Eine neue Art Mid-Power-LEDs

GaN-on-Si-LEDs sind im Vergleich zu herkömmlichen LEDs effizienter und langlebiger. Sie sind nicht nur kostengünstiger in der Produktion, aufgrund ihres höheren Treiberstroms geben sie auch mehr Licht ab und bieten eine sehr gute Wärmeleistung.

Der aktuelle COB-Herstellungsprozess und seine Grenzen

Bild 1: Bei einer Multi-Chip-COB-LED (links) kommt es im Vergleich zu einem einzigen Chip mit kleinerer Sekundäroptik zu einer reduzierten Lichtaustrittsfläche. Plessey

Auf diese Art produzierte einzelne LEDs werden für gewöhnlich auf einem gemeinsamen Substrat installiert und mit Bonddrähten in einer Reihe geschaltet. Bei diesem Chip-on-Board-Verfahren werden Komponenten hergestellt, die eine höhere Lichtausbeute als die einzelnen LED-Chips liefern zu einem niedrigeren Preis als vergleichbare LEDs mit höherer Leistung. Zudem lassen sich COB-LEDs dank der Reihenschaltung mit einer höheren Versorgungsspannung als einzelne LEDs betreiben. Die Lichtauskopplung bei COB-LEDs wird meist mit einer Silikonlinse über den LED-Chips verbessert.

Werden Sekundäroptiken zur Maximierung der Ausbeute des von einer Multi-Chip-COB-LED abgegebenen Lichtstroms verwendet, kann das größere Herausforderungen an das Beamforming stellen, als dies bei einem einzelnen LED-Chip der Fall ist. Dies führt häufig zu einer Leuchte mit einer relativ großen Linsen- und Reflektorbaugruppe und damit zu einer Zunahme von Größe und Gewicht und zu höheren Gesamtkosten. Außerdem kann es bei Multi-Chip-COB-LEDs zu einer deutlichen Reduzierung der Lichtaustrittsfläche kommen. Dies ist besonders im optischen Zentrum der Komponenten der Fall, wie im Beispiel in Bild 1 mit vier Chips gegenüber einem einzigen Chip dargestellt, bei dem auch eine kleinere Sekundäroptik eingesetzt werden kann. Die Konstruktion der Linse und des Reflektors kompensiert dies teilweise, allerdings nur bei gleichzeitiger Größen- und Gewichtszunahme.

In seinem hochmodernen, 25.000 m² großen Halbleiterwerk in Großbritannien fertigt Plessey GaN-on-Si-LEDs in Serie. Dank der Investitionen in Höhe von knapp 90 Millionen Euro in den letzten sechs Jahren bringt das Unternehmen jetzt eine Reihe neuer Produkte auf den Markt.

Auf der nächsten Seite erfahren Sie mehr über die neue Produktreihe Midion.

Bild 2: Die Produktreihe Midion von Plessey. Plessey

Bis jetzt hat sich Plessey auf den Einsatz von GaN-on-Si-LEDs in High-Power-Anwendungen konzentriert und dadurch sperrige Optikbaugruppen und Kühlkörper vermieden. Vor kurzem hat das Unternehmen sein LED-Angebot mit der neuen Produktreihe Midion erweitert. Beleuchtungshersteller erhalten so ein umfassendes Angebot an Mid-Power-LED-Produkten mit Lichtausbeuten von bis zu 210 lm/W, flimmerfreie Module und Komponenten mit einem Farbwiedergabeindex von bis zu 90 Ra. Die Farbkonsistenz wird durch Three-Step-MacAdam-Ellipse (SCDM) als Standard oder Single-Step-MacAdam-Ellipse (SCDM) als Option garantiert.

Die neue LED-Baureihe enthält die sehr kleine „dotLED“ und Varianten der Industriestandard-PLCC-Packages 2835, 3014, 3030, 5050, und 5630. Sie deckt Farbtemperaturen von warmem Weiß mit 2700 K bis zu kühlem Weiß mit 6500 K ab mit Lichtstromniveaus von 20 bis 140 lm und einem typischen Sichtwinkel von 120°.

Bild 3: LEDs von Plessey erzielen einen Lichtstromerhalt von 95 % nach einer Testdauer von 5000 Stunden bei einem Belastungsstrom von 1250 mA und einer Substrattemperatur von 105 °C. Plessey

Obwohl LEDs zu den größten Erfolgen der Elektronikbranche in den letzten 50 Jahren zählen, ist der Herstellungsprozess der meisten LEDs teuer und unzureichend optimiert. Der GaN-on-Si-Herstellungsprozess von Plessey hat dies geändert.

Wichtig dabei war, GaN und Silizium zu verbinden – zwei Materialien mit sehr verschiedenen Kristallstrukturen und elektronischen Eigenschaften. Um diese Herausforderung zu bewältigen, entwickelte das Unternehmen einen Prozess, bei dem eine Pufferschicht aus Siliziumoxid genutzt wird.

Dank ihrer sehr guten Wärmeleistung, die ihre Betriebstemperatur niedrig hält, sind GaN-on-Si-LEDs langlebiger als herkömmliche LEDs. Ein weiterer Vorteil sind die reduzierten Kosten.

Bild 4: Die Lucian High-Power-LED PLW7070. Plessey

GaN-on-Si-LEDs sind besonders in großen Formaten von Vorteil. Die Lucian-High-Power-PLW7070-LEDs von Plessey eignen sich für anspruchsvolle Anwendungen wie Spotbeleuchtungen, Downlighting, Fluchtlicht, Straßen- und Hallenbeleuchtungen sowie tragbare Leuchten. Sie bieten eine sehr hohe Lichtausbeute bei guter Wärmeleistung ohne sichtbares „Fadenkreuz“ bei geringen Kosten.

Kleine Sekundäroptik

Diese LEDs können mit einer kleineren Sekundäroptik und kleinerem Reflektor als herkömmliche COB-LEDs eingesetzt werden. Zusätzliche optische Effizienz wird durch Oberflächenätzen des Siliziums und Phosphorablagerung auf Waferebene erzielt, bei der ein eigenes Dünnfilmverfahren zum Einsatz kommt. Tests dieser LED-Struktur haben bereits die sehr gute Zuverlässigkeit bei hohen Temperaturen und verschiedenen Belastungsströmen erwiesen. Bild 3 zeigt den Lichtstromerhalt, der über 5000 Stunden bei einem Belastungsstrom von 1250 mA erzielt wurde.

Bild 5: Das Orion-Beamforming-Modul mit Stellar-Technologie von Plessey. Plessey

Die geringe Grundfläche und die gerichtete Lichtabgabe der GaN-on-Si-LEDs ermöglichte zudem die Entwicklung von Miniaturoptiken mit Stellar-Beamforming-Technologie auf Einzelchip-Ebene. Das erste Produkt auf Grundlage dieser Technologie ist das Orion-Beamforming-Modul, das letztes Jahr auf den Markt kam. Bei diesem Produkt handelt es sich um einen dünneren, leistungsstärkeren und präziseren Ersatz für COB-LEDs, die die Kosten einer gewöhnlichen Leuchte um bis zur Hälfte reduzieren.

(ah)