Blog de Alfred Sá

La construcción del LED (2ª parte)

Un semiconductor es un elemento químico metálico que se comporta como aislante o como conductor, dependiendo de factores como un campo eléctrico o magnético. Los principales son Silicio, Germanio, Cadmio, Aluminio y otros (consultar la Tabla Periódica en el post anterior). Un diodo es un elemento electrónico formado por dos partes semiconductoras de Silicio (Si), con una pequeña proporción otros materiales, ambas unidas entre sí. El diodo sólo permite la corriente eléctrica en una dirección cuando el voltaje entre ánodo y cátodo es el adecuado. Un chip o die es un circuito integrado sobre el que se pueden montar diferentes componentes electrónicos.

¿ Qué es un LED?
Un led es un diodo que emite luz, y esto ocurre solamente para ciertas combinaciones de materiales. La emisión de luz se produce en la unión P-N, (en un lado el semiconductor se comporta como P, y en el otro lado como N, siendo P= exceso de huecos yN= exceso electrones ). Además, es necesario que la corriente que traspasa al diodo led sea capaz de movilizar los electrones de forma que salten de una órbita a otra, (buscando los huecos disponibles) y produciendo choques entre ellos, y una liberación de energía, siempre en forma de calor y también como luz visible, de diferentes longitudes de onda.

Pero también ese calor, no aprovechable (producto de los choques de electrones), afecta a la producción de luz y a la vida del led, degradándolo rápidamente. Por eso, la forma en que se construye el diodo, cómo se unen los semiconductores y cómo son las conexiones, determina las prestaciones del led desde el primer día y la longevidad del componente.

¿Cómo nace la luz blanca?
El led es monocromático yla luz blanca que emite se puede conseguir de varias formas:

1. Uniendo varios led del tipo R, G y B, pero esta combinación no produce una luz blanca de calidad.
2. Usando un tipo de led azul con una capa de fósforo, sabiendo que, según las características de ambos elementos, obtendremos una luz más fría, neutra, o cálida. Pero seguiremos con las características de ésta luz producida, en las próximas semanas.

¿Qué tipos de LED existen actualmente?
Cronológicamente, los primeros led fueron los DIP o dual in package, después aparecieron los SMD y los COB. Veremos ahora los sistemas clásicos, y también las novedades tecnológicas recientes como Flip Chip, SCP, etc.

Diodo de 5 mm (DIP LED)
Tiene dos “patillas” largas que son ánodo ycátodo, y la unión P-N está encapsulada en una pieza redondeada normalmente de plástico epoxi, que hace también de lente. Es sencillo, pero poco eficiente, y sólo está disponible en pequeñas potencias, pues de otro modo el calor destruiría la cápsula envolvente.

Forma habitual de un DIP LED

Diodo SMD
Es la abreviatura de Surface Mounted Device. Esta tipología constructiva logró un aumento importante de las prestaciones, pudiendo combinar con gran precisión los ledes en un circuito integrado, y sobre una superficie plana, permitiendo el uso para aplicaciones de iluminación, aplicando lentes individuales o en grupo sobre la parte frontal. La disposición de varios led en un solo plano, obliga a gestionar cuidadosamente la evacuación del calor, bien montándolos sobre una superficie disipadora de aluminio o cerámica, o incluso añadiendo a veces pastas conductoras del calor, y/o con elementos salientes en la parte posterior para aumentar superficies de refrigeración del led.

Los SMD suelen ser cuadrados y planos, aunque inicialmente eran más sofisticados y poco intercambiables con otros fabricantes.

Varios SMD (Surface Mounted Device). Foto de Nergiza.com

COB LED
Abreviatura de Chip on board. Pueden tener múltiples diodos en el mismo chip, con un solo circuito, reduciendo el número de contactos eléctricos y simplificando la construcción. Hace 5 o 6 años tenían menores rendimientos que los SMD, pero esto ha cambiado y han conseguido imponerse en muchísimas aplicaciones de iluminación general. No funcionan con una lente individual para cada diodo, sino una lente para todo el conjunto de ledes, que van cubiertos con una capa de fósforo y se comportan como un único elemento emisor de luz, normalmente monocromática.

Los MCOB o Múltiple Chip on Board, son una derivación del anterior, uniendo varios COB en una placa o carcasa, para conseguir un paquete de flujo luminoso mayor, bajo una misma lente, o varias.

Elementos más comunes
La mayoría de diodos led de alta potencia se fabrican a partir de cristales de origen III-Nitride de GaN. Una combinación muy común durante estos años ha sido la InGaN/GaN. Recientemente se han creado ledes con la combinación GaN/GaN obteniéndose unas prestaciones extraordinarias.

Flip Chip
Este sistema constructivo (led SMD) es muy usado actualmente ypermite la eliminación de soldaduras reduciendo el circuito integrado a la mínima expresión, una pieza de silicio con pequeñas conexiones eléctricas. Todos los fabricantes lo utilizan para algunas aplicaciones, por su reducido tamaño y simplicidad de funcionamiento.

Estructura de los sist emas constructivos Flip Chip

SC5
Este modelo de led, de CREE, lanzado al mercado en diciembre de 2014, pertenece a la gama denominada XHP (Extreme Hight Power) y permitía obtener casi 2600lm en una pastilla de sólo 5x5 mm con 19w, o 4000lm con 32w, en una pastilla de sólo 7x7 mm. La dimensión (mm2) del led es importante, expresa la densidad lumínica del chip.

SC5 de Cree, en diferentes medidas y densidades lumínicas

CSP
Esta tecnología, Chip Scale Package, que de alguna forma deriva de la anterior, ha irrumpido en el mercado de la iluminación al final del verano de 2015, pues hasta ahora sólo era utilizada en aplicaciones como backlight, automoción o en flash para cámaras. Tanto Philips como Samsung habían vendido millones de unidades de esta tecnología, pero ahora Seoul Semiconductores ha creado una versión llamada WICOP para iluminación general.

En esta tecnología CSP, la construcción del led se hace sin un “marco” exterior, y sin conexiones de hilo de oro, que son habituales. En el caso de ledes WICOP (wafer-level integrated* chip on PCB), aún se simplifica más, eliminando también el substrato y la pasta que suelen utilizarse.

Ahora los únicos elementos del led WICOP son el chip y el recubrimiento de fósforo. Se fijan directamente sobre la placa de circuito impreso o PCB. Esta forma tan simple de producir los ledes plantea a los fabricantes la siguiente pregunta: ¿qué hacemos con las maquinarias y útiles que usábamos hasta ahora para fabricar el led?

CSP (Chip Scale Package)

Estructura del WICOP, imágenes de Seoul Semiconductores

Acriche
Existe otro tipo de led, que ya está en su 3ª generación, que funciona directamente con corriente alterna a 230V, pues integra algunos elementos electrónicos que transforman la corriente alterna en corriente continua y la intensidad constante que el led necesita. Los rendimientos son peores que en los ledes tradicionales, pero la “ventaja” es el ahorro de un elemento imprescindible normalmente, el “ driver ”.

Esto no es lo más habitual y de hecho este led es una excepción del fabricante Seoul Semiconductores pero esto lo explicaremos más adelante con detalle.

Acriche, de Seoul Semiconductores

La construcción del LED (3ª parte)

Tal y como mencionaba al inicio del post, 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.

Este 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 el Blog de 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. Al final del post, menciono una bibliografía en castellano y en inglés, destacando la bibliografía interactiva incluida en el CD del libro de Marcombo.

No obstante, como siempre, insisto en repetir que en internet hay muchísima información, lo único que hay que hacer es 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, recomiendo un vídeo de introducción muy interesante, visto en YouTube. Se trata de un reportaje audiovisual de menos de diez 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), explicaba 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) [*Nota: “ Wafer ”es una oblea o disco de silicio.]

Textos 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 .