Tecnologia COB LED e vetro di Murano

COB, questo sconosciuto

COB non è di fatto una nuova tecnologia: di fatto essa viene usata da diversi anni tanto nel mondo dei semiconduttori che in quello dei LED. COB è un particolare sistema di “packaging” dei semiconduttori. In Cina la tecnologia COB LED è un brevetto della azienda Lightspot: “The package method and the product of multi LED chips on board (abbreviation COB )” e consiste in un nuovo tipo di packaging che consente l’assemblaggio di più chip LED in un unico modulo.

Il packaging dei semiconduttori?

Se guardate ad esempio una scheda madre di un qualsiasi PC, vedrete tante piccole scatolette di plastica o ceramica, dalle quali fuoriescono tanti piedini metallici che andranno o saldati direttamente alla scheda o prima inseriti in appositi “zoccoli” poi saldati sulla scheda. Queste scatolette forniscono anche una protezione fisica al chip semiconduttore. Uno degli svantaggi di questo tipo di contenitore “classico” è il fatto che va ad incrementare di molto le dimensioni fisiche del circuito a semiconduttore. Da un chip 2x2x1 mm si può arrivare a 10x20x5 mm, con un aumento di volume di ben 250 volte!

Il COB fa parte della serie di progressi fatti dall’industria in termini di packaging dei semiconduttori, l’obiettivo ovviamente è quella di ottenere una miniaturizzazione sempre più spinta.

MCP-package-progress
Fig.1 Progresso del packaging

La tecnica COB usata nei LED

Come noto il LED (light emitting diode) è una tecnologia che in linea teorica consente grandi risparmi di energia e lunghi periodi di esercizio. Tuttavia anche i LED non sono esenti da possibili guasti o svantaggi, in particolare quelli prodotti in tecnologia SM o Flux. Inoltre, se confrontati con sorgenti di illuminazione tradizionali quali le lampade fluorescenti, essi presentano, a causa delle loro ridotte dimensioni e alta luminosità, un bagliore troppo concentrato ed una luce poco diffusa. Questi ultimi problemi possono essere risolti con coperture o lenti di diffusione, tuttavia queste causano ovviamente una perdita di efficienza luminosa agendo da schermo nei confronti della luce LED.

Nel COB il chip semiconduttore non viene inserito in nessun contenitore ma montato direttamente sul circuito stampato o su un substrato. Vediamo come i LED sfruttano opoortunamente questo tipo di packaging esaminando prima altri tradizionali sistemi di montaggio.

Montaggio Through Hole

Through hole LED
Fig.2 Through Hole LED

Nella figura 2 è rappresentato un LED nel sua packaging più tradizionale, detto Through Hole: come si vede il LED viene montato direttamente su uno dei due pin, il catodo, che funge anche da dissipatore di calore. Il tutto viene poi ricoperto da una cupola in plastica trasparente. I due pin vengono poi inseriti in 2 fori praticati sul circuito stampato e saldati alle piste di rame. L’immagine è approssimativamente in scala e potete vedere quanto sia piccolo il LED vero e proprio rispetto al packaging.

Montaggio Surface Mount

SM LED
Fig.3 SM LED

Un altro tipo di packaging possibile è quello a montaggio superficiale, rappresentato in figura 3. In questo caso il LED è montato su un dissipatore che aiuta a diffondere il calore verso il substrato o verso un altro dissipatore esterno. Le connessioni elettriche vengono realizzate attraverso piastrine di contatto direttamente sulla superficie del circuito stampato, senza la presenza di fori. Questo tipo di packaging è vantaggioso per i processi automatizzati di montaggio ed inoltre fornisce un migliore contatto termico per il LED. Le connessioni elettriche all’interno del package vengono realizzate attraverso sottili fili (bond wire) che vengono saldati internamente sul chip. Anche in questo caso potete notare la sproporzione tra le dimensioni del LED e quelle del packaging.

Montaggio COB

Fig.4 COB packaging
Fig.4 COB packaging

La figura 4. mostra lo stesso chip LED assemblato con packaging COB (chip-on-board). Il LED è adesso collegato direttamente, attraverso una piastrina di connessione, al substrato o al circuito stampato, utilizzando una pasta adesiva conduttiva di qualche tipo, generalmente epossidica. Questo agisce in tal modo sia da connessione elettrica sia da via di fuga per la dissipazione del calore. La seconda connessione elettrica, invece, viene realizzata con un filo sottile (bond wire) allo stesso modo del montaggio superficiale, ma questa volta saldato direttamente ad una piastrina dorata sul substrato.

Confrontando questo caso con la figura precedente, vedete quanto più piccolo risulti il packaging finale. Inoltre esso presenta la più corta distanza possibile tra chip LED e substrato, permettendo così una più efficace estrazione del calore dal LED che potrà perciò essere usato a più alte potenze. Il packaging COB qui descritto è il più semplice possibile, esso non offre nessun tipo di controllo ottico del dispositivo.

Fig.5 COB con ottica
Fig.5 COB con ottica

In figura 5, una variante in cui nel substrato viene incorporato uno specchietto ottico che può fungere da riflettore per la luce del LED, mantenendo i vantaggi di ridotte dimensioni e di efficace dissipazione del calore. Ulteriori varianti sono possibili, ove altri elementi ottici vengono inseriti nella struttura.

La parte più delicata di questo tipo di packaging è il filo di collegamento tra il LED ed il substrato. Questi fili sono estremamente sottili, tipicamente 15-50 microm, spesso d’oro ma nei LED di potenza, ove è necessaria una corrente più elevata, anche di rame. Spesso i fili sono più d’uno e usati in parallelo per condurre la necessaria corrente. In ogni caso è indispensabile un qualche tipo di protezione per questi fili: guaine di silicone o materiale epossidico, ma in particolare nei LED più spesso questa protezione viene ottenuta attraverso il montaggio di una lente o di una finestra esterna.

I dispositivi ibridi, il vero plus del COB

Dispositivo-ibrido
Fig.6 Dispositivo ibrido

In figura 6 si vede un dispositivo ibrido con 4 LED – uno rosso, uno verde, uno blue ed uno bianco – montati secondo la tecnica COB sul substrato che in questo caso è il circuito stampato con le piste in rame. I chip dei LED ed i sottili fili di collegamento sono qui protetti da una finestrella trasparente in vetro.

Si possono vedere i molteplici fili di collegamento che vanno dalla superficie del chip dei LED fino alle piastrine di connessione sui bordi del packaging. Questo kit viene fornito già pre-assemblato e pronto per essere usato con circuiti stampati convenzionali. Questo tipo di dispositivi “ibridi”, risolvono anche uno dei maggiori problemi dei COB LED, la manutenibilità. Se il COB LED funziona esso è mediamente più affidabile di altre configurazioni a causa dei suoi ridotti punti di connessione. Ma in caso di guasto, esso risulta molto difficile da manutenere a causa della elevata difficoltà nel separare i chip LED dai loro substrati. Se avete una scheda con 50 COB LED separati, in caso di guasto probabilmente dovrà essere sostituita tutta le scheda. Nel caso dei circuiti ibridi prima descritti sarà sufficiente sostituire il modulo COB.

Inoltre, COB permette di ampliare l’area sorgente di luce anche di 10 volte, eliminando così il problema della diffusione luminosa. Per migliorare l’efficienza luminosa vengono usati chip di ridotte dimensioni. Tipicamente infatti, i chip di dimensioni minori possono raggiungere i 249 lm/watt a 20 mA; quelli di dimensioni maggiori, presentano una efficienza tipica di 161 lm/watt a 350 mA, ovvero l’efficienza luminosa decresce con le dimensioni del chip, decrescendo ulteriormente se i LED vengono pilotati con più alte correnti.

Il packaging COB è utilizzato da almeno una decina d’anni, ma soprattutto con LED di potenza; la novità è il loro uso adesso generalizzato anche per prodotti comuni al di fuori dei LED di alta potenza. Il substrato può essere un circuito stampato convenzionale o un materiale con migliori proprietà termiche, quali la ceramica.

I vantaggi del COB LED ceramico sono la resistenza termica molto bassa, la maggior area di dissipazione ed una migliore illuminazione ed efficienza.

Resistenza termica COB ceramico
Resistenza termica COB ceramico
Resistenza termica COB alluminio
Resistenza termica COB alluminio
Resistenza termica high power LED
Resistenza termica high power LED
Confronto conduttività termica tra COB e LED high power
Confronto conduttività termica tra COB e LED high power

COB array per RGB

Fig.7 Confronto LED array
Fig.7 Confronto LED array

La figura 7 mostra i potenziali vantaggi di questa tecnologia quando usata con un array di LED. In alto un tipico array RGB che utilizza il montaggio superficiale, consueto in diverse fonti di illuminazione per i teatri. Ogni package incorpora la propria ottica e le connessioni, ed essi vengono montati il più vicino possibile sul substrato. In basso lo stesso concetto di array RGB in un packaging COB: è adesso possibile montare il doppio di LED utilizzando lo stesso spazio e mantenendo ottime proprietà di smaltimento del calore. Ogni LED può qui avere la propria ottica o, come in figura, condividere una ottica comune con l’intero array. Questa configurazione è comunemente usata nella retroilluminazione dei monitor e comincia ad essere usata anche nella illuminazione da spettacolo. La maggior vicinanza dei LED migliora la resa omogenea dei colori ed evita l’effetto delle ombre multi-colore.

Un potenziale svantaggio, già menzionato, è la difficile manutenibilità per cui saranno probabilmente usate soluzioni ibride come quelle viste in precedenza o schede elettroniche composte da più schede figlie, in modo da minimizzare i costi di sostituzione. Il circuito ibrido più comune contiene 3 o 4 LED, del tipo RGB o RGBW ed una lente comune.

bridgelux
Fig.8 Bridgelux COB array

Altra soluzione ibrida adesso abbastanza comune è quella di figura 8. Qui si tratta di un array di LED blue montati in tecnologia COB sul substrato, tutto viene poi ricoperto da un disco di materiale verniciato al fosforo. Questo serve sia a proteggere i LED sia a convertire la luce blue emessa dai LED: la combinazione della luce blue e del giallo sui dischi al fosforo produce luce bianca. L’efficienza tipica di questi circuiti è di 100 lm/W e sono di facile montaggio. La produzione di tali array costituiti da piccoli chip LED montati a distanze molto ravvicinate è economicamente vantaggiosa e produce una luce molto omogenea che si comporta in modo molto simile ad una singola sorgente di luce.

Un altro vantaggio interessante della tecnologia COB si realizza nel montaggio diretto sul dissipatore metallico. Spesso infatti i designer decidono di montare i LED su schede che poi andranno collegate a superfici metalliche che possano coadiuvare lo smaltimento del calore (ed il calore è il nemico numero uno dei LED). Con il COB i LED possono essere montati direttamente sulla superficie metallica attraverso un foro nella scheda elettronica. Questo assicura il miglior contatto termico possibile, con poco o nulla che si interpone tra LED e dissipatore metallico.

E’ probabile che sempre più assisteremo alla diffusione della tecnologia COB nei prodotti di illuminazione comuni e da spettacolo. La tecnologia LED si sta evolvendo così velocemente da rendere già obsoleti prodotti di 1-2 anni fa.

Referenze

Mike Wood, “How do LEDs work? Chip-on-board”, Out of the Wood.
Lightspot Technology Co. Ltd
[ssba]