Серия Osram Duris P – новая эра мощных светодиодов

Серия Osram Duris P – новая эра мощных светодиодов

Окт 2 • Новости, Особенное, Разработка и проектирование • 1031 Просмотров •

1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars (11 votes, average: 5,00 out of 5)
Загрузка...

Традиционно светодиоды для сегмента SSL (Solid State Lighting), т.е. предназначенных непосредственно для освещения, принято условно делить на «пластиковые» и «керамические», но именно условно, т. к. в каждом варианте существует ни одна вариация используемых материалов и компонентов.

Юрий Молодкин — yuriy.molodkin@ebv.com

Говоря о «пластиковых» светодиодах обычно подразумевают мало- и среднемощные источники света до 1Вт, с чипом объемного излучения, серебряным отражателем, собирающим свет, и плоским покрытием люминофора, используемые в основном для внутреннего и иногда промышленного освещения. В то время как «керамика» — удел требовательных к надежности и стойкости применений, таких как, уличное и дорожное освещение, мощные прожекторы (стадионы, архитектурная подсветка), медицинские светильники и пр. Все объясняется структурой этих светодиодов, где используются стойкие материалы корпуса, чипы поверхностного излучения, а серебро отсутствует как класс (чтобы исключить влияние серосодержащих газов, коих в подобных применениях может оказаться критическое для светодиода кол-во). Разумеется, за подобные преимущества приходится платить, во-первых, эффективностью из-за отсутствия отражателя, собирающего свет, а во-вторых, конечно же, ценой. Однако Osram OS смогла найти технические решения, позволившие собрать лучшее из двух сегментов в одной уникальной серии продуктов – Duris P.

 

Рис. 1. Серия Duris P (слева-направо: Duris P5, Duris P5 colors, Duris P8, Duris P10)

Рис. 1. Серия Duris P (слева-направо: Duris P5, Duris P5 colors, Duris P8, Duris P10)

 

На сегодняшний день серия представлена светодиодами: Duris P5 (корпус 2622) как в белом, так и в цветных вариантах, Duris P8 (корпус 3737) и Duris P10 (корпус 7070). Каждый из них полностью лишен серебра в своем составе (использованы золотые провода) и имеет чип поверхностного излучения, а Duris P10 и вовсе четыре, соединенных в 2 возможных версиях по-разному: либо на 12В, либо на 6В. Корпуса выполнены из эпоксидной смолы, что помимо удешевления дает еще одно крайне существенное преимущество – надежность при термоциклировании. Рассмотрим подробнее эту особенность.

Вопросам термоциклирования стоит уделять внимание при разработке светильников, использующихся в первую очередь на улице, т.к. в течение года, особенно в некоторых широтах нашей страны, перепады температур на них могут быть очень велики. Например, светильник может быть включен при 0 градусов, а при постоянной своей работе нагреваться в зоне светодиодных модулей до 60-70С. Это дельта уже в 60 градусов, и так много дней подряд.

Проблема в том, что материалы светодиодов и печатных плат имеют разные коэффициенты температурного расширения. Большинство «керамических» источников света с низким Rth имеют в своей основе субстрат из нитрида алюминия (AlN), в то время как платы, используемые для них, представляют из себя иногда и простой алюминий. В худшем случае разница в коэффициентах температурного расширения между светодиодов и платой может составлять 5 раз (табл. 1.)! А чем больше эта разница (см. рис. 2), тем более вероятно появление трещин и разрывов в точках пайки при термоциклировании (см. рис. 3).

 

Табл. 1. Коэффициенты температурного расширения для распространенных материалов

МатериалКоэффициент
температурного расширения, 10-6 °С-1
Печатная платаAl23
Cu17
FR415…18
«Керамический»
светодиод
AlN4.5…5
Al2O36…8
Duris PБелая эпоксидная смола13

 

Рис. 2. Сравнение «керамических» и «эпоксидных» светодиодов при термоциклировании на алюминиевой плате

Рис. 2. Сравнение «керамических» и «эпоксидных» светодиодов при термоциклировании на алюминиевой плате

 

Рис. 3. Появление трещин и разрывов в местах пайки при термоциклировании

Рис. 3. Появление трещин и разрывов в местах пайки при термоциклировании

 

Чтобы предотвратить подобные явления Osram OS и взялась за разработку эпоксидных светодиодов с чипом поверхностного излучения внутри. Причем случилось это еще несколько лет назад и первый такой светодиод (серии Oslon Black Flat) был изготовлен с прицелом на автомобильное применение, где температурные диапазоны крайней велики. На данный момент очень многие модели хорошо всем известной немецкой тройки и не только оснащены именно подобными светодиодами, как в качестве ходовых и габаритных огней, так и головного света. И уже в прямом смысле обкатав эту технологию вместе с автомобилями, Osram OS решила привнести ее и на рынок основного освещения.

Дабы обосновать данную теорию на практике было проведено несколько экспериментов, описание и результаты которых приведены ниже.

Условия:
– Разница температур 1: -40°C / 85°C
– Разница температур 2: -40°C / 110°C

Описание эксперимента:
– Все светодиоды были установлены на термальные платы (MCPCB)
– Эксперимент длился 2000 циклов со снятием результатов на 100, 300, 500, 1000, 1500, 2000 циклах
– Критерий выхода из строя: увеличение Vf более чем на 2% (см. разъяснения к IPC-9701 далее)
– Остановка теста, если более 50% светодиодов вышли из строя
– Анализ вышедших из строя светодиодов после теста

Тестируемые светодиоды:
– Osram OS: DURIS P8, P10
– Производитель 1: 7070 4×1,8mm² / 5050 4x2mm² / 7070 4×3,7mm² / 3535 3,7mm² /3535 1,8mm²
– Производитель 2: 7070 4x2mm² / 3737 2mm²

Табл. 2. Результаты эксперимента на термоциклирование  

 СветодиодРазница температур 1, цикловРазница температур 2, цикловРезультат
Duris P830003000Нет изменений
Duris P1025002500Нет изменений
Производитель 2, 7070, 4x2mm²20002000Разница температур 1:
Vf >2% при 500 циклах (1/24 шт.)
Vf >2% при 1000 циклах (15/24 шт.)
Vf >2% при 1500 циклах (22/24 шт.)
Vf > 2% при 2000 циклах (23/24 шт.)
Разница температур 2: Vf >2% при 2000 циклах (19/24 шт.)
Производитель 1, 7070, 4×1,8mm²15001500Разница температур 1:
Vf >2% при 500 циклах (2/24 шт.)
Vf >2% при 1000 циклах (7/24 шт.)
Vf >2% при 1500 циклах (15/24 шт.)
Разница температур 2:
Vf >2% при 500 циклах (3/24 шт.)
Vf >2% при 1000 циклах (15/24 шт.)
Vf >2% при 1500 циклах (21/24 шт.)
Производитель 1, 5050, 4x2mm²10002000Разница температур 1:
Vf >2% при 500 циклах (22/24 шт.)
Vf >2% при 1000 циклах (24/24 шт.)
Разница температур 2:
Vf >2% при 500 циклах (3/14 шт.)
Vf >2% при 1000 циклах (14/14 шт.)
Производитель 1, 5050, 4×3,7mm²1500Нет данныхРазница температур 1:
Vf >2% при 500 циклах (1/12 шт. и 3/11 шт.)
Vf >2% при 1000 циклах (8/12 шт. и 10/11 шт.)
Vf >2% при 1500 циклах (11/11 шт. и 12/12 шт.)
Производитель 1, 3535, 3,7mm²15001500Разница температур 1:
Vf >2% при 1500 циклах (25/36 шт.)
Разница температур 2:
Vf >2% при 1500 циклах (19/36 шт.)
Производитель 1, 3535, 1,8mm² (700 мА)20002000Разница температур 2:
Vf >2% при 1500 циклах (1/45 шт.)
Производитель 2, 3737, 2mm² (700 мА)15001500Разница температур 1:
Vf >2% при 500 циклах (6/44 шт.)
Vf >2% при 1500 циклах (43/44 шт.)
Разница температур 2:
Vf >2% при 700 циклах (2/43 шт.)

Стандарт IPC-9701 (методика испытаний и квалификационные требования к технологии поверхностного монтажа) определяет 20% увеличение сопротивления как полный выход из строя компонента. Эти 20% соответствуют трещине размером более 80% всей контактной поверхности (см. рис. 4). Учитывая особенности светодиода, увеличение Vf более чем на 2% соответствует 20% увеличению дифференциального сопротивления.

 

Рис. 4. Наблюдаемые трещины контактов при 20% увеличении сопротивления

Рис. 4. Наблюдаемые трещины контактов при 20% увеличении сопротивления

 

Таким образом, экспериментальные данные показывают, что дальнейшее термоциклирование приводит к резкому увеличению сопротивления и в конечном итоге выходу из строя вследствие электрической неисправности контактов у всех тестируемых «керамических» светодиодов. Одновременно с этим тестируемые Duris P8 и Duris P10 после 3000 и 2500 циклов, соответственно, не показали изменения Vf, а после визуального осмотра не было обнаружено ни единого повреждения мест контакта, что говорит о непревзойденной надежности данного типа корпусов в условиях сильных и резких перепадов температур.

Затрагивая вопросы надежности, разумеется, было бы не уместно обойти стороной и стандартные методы тестирования, такие как LM80 и его продолжение – аппроксимацию данных по TM-21. И тут у этой серии светодиодов тоже все в полном порядке. Так, для Duris P8 после 9000 часов реальных тестов спад светового потока при 700 мА и 85 °С составляет 2,72%, а при 105С – 3,6%. (см. рис. 5).

 

Рис. 5. Результаты тестов LM80 для Duris P8

Рис. 5. Результаты тестов LM80 для Duris P8

 

После аппроксимации этих данных по TM-21 получаются кривые, изображенные на рисунке 6.

 

Рис. 6. Прогноз срока жизни для Duris P8

Рис. 6. Прогноз срока жизни для Duris P8

 

Т.е. получив огромное преимущество в надежности при термоциклировании, Osram OS удалось одновременно с этим достичь и прекрасных, ничем не отличающихся от «керамических» светодиодов показателей LM80.

Более того, несмотря на то, что светодиоды данной серии не позиционируются как «флагманские», это место уверенно держит Oslon Square Giant, а больше направлены на применения, особенно чувствительные к цене и надежности, светотехнические параметры Duris P могут дать фору многим производителям. Так, например, на текущий момент для светодиода Duris P8 типовой световой поток для 4000К и CRI70+ составляет 300-310 лм при 700 мА и 85 °С. При типовом падении напряжения в 2,85 В это дает эффективность 153 лм/Вт при 700 мА на «горячую». Коэффициент теплового сопротивления также удалось сохранить на очень низком уровне – 2,8 К/Вт, что позволяет использовать светодиод на высоких температурах, не опасаясь за перегрев чипа.

Для Duris P10 типовой световой поток колеблется в диапазоне уже 1120-1210 лм при тех же условиях (700 мА, Ts=85 °С), таким образом при падении напряжения в среднем 11,2 В светодиод дает 149 лм/Вт, позволяя при этом экономить как на количестве вторичной оптики (получается меньшее кол-во световых точек на светильнике), так и на размерах радиатора.

Серия Duris P5 на данный момент серия представлена светодиодами белого свечения с CRI80+, а также в синем, голубом, зеленом, желтом и красном цветах, что делает ее интересной в первую очередь для архитектурной и интерьерной подсветки (особенно, для находящихся на улице объектов, таких как балконы, террасы и др.) за счет своей надежности и стабильности параметров, а также для межрядной подсветки растений в теплицах.

Таким образом, получив отличные светотехнические параметры, показатели LM80, высочайшую надежность при термоциклировании и при этом очень привлекательную цену, серия Duris P может уже в ближайшее время сильно изменить баланс сил на рынке мощных светодиодов. Учитывая все вышесказанные особенности, ее можно рекомендовать в первую очередь производителям дорожных, уличных, а также промышленных и интерьерных светильников, где по-прежнему необходима высочайшая надежность в совокупности с доступной ценой.

Похожие Записи

Комментарии закрыты.

« »