Бесплатно по Украине
0
Корзина пуста
Открыть корзину

SMD-светодиоды

Общеизвестно, что на второе десятилетие XXI-го века пришёлся пик использования различной светодиодной техники. При этом доминирующей областью применения таких полупроводников ожидаемо стало освещение. Огромное число осветительных изделий основывается на технологии SMD, однако далеко не все знают, что кроется за этой аббревиатурой. Сегодня мы постараемся рассказать читателям, в чём её сущность и преимущества.

Истоки светодиодного освещения прослеживаются ещё в первых поколениях пятимиллиметровых диодов выводного монтажа. Они и сегодня используются в ручных фонариках и некоторых видах светильников, однако SMD-технология всё же выглядит более перспективной. Выводные диоды не могут похвастаться ни достаточной длительностью работы, ни хорошими углами рассеивания лучей, ни высокой энергоэффективностью. Кроме того, по сочетанию габаритов и эффективной освещённости SMD-диоды заметно превосходят предыдущее поколение.

 

 Лампочка со штыревым патроном на SMD-светодиодах

 

Что такое SMD-светодиоды?

Правильнее всего будет начать с расшифровки аббревиатуры. SMD по-английски означает «surface mounted device», что можно буквально перевести как «изделие, смонтированное на поверхность». Безусловно, многие скажут, что и другие типы диодов, и вообще вся электроника монтируется на некоторую поверхность, однако в данном случае ключевое отличие состоит в плотном прилегании к основанию. Те же пятимиллиметровые диоды было принято устанавливать на плату через заранее подготовленное отверстие, а здесь речь идёт о непосредственной пайке. Вместо пары длинных ножек тут присутствуют специальные контактные площадки. Их может быть от двух до пяти штук, в зависимости от количества кристаллов и продуцируемых цветов освещения. Кроме понятного уменьшения размеров изделия, упрощается и сам процесс пайки – вместо чёткого попадания припоем в тонкую ножку, в этих изделиях даётся некоторый допуск на неточность, поскольку в площадку попасть гораздо удобнее.

С эксплуатационной точки зрения очень важно, что чип, который при работе вырабатывает значительный световой поток, а потому нагревается, оказывается максимально близок к радиатору для эффективного теплоотвода. В случае с выводными диодами и просто любыми маленькими источниками света в корпусах достичь той же степени охлаждения было бы крайне проблематично. Обычно электрическая мощность одного SMD-диода лежит в диапазоне 0,01–0,3 Вт, что позволяет устанавливать их большими группами и при этом совершенно не перегружать питающее устройство. В одной вполне обычной светодиодной лампочке может находиться 30-50 светодиодов, а её потребляемая мощность при этом составлять всего 10-12 Вт.

Для сферы освещения чрезвычайно важным является показатель сферического рассеивания лучей. Благодаря тому, что диод закреплён на поверхности и непосредственно под ним нет «вредного» пространства, углы разлёта спокойно могут достигать 170° во всех направлениях, то есть, покрывать почти всю полусферу. При этом миниатюрность размеров диодов оставляет простор для установки другой микроэлектроники и драйверов в источник света или иное изделие. SMD-диоды нередко используют для индикации чего-либо, постоянно применяют в различных светодиодных табло и дисплеях. Подобные детали легко объединяются в группы или монтируются независимо, они используются в светодиодных лентах, поскольку из-за небольшого размера не боятся изгиба основания, а благодаря доступности различных типоразмеров SMD-диоды помогают реализовывать самые неординарные осветительные решения.

Технология производства полупроводников такого типа довольно обычна. SMD-кристаллы выращиваются посредством так называемой металлоорганической эпитаксии, предполагающей послойное осаждение материала из паро-газовой среды. В наше время любое производство светодиодов – это высокоточная автоматизированная технология, где на каждом этапе проверяются достигаемые характеристики изделия. К примеру, в процессе выращивания кристаллов оборудование чётко следит за тем, чтобы толщина каждого слоя была такой, как следует, с минимальным допуском. Ввиду микроскопических размеров изделий в таких случаях счёт идёт на доли микрон или ангстремы (в зависимости от страны-производителя).

После того, как кристалл будет собран из слоёв, полученный «сэндвич» легируется специальными примесями, которые обеспечивают наличие доноров или акцепторов в материале. Разные производители добиваются собственного соотношения полюсных элементов, из-за чего p-n-переход в светодиодах разных марок происходит с неодинаковой интенсивностью, влияющей на яркость и мощность изделия. Обычно механизм получения требуемого количества электронов в n-области и дырок в р-области является частью защищённой патентом технологии и особо тщательно охраняется производителем.

Следующими этапами изготовления будут вытравливание плёнки, формирование подводов к слоям с разной полярностью и покрытие этих областей новыми плёнками из металла, которые в дальнейшем станут обеспечивать присоединение контактов. Исходную цельную плёнку, которую удалось вырастить на общей подложке, машина режет на десятки и сотни тысяч мелких чипов, фактическая площадь которых обычно не превышает 1 кв. мм. Далее из них делают те самые светодиоды, которые впоследствии будут подвергнуты монтажу накладным способом, а затем помещены в лампу или светодиодный светильник.

 

 Типы SMD-светодиодов

 

Каждый кристаллик устанавливается в собственный миниатюрный корпус, у которого обычно уже имеются токовыводы. После его фиксации на своём месте, изделие может заливаться раствором клеевого закрепителя или покрываться специальным светооптическим составом, обеспечивающим большую прозрачность верхнего слоя. При создании обычного белого диода, на кристалл ровным слоем наносится люминофор с оттенком, который будет соответствовать необходимой цветовой температуре.

Хотя основные операции по созданию светодиода уже осуществлены, не они являются доминирующими в себестоимости его изготовления. К примеру, просветляющее оптическое покрытие не обеспечивает фокусировку света от изделия, а только лишь позволяет ему проходить сквозь слои к поверхности с минимальными потерями. Потому на финальных стадиях поверх диода крепится отдельно изготовленный светопрозрачный купол, призванный консолидировать лучи и направить их под требуемым телесным углом. Кроме того, готовому изделию нужен индивидуальный микроскопический радиатор, представляющий собой фрагмент тончайшей металлической пластинки, по форме повторяющей основание светодиода. Ввиду высокой точности этой работы и применения специальных материалов, только два последних этапа вносят около 50% в конечную стоимость каждого готового полупроводника рассматриваемого типа.

В тесной связи с SMD-технологией находится СОВ-технология. Можно сказать, что вторая фактически невозможна без первой – и вот, почему. Ещё одна аббревиатура, СОВ, расшифровывается как «chip-on-board», то есть, «чип на плате», однако формирование светового чипа без SMD-диодов невозможно. Сущность данной концепции состоит в том, что некоторое количество светодиодов поверхностного монтажа одновременно размещаются на общей подложке. При этом используются кристаллы без корпусов и собственных керамических подложек. Для консолидации свечения большого количества разрозненных кристаллов вся площадка с ними заливается цельным слоем люминофора. Данный подход стал популярен потому, что он с одной стороны снижает стоимость производства ввиду меньшей технологичности процесса изготовления и точности дозировки люминофора, а с другой – заметно увеличивает эффективную яркость свечения и углы разлёта лучей у того светоприбора, который будет собран на основе СОВ-технологии. К категории подобных изделий относится довольно большой класс прожекторов и некоторые виды промышленных светильников.

Вне зависимости от мелких аспектов производственного процесса, ключевым отличием SMD-диодов является то, что в конечном итоге они всё равно размещаются на общем основании. Их индивидуальная металлическая подложка позволяет быстро отводить тепло не только в стороны, но и через плату, на которой они закреплены. При необходимости активно охлаждать светоизлучающую поверхность ввиду большой мощности самого прибора, такой общий радиатор гораздо проще обдувать вентилятором.

С точки зрения оптики SMD-технология обеспечивает очень хорошее соотношение между фокусировкой света и рассеиванием лучей. В условиях значительного количества небольших источников нужный эффект достигается почти автоматически, без применения более сложных и дорогостоящих оптических систем или каких-либо приёмов. Яркий сфокусированный поток вполне может себе позволить потери в 5-8% от силиконовой оболочки или защитного стекла, не уменьшив при этом фактические эксплуатационные характеристики готового прибора.

 

 Лампы типа "кукуруза" на SMD-светодиодах

 

Характеристики SMD-светодиодов

Принцип маркировки полупроводников такого типа очень прост: в его основу положено указание размеров в миллиметрах без запятой. Так, диоды SMD 3528 будут иметь 3,5 мм в длину и 2,8 мм в ширину, а надпись SMD 5050 означает, что перед Вами квадратное изделие со стороной 5 мм. Логично было бы предположить, что большие по размеру изделия будут давать большую яркость, однако это неверно. Речь скорее должна идти о площади излучения, а за яркость будет отвечать ток, который пропускается через эти диоды.

Наибольшее распространение сегодня получили как раз именно те два типоразмера, которые указаны выше – SMD 3528 и SMD 5050. Их активно используют в светодиодных лентах на 12 В и небольших сигнальных лампочках, например, автомобильных. При этом в светильниках и обычных лампах зачастую применяются иные модификации. Например, в последние годы усилилась тенденция к применению типоразмеров SMD 5630 и SMD 5730 для бытовых и промышленных светоприборов.

Если Вам доведётся столкнуться с пайкой подобных диодов вручную, может возникнуть резонный вопрос: где на изделии находится какой полюс. Производители позаботились о том, чтобы катод и анод было обнаружить очень легко – визуально и без применения измерительной техники. Если рассмотреть SMD-диод вблизи, можно обнаружить, что один (у квадратных моделей) или два (у прямоугольных) уголка изделия немного срезаны. Тогда та контактная площадка, которая находится со стороны среза, будет являться минусовым электродом, а противоположная ей – плюсовым.

Также следует отметить, что электрические характеристики светодиодов разного типоразмера отличаются, а потому их нельзя считать полностью взаимозаменяемыми на схеме. Для примера, SMD 3528 рассчитаны на ток в 20 мА, а SMD 5730 – в 30 мА. При этом расчётная мощность первых составляет всего 0,06 Вт, а у вторых может доходить до 1 Вт. Ввиду приведённых здесь характеристик становится понятно, почему не следует совместно подключать светодиоды разных типов в один контур. При монтаже это существенно усложняет пайку на основание с одинаковыми интервалами, а в процессе эксплуатации грозит перегревом диодов одного типа. Более того, из-за разницы рабочих токов и энергопотребления, из строя может выйти не только самый «слабый» элемент, но и весь контур.

Принципы монтажа полупроводников таковы, что их всегда следует подключать только вместе с резистором или специальным драйвером, который будет способен обеспечить ограничение по величине силы тока. При последовательном соединении SMD-светодиодов, как в ленте, необходимо группировать их по три штуки и также защищать резистором с корректно подобранными характеристиками. Прежде всего, следует понимать, что любой диод имеет чрезвычайную чувствительность к силе тока. Если она даже незначительно и краткосрочно повысится, это сразу же приведёт к снижению срока службы полупроводников. Некоторые экспериментаторы порой умышленно «разгоняют» диоды, подавая на них ток выше нормативного значения, однако при этом они обычно знают, что сознательно уменьшают ресурс светоприбора и подвергают дополнительной опасности сам контур питания. Специалисты же советуют всегда чётко придерживаться инструкции.