Co je LED čip?

LED čip je velmi malý polovodičový prvek, ve kterém se elektrická energie přímo přeměňuje na světlo. Technicky se označuje také jako LED die a tvoří vlastní světlo emitující část LED diody. Obsahuje několik polovodičových vrstev a aktivní oblast, ve které při průchodu elektrického proudu rekombinují elektrony a díry a uvolňují energii ve formě fotonů.

Samotný čip je pouze jedna část výsledné LED součástky. V běžné řeči se výrazem „LED čip“ často označuje celá malá SMD LED na desce, technicky je ale potřeba rozlišovat polovodičový čip, jeho pouzdro a celý LED modul.

Co je LED čip?

LED je zkratkou anglického Light Emitting Diode – světlo emitující dioda.

Jejím základem je polovodičová struktura, ve které elektrický proud vyvolává proces elektroluminiscence. Výsledkem je vznik světla přímo v polovodiči.

Samotný LED čip je velmi malý. Uvnitř hotové LED součástky proto často zabírá jen malou část její celkové plochy.

Fotografie zároveň dobře ukazuje, proč není technicky přesné používat pojmy LED čip a LED dioda jako úplná synonyma.

Jaký je rozdíl mezi LED čipem, LED diodou a LED modulem?

Tyto pojmy se často zaměňují, přesto označují rozdílné úrovně konstrukce.

LED čip – die

LED čip je vlastní polovodičová struktura, ve které vzniká světlo.

Obsahuje například:

• polovodičové vrstvy typu P a N,
• aktivní světlo emitující oblast,
• elektrické kontakty,
• a podle konstrukce také podkladovou vrstvu – substrát.

LED dioda – pouzdřená LED

LED dioda je hotová elektronická součástka obsahující jeden nebo více LED čipů.

Součástí pouzdra jsou podle konkrétní konstrukce například:

• LED čip,
• elektrické kontakty,
• tepelná cesta do desky plošných spojů,
• bondovací vodiče nebo kontakty typu flip-chip,
• optický materiál,
• a u bílé LED také luminofor.

LED modul

LED modul je větší funkční celek, na jehož desce plošných spojů je osazeno více LED součástek.

Například ve svítidle BLOKK 60×60 nejsou jednotlivé polovodičové čipy instalované přímo do dřevěného korpusu. Jsou součástí LED diod osazených na samostatném LED modulu.

Jak LED čip vytváří světlo?

LED pracuje na principu elektroluminiscence polovodičového přechodu.

Při průchodu proudu se v aktivní oblasti setkávají:

• elektrony z oblasti typu N,
• a díry z oblasti typu P.

Při jejich rekombinaci se část energie uvolní ve formě fotonu.

Energie vzniklého fotonu souvisí s energetickou strukturou použitého polovodiče. Proto různé polovodičové materiály vytvářejí světlo různých vlnových délek.

Co je PN přechod?

Základní princip LED vychází z polovodičových oblastí typu P a N.

Polovodič typu N obsahuje přebytek volných elektronů, zatímco v polovodiči typu P jsou hlavními nosiči náboje takzvané díry.

Moderní výkonová LED ale není pouze jednoduchým spojením dvou kusů materiálu P a N. Používá soustavu velmi tenkých polovodičových vrstev a aktivní oblast navrženou tak, aby rekombinace nosičů probíhala co nejúčinněji.

U moderních GaN/InGaN LED se používají například heterostruktury a kvantové jámy, které koncentrují elektrony a díry do aktivní oblasti, kde vzniká světlo.

Z jakých materiálů se LED čipy vyrábějí?

LED se nevyrábějí z jednoho univerzálního polovodiče. Použitý materiál určuje především energetickou strukturu a rozsah vlnových délek, ve kterém LED vyzařuje.

Mezi významné materiálové systémy patří například:

• GaN / InGaN – zejména modré a zelené LED a základ většiny současných bílých LED pro osvětlení,
• AlGaInP – červené, oranžové a jantarové LED,
• GaAs a AlGaAs – zejména infračervená oblast a některé starší LED technologie,
• AlGaN – především ultrafialové LED.

Proto není přesné tvrdit, že modré LED jsou jednoduše vyrobené z AlGaN. Pro moderní vysoce účinné modré LED je zásadní především technologie GaN a InGaN.

Vývoj účinných modrých GaN LED byl natolik důležitý, že za něj byla v roce 2014 udělena Nobelova cena za fyziku.

Jak LED čip vytváří bílé světlo?

Samotný polovodičový LED čip běžné bílé osvětlovací LED nevytváří široké bílé spektrum přímo.

Nejběžnější princip používá:

Modrý čip vyzařuje světlo v relativně úzké části spektra. Luminofor část tohoto záření absorbuje a znovu vyzáří na delších vlnových délkách.

Zbývající modré světlo se smíchá se světlem luminoforu a vznikne výsledné bílé světlo.

Právě složení luminoforu a jeho kombinace s vlastnostmi modrého čipu zásadně ovlivňují:

• barevnou teplotu,
• index podání barev CRI,
• spektrální průběh,
• světelnou účinnost,
• a barevnou stabilitu výsledné LED.

Co je kolem samotného LED čipu?

Polovodičový čip musí být integrován do pouzdra, které zajistí elektrické připojení, mechanickou ochranu, optické vlastnosti a především odvod vznikajícího tepla.

Pouzdro LED obsahuje podle konkrétní technologie například:

• polovodičový die,
• kovové kontakty,
• tepelnou podložku,
• bondovací drátky,
• reflexní část pouzdra,
• luminofor,
• silikonovou nebo jinou optickou výplň.

Technologie se ale liší. Moderní LED používají také flip-chip nebo chip-scale package (CSP), kde klasický jemný bondovací vodič vůbec není.

Fotografie otevřené LED výše tedy ukazuje jeden konkrétní způsob pouzdření, nikoli konstrukci všech současných LED.

Jak se LED čipy vyrábějí?

Výroba LED čipu probíhá v polovodičovém průmyslu a je podstatně složitější než následné osazení LED na desku plošných spojů.

Zjednodušeně zahrnuje několik hlavních kroků:

1. růst polovodičových vrstev na waferu,
2. vytvoření aktivních vrstev LED,
3. fotolitografické a další mikroelektronické výrobní procesy,
4. vytvoření elektrických kontaktů,
5. testování struktur přímo na waferu,
6. rozdělení waferu na jednotlivé čipy – dicing,
7. a následné pouzdření jednotlivých LED.

Tato fotografie zachycuje technologii microLED, nikoli konkrétní čipy používané ve svítidlech lampax. Princip výroby mnoha polovodičových struktur současně na jednom waferu je ale názorně stejný.

Jak se z LED čipu stane LED modul?

Po výrobě a zapouzdření LED následuje další výrobní úroveň – osazení LED součástek na desku plošných spojů.

Moderní LED moduly se běžně vyrábějí technologií povrchové montáže SMT – Surface Mount Technology.

Automat osadí jednotlivé LED součástky na přesná místa desky a ty se následně připájí.

Je tedy důležité rozlišovat:

LED modul tedy nevyrábí samotný polovodičový čip. Používá již vyrobené a zapouzdřené LED součástky a propojuje je do elektrického a tepelného systému potřebného pro konkrétní svítidlo.

Co určuje vlastnosti LED čipu?

Výsledné vlastnosti LED závisí na mnoha parametrech současně.

Mezi zásadní patří:

• použitý polovodičový materiál a struktura aktivní oblasti,
• velikost čipu,
• provozní proud,
• teplota polovodičového přechodu,
• účinnost přeměny elektrické energie na optické záření,
• konstrukce pouzdra,
• luminofor u bílé LED,
• a kvalita odvodu tepla.

Proto nelze například světelnou účinnost celého svítidla odvodit pouze z katalogové účinnosti samotného LED čipu.

Mezi čipem a světlem opouštějícím hotové svítidlo jsou ještě:

• pouzdro LED,
• LED modul,
• LED driver,
• difuzor,
• a další optické a elektrické ztráty.

Proč je u LED čipu důležitá teplota?

LED přeměňuje část elektrické energie na světlo a zbývající část na teplo.

Teplo vzniká přímo v polovodičové struktuře, proto je pro životnost a stabilitu LED zásadní jeho účinný odvod.

Vyšší teplota polovodičového přechodu ovlivňuje:

• světelný výkon,
• elektrické vlastnosti LED,
• barevné parametry,
• a rychlost dlouhodobé degradace.

Proto se při návrhu profesionálního LED svítidla neřeší pouze počet LED nebo jejich maximální výkon. Důležitý je celý tepelný management od čipu přes pouzdro a DPS až po konstrukci svítidla.

Proč LED čip potřebuje kvalitní driver?

LED má nelineární voltampérovou charakteristiku. Malá změna napětí proto vede k výrazné změně protékajícího proudu.

LED moduly pro profesionální svítidla jsou proto napájené řízeným proudem pomocí LED driveru.

Driver:

• udržuje definovaný proud LED,
• stabilizuje jejich pracovní podmínky,
• umožňuje nastavit nebo stmívat výkon podle konstrukce,
• a obsahuje ochranné funkce elektroniky.

Přetěžování LED vyšším proudem zvýší okamžitý světelný výkon, ale současně zvyšuje tepelné zatížení a zhoršuje podmínky pro dlouhodobou životnost.

LED čipy ve svítidlech lampax

Ve svítidlech lampax nepoužíváme LED pásky jako hlavní světelný zdroj u řad BLOKK, TURNN a LINNA. Používáme samostatné LED moduly navržené pro konkrétní konstrukci svítidla.

U současných svítidel BLOKK používáme LED moduly vyráběné v České republice a osazené LED diodami značky CREE. Například BLOKK 60×60 používá tyto LED společně s velkou matnou plochou difuzoru, který jednotlivé světelné body rozptyluje do rovnoměrné plochy.

Také současná stropní LINNA a závěsná LINNA používají české LED moduly osazené LED diodami CREE. U LINNA 88 je například v jedné řadě celkem 144 LED, takže jsou jednotlivé světelné body rozmístěné velmi blízko u sebe.

Řada TURNN používá LED moduly Tridonic osazené LED diodami Samsung. U TURNN 60 je LED diod celkem 468, což vytváří velmi hustou plošnou světelnou strukturu.

LED čip je tedy sice mikroskopická součást celého systému, ale jeho kvalita, účinnost a dlouhodobá stabilita patří mezi základní předpoklady kvalitního svítidla.

Stejně důležité jsou ale také LED modul, správný tepelný návrh, LED driver, optika a difuzor. Teprve jejich společná konstrukce určuje vlastnosti hotového svítidla.