L'illuminazione a LED ha rivoluzionato il settore dell'illuminazione pubblica e residenziale grazie ai suoi numerosi vantaggi, tra cui l'efficienza energetica, la durata, la versatilità e la qualità della luce emessa. Tra le innumerevoli tipologie di LED disponibili in commercio, i LED COB (acronimo di Chip on Board) si sono affermati come una soluzione promettente per l'illuminazione ad alta potenza. In questo articolo, si esplorerà nel dettaglio la tecnologia dei LED COB, analizzando le loro caratteristiche tecniche e il processo di fabbricazione. Inoltre, si effettuerà un confronto con altre soluzioni simili valutando le prospettive future dell'applicazione dei LED COB nei differenti settori di riferimento.
I LED COB (Chip on Board) rappresentano una tecnologia avanzata per l'illuminazione a LED guadagnando dunque quote di mercato sempre superiori. Questi sono costituiti da una matrice di chip LED posizionati su una scheda che funge da supporto ed elemento dissipativo. Questa configurazione permette di raggruppare numerosi chip LED in un'unica unità, fornendo una migliore distribuzione luminosa rispetto ad altri tipi di LED. Inoltre, si ottiene anche una maggiore densità di potenza luminosa su una piccola area. Il principio di funzionamento dei COB è pressoché identico alle altre tecnologie LED: quando viene applicata una corrente elettrica ai LED, si verifica il fenomeno dell'elettroluminescenza, dove gli elettroni si ricombinano con le lacune nella giunzione p-n, emettendo energia sotto forma di luce. Tuttavia, grazie alla combinazione di numerosi LED all'interno di un singolo chip possiamo ottenere una maggiore densità di potenza luminosa su un'area ridotta, garantendo un'elevata luminosità e una migliore dissipazione del calore. Dunque, l'efficienza luminosa dei LED COB è generalmente elevata, consentendo una maggiore conversione dell'energia elettrica in luce visibile. La resa cromatica è un altro aspetto importante, e i LED COB possono essere progettati per offrire una resa cromatica ottimale. La temperatura di colore può variare in base alle esigenze applicative. L'angolo di emissione può essere personalizzato per adattarsi a specifiche applicazioni, fornendo una distribuzione uniforme della luce. La vita utile dei LED COB è generalmente elevata grazie alla natura robusta dei materiali semiconduttori utilizzati. L’attività di design dei chip è cruciale per garantire prestazioni ottimali, e la disposizione elettrica dei chip sul substrato permette di ridurre gli spazi tra di essi e massimizzare l'efficienza termica. Quando si utilizzano i COB si ha la necessità di intervenire a causa della concentrazione di calore su una piccolissima area. Infatti, la gestione termica del calore dissipato è un aspetto cruciale per questa tecnologia vista l’elevata densità di potenza luminosa che ottengono. Tale gestione si ottiene utilizzando soluzioni di raffreddamento ad hoc capaci di garantire prestazioni ottimali.
Processo di fabbricazione
Il processo di fabbricazione dei LED COB (Chip on Board) richiede una serie di passaggi chiave per la creazione dei dispositivi funzionanti. Andiamo dunque a descrivere dettagliatamente i vari step del processo di fabbricazione. Il processo di fabbricazione dei LED COB inizia con la preparazione del wafer, che di solito è realizzato con un materiale a semiconduttore come il nitruro di gallio (GaN). Il wafer viene sottoposto a una serie di trattamenti chimici e fisici per pulirlo e migliorarne la qualità superficiale. Questo processo include l'uso di soluzioni chimiche per rimuovere le impurità e le contaminazioni presenti sulla superficie del wafer. Successivamente, viene eseguita la deposizione epitassiale. Questo processo coinvolge la crescita di uno strato epitassiale, generalmente di GaN, sulla superficie del wafer tramite tecniche come la deposizione chimica in fase vapore (CVD) o la deposizione a fascio molecolare (MBE). Lo strato epitassiale viene depositato con precisione controllata per ottenere una struttura cristallina di alta qualità. Dopo la deposizione epitassiale, viene eseguito il processo di litografia per definire le strutture dei LED sul wafer. Questo processo comporta l'applicazione di uno strato di materiale fotosensibile, chiamato resist, sulla superficie del wafer. Successivamente, il resist viene esposto a un modello di luce tramite una maschera fotolitografica, che definisce i contorni delle strutture desiderate. Dopo l'esposizione, il resist viene sviluppato chimicamente per rilevare i pattern desiderati. Una volta completato il processo di litografia, viene eseguito il processo di eterogiunzione. Questo coinvolge l'introduzione di diversi materiali a semiconduttore nella struttura dei LED per creare regioni p-n, necessarie per la generazione di luce. Solitamente, vengono utilizzati materiali a semiconduttore come l'arseniuro di gallio (GaAs) o il fosfuro di indio (InP) per le regioni p, mentre il nitruro di gallio (GaN) viene utilizzato per la regione n. Dopo il processo di eterogiunzione, vengono eseguiti i passaggi di deposizione elettrodi e connessione. Gli elettrodi vengono depositati sul wafer tramite tecniche come la deposizione di metalli tramite evaporazione o sputtering. Gli elettrodi servono a fornire l'alimentazione elettrica ai LED e a consentire la connessione del wafer a un substrato. Infine, viene eseguito il processo di wafer-dicing. In questa fase, il wafer viene tagliato in piccoli singoli chip, ognuno dei quali rappresenterà un singolo LED COB. Questi chip vengono successivamente montati su un substrato, come una scheda di circuito stampato (PCB), e connessi elettricamente tramite saldatura o collegamenti filiformi. Una volta completato il processo di fabbricazione, i LED COB sono pronti per essere utilizzati.
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Non sono un esperto ma vedo che l’illuminazione a LED viene generalmente fornita in 3 gradazioni, calda, neutra e fredda.
Ognuna di queste limita la resa cromatica.
Mi chiedo se ci sono, in commercio, delle fonti di luce che comprendano, sullo stesso supporto, tutti e tre i tipi cromatici.
Io non ne ho visti e non capisco se ci siano delle difficolta’ tecniche nella loro realizzazione.
Quelle che tu indichi come gradazioni in realtà è il valore di “calore” per la luce bianca poiché indicati con valori di temperatura in gradi Kelvin. In linea generale, per uso civile (casalingo, uffici e via dicendo) queste sono standardizzate in caldo (2700-3000 K), neutro (4000 K) e freddo (6000-6500 K). In realtà esistono anche temperatura superiori per particolari applicazioni. Questa temperatura, che di fatto ci modifica la tonalità, si ottiene nei LED con specifici processi costruttivi del LED stesso, in maniera analoga alla realizzazione del LED rosso, verde o giallo. Ossia, la giusta composizione del semiconduttore per formare la giunzione del diodo LED. Infatti da questa si determina la lunghezza d’onda dell’emissione di picco dei fotoni. La tonalità finale dipenderà anche dalla presenza di eventuali materiali plastici che incapsulano il LED stesso.
Dopo questa premessa tecnica rispondo direttamente alla sua domanda: tecnicamente è possibile realizzare componenti integrati in grado di ottenere le 3 tonalità caldo, neutro e freddo. L’oggetto realizzato sarebbe praticamente simile ad un LED RGB dove le tre componenti non sono rosso, giallo e blu ma semplicemente tre componenti diverse di bianco. Inoltre con la giusta modulazione delle tre componenti si potrebbe ottenere una valore qualsiasi di valore di tonalità di caldo. Praticamente non avrebbe molto senso questo poiché i led bianchi trovano larga applicazione nel contesto dell’illuminazione civile dove la temperatura è sempre ben definita a priori e dove, essendoci un numero mostruoso di sorgenti luminose, è fondamentale mantenere il costo basso. Penso però che in commercio qualcosa di simile (ossia lampade con tonalità regolabile) è possibile trovarle.
La mia domanda nasceva da queste considerazioni, premettendo che, al di la delle indicazioni in gradi Kelvin, io ragiono sempre in termine di frequenze, perche’ mi e’ piu’ congeniale:
– dove io vedo meglio le cose e’ alla luce del sole,
– il sole irradia su tutte le frequenze a cui il mio occhio e’ sensibile,
– ogni tipo di led irradia in un campo di frequenze molto piu’ limitato rispetto alla capacita’ del mio occhio,
– queste considerazioni le faccio a prescindere dalla sensibilita’ del mio occhio alle varie frequenze,
La mia scelta per l’illuminazione a led e’ orientata verso quelli a luce naturale ma riscontro sempre e comunque una differenza notevole rispetto alla luce solare.
Ecco perche’ mi chiedevo se non fosse positivo aggiungere sia dei led a luce calda e a luce fredda per migliorare la visione complessiva.
Il risultato che piace a me, potrei magari raggiungerlo anche solo con dei Led RGB opportunamente calibrati ?
E’ come per l’alta fedelta’: gli MP3 suonano e si riconosce perfettamente la musica riprodotta ma il risultato e’ inconfrontabile rispetto ad una riproduzione non compressa.
Grazie per l’attenzione,
Tullio