кристалла с подложкой будет мала, что существенно снижает отдачу тепла.

Эту проблему решили учёные из Китая, разработавшие методику магнетронного распыления.

Использование данной методики позволяет наносить адгезионный состав оптимальной толщины, что улучшает тепловую отдачу. Оптимизированные матрицы носят название

На данный момент все Chip On Board диоды производятся по данной технологии, что даёт возможность получения светильников с большой мощностью.

Характеристики световых диодов

Современные технологии позволяют создавать световые приборы с матрицей Chip On Board, обладающих мощностью до ста ватт и производительностью сто пятьдесят Лм/Вт.

Типовая матрица бывает квадратной или круглой с размерами стороны либо диаметра от одного до трёх сантиметров.

Существуют световые диоды и с большими параметрами. Эксплуатационный срок, заявленный изготовителями Chip On Board светильников, составляет тридцать тысяч часов, светодиоды с большей мощностью – пятьдесят тысяч часов.

Эти цифры наталкивают на мысль о низкой надёжности Chip On Board устройств. Все значения получены в ходе испытаний в условиях, максимально приближённых к экстремальным и рассчитаны математическим путём.

В результате выяснилось, что светильник может исправно и непрерывно функционировать на протяжении 6 лет.

Срок гарантии – двадцать тысяч часов в режиме эксплуатации. В случае поломки производится бесплатная замена или ремонт.

Естественно, у Chip светильников On Board есть недостатки, но они настолько несущественные в сравнении с преимуществами, что говорить о них не имеет смысла.

На сегодня это вся информация, которую мы подготовили для вас касательно конструктивных особенностей и преимуществ использования светильников. Свои вопросы задавайте в комментариях под статьёй, мы обязательно постараемся вам помочь.

Источник: gk-rosenergo.ru