La construcción del LED (3ª parte)

La construcción del diodo led, el “encapsulado” o “package”, o sea la disposición de los diferentes elementos y materiales en capas y la forma en la que entregan la luz, son cuestiones iniciales y básicas. Sobre todo si se quiere llegar a comprender en profundidad el aprovechamiento de la luz emitida por el LED y cómo esta tecnología puede mejorarse en el futuro. Por ello, aquí hacemos una tercera entrega de este complejo y amplio tema, con el objetivo de poder detallar un poco más la información.

Éste no es un conocimiento necesario de igual manera para todos los perfiles de profesionales. Muchos diseñadores o arquitectos querrán conocer únicamente lo más básico de estos aspectos, porque prefieren profundizar en otros campos como las características, prestaciones, tipos de led y sobre todo, los ejemplos de utilización para inspirar sus proyectos o creaciones. Otros profesionales sí preferirán entrar muy a fondo en los detalles constructivos, la electrónica, las soldaduras, los costes de cada parte del proceso, etc, para optimizar el uso del led en sus fabricados.

Estos artículos en iCandela pretenden dar una pincelada general de cada tema de manera que queda en manos de cada usuario en qué partes quiere profundizar o qué aspectos le interesan más. En el 2º artículo de esta serie incluimos una bibliografía en castellano y en inglés, destacando la bibliografía interactiva incluida en el CD del libro de Marcombo.

No obstante, como siempre, insistimos en repetir que en internet hay muchísima información, lo único que hay que saber filtrarla adecuadamente, ya que existen bastantes datos “poco fiables”, desfasados en tiempo o, muchas veces, demasiado comerciales. Algunas pocas veces, en cambio, encontramos documentos excelentes e instructivos.

Como ejemplo, recomendamos un vídeo de introducción muy interesante que hemos visto en Youtube. Se trata de un reportaje audiovisual de menos de 10 minutos realizado por la Universidad de Granada en 2015, con el título ¿Cómo funciona un led? .

Breve repaso términos explicados en los 4 artículos publicados
Led i ledes. Luminiscencia. Diodo semiconductor. Cristal de Silicio. Dopaje. Encapsulado. FC, VTF, TFFC,
Materiales: Aluminio (Al), Galio (Ga), Indio (In), Arsénico (As), Fósforo (P) Nitrógeno (N), Indio (In) y Galio(Ga).
Semiconductor. Tabla periódica elementos. Diodo. Chip o die. Diodo Led = Diodo que emite luz. Unión P-N.
Luz monocromática. Dos formas de hacer luz blanca. Densidad lumínica.
Tipos de LED. DIP, SMD, COB, Flip Chip, SC5, SCP, MCOB, III-Nitride de GaN, InGaN/GaN, GaN/GaN.
CSP, Chip Scale Package, backlight, WICOP (wafer-level integrated chip on PCB) Acriche. Driver. Wafer .

Métodos constructivos y tipos de encapsulamientos del LED
En el libro Aplicaciones del led en diseño de iluminación (Marcombo), explicábamos que existen 4 formas de construir el led, que son el chip convencional (CC), el Flip chip (FC), el Vertical Thin film (VTF) y el Thin Film Flip chip (TFFC). Estos conceptos se encuentran muy bien desarrollados en el libro Leds for Lighting Aplications (Wiley-ISTE) pero recientemente han tenido una gran evolución, no contemplada cuando se publicó en 2009.

Hoy en dia en el mercado encontramos más del 90% de chips construidos de forma lateral, o sea el “chip convencional“ y menos del 10% de forma vertical, como el Vertical Thin Film (VTF) o los nuevos formatos tipo CSP. Esto ocurre porque estos nuevos métodos constructivos son muy recientes y, por tanto, tienen todavía mucha capacidad de mejora, en ahorro de costes constructivos y de mejorar prestaciones. Aún así, cada dia ganan presencia entre las diferentes firmas comerciales de iluminación.

Sobre estos nuevos conceptos cuesta encontrar información en Internet. Existen sobre todo artículos de investigación en inglés, aunque hemos encontrado varios artículos muy recientes e interesantes en francés en Lightzoomlumiere . En la revista Computer Semiconductor, también podéis consultar el artículo “Evolutionary new chip design targets lighting systems” , basado en informaciones de Philips Lumileds y, aunque es de 2007, resulta muy instructivo.

Diferencias entre las configuraciones
En los chips convencionales, tipo CC, los dos electrodos (la capa -p y la capa -n) están unidos directamente en la parte frontal del led. Esta configuración data de los primeros tiempos del led y ya está muy experimentada, pero tiene algunas restricciones. De hecho, esta forma constructiva tiene mayor resistencia eléctrica, por tanto existe una limitación de corriente y esto limita la potencia que puede alcanzar el led. En definitiva, actualmente están recomendados para aplicaciones de baja o media potencia.

• El sistema VTF

Para aumentar la corriente y la potencia, necesitamos ordenar las capas de forma diferente y esto se consigue con la construcción vertical oVFT. Con esta configuración de capas, la resistencia eléctrica disminuye lo cual permite aumentar la densidad de corriente yla potencia total del led.

Configuración del Sistema vertical o VFT (Fuente: Revista Compound Semiconductor, 2007)

Configuración VFT simplificada (Fuente Lightzoomlumiere.fr)

El sistema de configuración VFT lo vemos, por ejemplo, en recientes lanzamientos en el mercado de automoción, como es el led rojo para pilotos traseros del vehículo, compuestos por Al In Ga P, donde se alcanzan altas densidades lumínicas, alta eficiencia y costes competitivos.

Configuración VTF en un led rojo (puede ser ambar, naranja o “súper rojo”), compuesto por al In Ga P
(Fuente: Philips Lumileds, enero 2015)

• Sistema TFFC

En realidad, TFFC es una combinación de los sistemas Thin Film y Flip Chip, que explicamos brevemente en la anterior entrega . Este sistema constructivo todavía mejora más la densidad de corriente, como vemos en la gráfica.

Y para acabar, y para profundizar más en este apartado, recomiendo algunos artículos como el de la web Researchgate, publicado en el apartado “Aplied Optics”, con el título “ Resonant cavity effect optimization of III-nitride thin-film flip-chip light-emitting diodes with microsphere arrays ”(10/07/2015), o el artículo ya citado anteriormente de 2007, en el cual los autores comparan estos tipos de construcciones y sus ventajas. En 2007 estas configuraciones de LED alcanzaban ya los 150 lm/w en laboratorio.

Configuración tipo TFFC. (Fuente: Compound Semiconductor, 2007)

Texto de Alfred Sá

Alfred Sá se dedica a la iluminación desde 1986. Es ingeniero técnico industrial en electricidad y Lighting Designer. Es propietario del estudio independiente NUR L+D, y miembro profesional senior de APDI. En 2015 ha publicado el libro “Aplicaciones del LED en diseño de iluminación”, en el cual iCandela también ha colaborado como media partner.

Más información: alfred-sa@nurlighting.com y www.marcombo.com .