№1 / 2016 Статья 2 XLamp XP-G3 от Cree: новая технологическая платформа SC5 плюс стандартный корпус

Михаил Червинский (Cree)

Увеличенное значение тока и повышенная эффективность – главные особенности нового светодиода XP-G3 из серии XLamp от компании Cree. При этом размеры его корпуса – те же, что и у предшественников. А архитектура кристалла Direct Attach делает новый светодиод менее чувствительным к броскам тока.

Компания Cree постоянно совершенствует свои технологии, инвестируя до 10% прибыли в новые разработки. Основными направлениями деятельности являются исследования в области повышения эффективности и надежности кристаллов и люминофоров.

Результатами этой работы за последний год стало появление сразу целого класса светодиодов XHP, использующих последнее поколение технологической платформы SC5 [1, 2]. Новые светодиоды обеспечили принципиально новый уровень светового потока, что позволило многим производителям уменьшить габариты и стоимость решений.

Следующим долгожданным шагом развития линейки светодиодов Cree стал переход существующих серий на новую технологическую платформу SC5. Первой ласточкой стала легендарная серия XP-G2, на базе которой компания недавно анонсировала третье поколение продукта – серию XP-G3 [3].

Сочетание новых технологических решений и проверенных материалов позволило сделать светодиоды XP-G3 крайне эффективными и надежными. Рассмотрим новинку подробнее.

Эффективность XP-G3 достигает 177…190 лм/Вт @ 350 мА, Tj 85°C, а максимально достижимое значение светового потока – 777 лм.

Рисунок 1 иллюстрирует позиционирование XP-G3 в линейке существующих однокристальных продуктов с одинаковым посадочным местом (3,45×3,45 мм).

Рис. 1. Позиционирование XP-G3 в линейке существующих однокристальных продуктов с одинако- вым посадочным местом

Рис. 1. Позиционирование XP-G3 в линейке существующих однокристальных продуктов с одинаковым посадочным местом

Видно, что новинка занимает нишу, которая в свое время образовалась с выходом серии XP-L, уровень светового потока которой в разы превышает типовые значения серий XT-E и XP-G3. Также следует отметить, что аналогичное посадочное место имеет светодиод XHP35, который не показан на рисунке.

XP-G3 наследует размеры и конструкцию корпуса у серии XP-G2, что обеспечивает полную совместимость светодиода с существующими печатными платами и оптикой.

На рисунке 2 показан внешний вид, а в таблице 1 даны основные параметры XP-G3 в сравнении с ближайшими аналогами в таком же корпусе – сериями XT-E и XP-G2.

Рис. 2. Внешний вид XT-E, XP-G2 и XP-G3

Рис. 2. Внешний вид XT-E, XP-G2 и XP-G3

Таблица 1. Основные параметры XP-G3 в сравнении с ближайшими аналогами в таком же корпусе

Наименование XT-E XP-G2 XP-G3
Размер корпуса, мм 3,45×3,45×2,36 3,45×3,45×2,26 3,45×3,45×2,26
Масимальный ток/мощность, мА/Вт 1500/5 1500/5 2000/6
Vf @ 350 мА, 85°C, В 2,85 2,8 2,75
Тепловое сопротивление, °C/Вт 5 4 3
Наличие проволочных соединений с кристаллом Нет Есть Нет
SMD-монтаж Есть Есть Есть
RoHS & REACH Есть Есть Есть
UL Recognized Level 4 Level 4 Level 4
Изолированная площадка для отвода тепла под корпусом Есть Есть Есть

Основные параметры светодиодов серии XLamp XP-G3:

  • максимальная энергоэффективность: 187 лм/Вт (XPGDWT-01-0000-00ME2);
  • максимальный световой поток: 777 лм;
  • максимальная рассеиваемая мощность: 6 Вт;
  • максимальный ток: 2,0 А;
  • типовое падение напряжения: 2,73 В (при токе 350 мА и температуре кристалла 85°С);
  • тип собственной КСС: Д
  • угол: 125°;
  • максимальная температура кристалла: 150°С;
  • габаритные размеры: 3,45х3,45 мм.

Обновленная версия XP-G3 по сравнению с предшественниками имеет увеличенное значение максимального тока – до 2 А. Предположение о том, что XP-G3 использует кристалл большего размера подтверждается низкими значениями теплового сопротивления и прямого падения напряжения – 3°C/Вт и 2,75 В соответственно. На рисунке 3 показано сравнение ВАХ рассматриваемых серий светодиодов.

Рис. 3. ВАХ светодиодов серий XP-G2, XP-G3 и XT-E

Рис. 3. ВАХ светодиодов серий XP-G2, XP-G3 и XT-E

На рисунке 4 показана зависимость эффективности серий XP-G3, XP-G2 и XT-E от мощности светодиода. Для примера взят серийно доступный на момент написания статьи бин светодиодов XP-G3 и XP-G2 S4 – от 164 лм при 350 мА 85°С (для XT-E бин S3 – от 156 лм при 350 мА 85°С).

Из рисунка 4 видно, что XP-G2 и XP-G3 имеют близкое преимущество по сравнению с XT-E в диапазоне мощностей до 4 Вт, при этом больший запас по максимальной мощности у XP-G3 позволяет на 20…30% увеличить ток через светодиод в светильнике, пропорционально сократив количество светодиодов, оптики и размер печатной платы. Такой переход с XT-E на XP-G3 является более консервативным по сравнению с возможностями светодиодов XHP [9], но при этом он требует меньших инвестиций в разработку (можно сохранить существующую конструкцию оптики, плат и радиатора).

Рис. 4. Зависимость эффективности серий XP-G3, XP-G2 и XT-E от мощности светодиода

Рис. 4. Зависимость эффективности серий XP-G3, XP-G2 и XT-E от мощности светодиода

Особо следует отметить, что светодиод XP-G3 использует кристалл архитектуры Direct Attach (DA) [4]. Аналогичные кристаллы меньшего размера используются в популярных сериях XT-E и XB-D и отличаются повышенной устойчивостью к электрическим, тепловым и механическим перегрузкам по сравнению с кристаллами вертикального типа, которые, преимущественно, используются в светодиодах высокой мощности.

Конструктивной особенностью архитектуры Direct Attach является то, что подложка, на которой выращивается гетероструктура, не отделяется от кристалла, как при производстве кристаллов с вертикальной архитектурой, а сохраняется. Сам кристалл имеет контактные площадки в одной плоскости, которая монтируется на керамический корпус светодиода. Оставшаяся подложка образует верхний слой кристалла, который, благодаря хорошей светопропускаемости карбида кремния и специальной огранке поверхности, формирует, собственно, первичный источник излучения светодиода, на который в дальнейшем наносится люминофор [5, 6]. Упрощенное изображение структуры кристалла показано на рисунке 5.

Рис. 5. Упрощенное изображение структуры кристалла

Рис. 5. Упрощенное изображение структуры кристалла

Как было отмечено выше, электрические контакты кристалла Direct Attach расположены в одной плоскости на корпусе светодиода и имеют большую площадь, по сравнению с верхним проволочным контактом у светодиодов с вертикальными кристаллами. Именно это делает светодиод с кристаллом Direct Attach более устойчивым к броскам тока, которые часто возникают при эксплуатации светильников в сетях уличного освещения и на индустриальных объектах.

До недавнего времени основным ограничением для широкого использования кристаллов типа DA в мощных светодиодах была относительно большая высота подложки и ее сложная форма огранки. В общем случае такой источник света по сравнению с размерами линзы светодиода нельзя рассматривать как планарный, что затрудняет разработку вторичной оптики со сложной формой КСС [7]. Несмотря на это, невысокая цена люмена у светодиода XT-E сделала его популярным именно в сфере уличного освещения. При разработке нового продукта на базе кристалла DA инженерам Cree удалось решить эту проблему за счет более технологичной обработки SiC-подложки. В результате светодиод XP-G3 получает мощный кристалл с надежной и проверенной архитектурой Direct Attach. При этом размер и оптические свойства светодиода аналогичны серии XP-G2, что значительно упрощает применение новинки. На рисунке 6 показано схематичное сравнение источников света для рассматриваемых серий.

Рис. 6. Схематичное сравнение источников света для серий XT-E, XPG2 и XP-G3

Рис. 6. Схематичное сравнение источников света для серий XT-E, XPG2 и XP-G3

Отдельно хочется обратить внимание на недавно анонсированное семейство компактных бюджетных модульных линз Stradella-8 производства компании Ledil [8], которые в сочетании с повышенной светоотдачей XP-G3 позволяют проектировать компактные, надежные и недорогие решения.

В качестве подтверждения высокой надежности нового продукта на рисунке 7 и в таблице 2 приведены первые результаты испытаний LM-80 [10] для светодиода XP-G3 (платформа SC5) и его технологического предшественника XP-G2 (платформа SC3).

Рис. 7. Результаты испытаний LM-80 для светодиодов XP-G3 (платформа SC5) и XP-G2 (платформа SC3)

Рис. 7. Результаты испытаний LM-80 для светодиодов XP-G3 (платформа SC5) и XP-G2 (платформа SC3)

Таблица 2. Первые результаты испытаний LM-80 для светодиодов XP-G3 (платформа SC5) и XP-G2 (платформа SC3)

Наименование XP-G2 XP-G3
Ток, мА 1000
Ta/Tsp, °C 85
α 7,180E-08 2,588E-07
β 0,9742 0,9998
Время тестирования, час 9,072 6,048
Расчетное значение L95, час >100,000 >100,000
Расчетное значение L90, час >54,400 >36,300
Подтвержденное значение L90, час >54,400 часов >36,300

На момент написания статьи длительность тестирования XP-G3 достигла необходимого для аппроксимации функции деградации светового потока и оценки прогнозируемого срока службы в соответствии с требованиями стандарта LM-80 уровня 6000 часов. По имеющимся данным видно, что новый светодиод имеет лучшую стабильность по сравнению с предшественником – светодиодом серии XP-G2, стабильность которого долгое время была эталоном надежности современного мощного светодиода с подтвержденными данными по деградации. Видно, что переход на новый светодиод позволяет прогнозировать срок работы светильников по еще более строгому критерию – L95 (деградация светового потока на 5% от начального значения), что позволяет существенно сократить типовой коэффициент запаса для осветительных установок, сокращая тем самым присоединенную мощность и количество светильников в проектах.

Для тех производителей, которым интересно более эффективно и экономично использовать ресурс светодиода [12], будет интересен более высокий ток 1500 мА и температура 105°С. Данные по деградации XP-G3 в этом режиме приведены в рисунке 8.

Рис. 8. Деградация XP-G3 при токе 1500 мА и температуре 105°С

Рис. 8. Деградация XP-G3 при токе 1500 мА и температуре 105°С

Из рисунка 8 следует, что в этом режиме деградация светодиода будет ожидаемо более интенсивной, однако абсолютные значения срока службы будут иметь достаточно высокие значения – по критерию L90 боле 70 000 часов, по L70 – более 100 000 часов.

Важно подчеркнуть, что светодиоды XP-G3, как и любой продукт Cree Xlamp, имеют унифицированную систему обозначений и биновки, что упрощает выбор подходящего кода заказа. Новая технология обеспечивает возможность реализации модификаций с повышенным индексом цветопередачи (CRI 90+) во всем диапазоне цветовых температур CCT 2700…5700K в дополнение к стандартным исполнениям с CRI 70 и CRI 80. Это делает светодиод еще более привлекательным для применения в таких задачах как стадионное освещение и проектирование прожекторов для освещения телестудий. Также XP-G3 стал первым в индустрии однокристальным светодиодом, в котором была применена технология EasyWhite [11], которая обеспечивает однородность цвета до 3 эллипсов Мак-Адама при заказе светодиодов (рисунок 9).

Рис. 9. Технология EasyWhite, обеспечивающая однородность цвета до 3 эллипсов Мак-Адама

Рис. 9. Технология EasyWhite, обеспечивающая однородность цвета до 3 эллипсов Мак-Адама

Заключение

Светодиод нового поколения XP-G3 объединил в себе преимущества популярных серий XT-E (отказоустойчивость при внештатных перегрузках) и XP-G2 (хорошие оптические свойства, совместимость с большим парком оптики). Благодаря новой технологической платформе SC5 светодиод имеет улучшенные характеристики по эффективности и мощности, а также по надежности и качеству света.

Литература

  1. www.Cree.com/sc5.
  2. Новые серии светодиодов компании Cree на основе улучшенной технологической платформы. Андрей Туркин, Михаил Червинский. Полупроводниковая Светотехника № 1/2015.
  3. Cree.com/xlamp/xpg3.
  4. http://www.Cree.com/LED-Chips-and-Materials/Chips/Chips/Direct-Attach/DA1000-LED.
  5. А.Лебедев, С.Сбруев. SiC-электроника: прошлое, настоящее, будущее. ЭЛЕКТРОНИКА, Наука, Технология, Бизнес, № 5/2006.
  6. Флип-чип-светодиоды на основе гетероструктур AlGaInN, выращенных на подложке SiC Е.М. Аракчеева, И.П. Смирнова, Л.К. Марков, Д.А. Закгейм, М.М. Кулагина Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе, РАН, Россия, Санкт-Петербург.
  7. Cree® XLamp® XB-D and XT-E LED Optical Design Considerations CLD-AP104 Rev 0D www.Cree.com.
  8. www.ledil.com/stradella.
  9. Новые технологии — для нового поколения светодиодных светильников. Михаил Червинский, Игорь Музалевский, Сакен Юсупов. Полупроводниковая светотехника, № 3/2015
  10. www.Cree.com/xlamp_app_notes/lumen_maintenance.
  11. LED Color Mixing: Basics and Background. Technical Article. CLD-AP38 REV 1C. www.Cree.com.
  12. Cree® XLamp® LED Operating Capacity. Application Note. CLD-AP89 rev 0D. www.Cree.com.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.