עלייתם של מודולי LED בטכנולוגיית שבב-על-לוח

עד לאחרונה, מתכנן תאורה המבקש לנצל את יתרונות היעילות, אורך החיים והחוסן של נורות LED עבור גופי התאורה שלו עמד בפני מספר אתגרים עיקריים. 

בין האתגרים הקשים ביותר הוא הצורך לחשב כמה נורות LED בדידות נדרשות כדי להשיג את "צפיפות הלומן" (יציאת אור ליחידת שטח) הנדרשת עבור המוצר, ואחר כך לתכנן את לוח המעגל בהתחשב בדרישות ההספק ובדרישות התרמיות של המערך מבלי לצרוך שטח גדול מידי בתוך המנורה. אחר כך המהנדס צריך להבטיח שכל נורות ה- LED בקבוצה יוצרות צבע זהה בכדי לעמוד בציפיות הצרכן. 

כיום ישנו פתרון פשוט יותר. יצרני LED הציגו צורת מארז חדשה עבור התקנים עם הספק גבוה יותר: מערך LED בטכנולוגיית שבב-על-לוח (COB). עם הספקת יחידות אלו, יצרני LED עשו את מלאכת התיאום בין נורות LED שונות ואת התכנון של מצע מתאים לנשיאת "מנוע האור". וטוב יותר מזה, מערכי COB LED מאפשרים ליצרני LED לנצל את יתרונות טכניקות שיפור הנצילות כגון "חומר זרחני מרוחק" ("Remote Phosphor"). 

מאמר זה סוקר את הדוגמאות המסחריות הקיימות האחרונות של מערכי COB LED ומעריך כיצד מגזר זה יתפתח בעתיד הקרוב. 

חסרונות מערכי LED בדידים

למרות שביצועי נורות LED השתפרו בצורה דרמטית, התקנים יחידים עדיין אינם מייצרים די תפוקה עבור יישומי התאורה הנפוצים. לדוגמה, נורת להט יחידה של ‎120 V, ‏‎100 W מפיקה 1,700 לומן (בנצילות של בערך ‎17 lm/W). בהשוואה, נורת LED נפוצה כגון ‏150 OSLON SSL מבית OSRAM מפיקה 136 לומן (‎350 mA, 3.1 V, 125 lm/W). מתכנן תאורה יזדקק לתריסר התקני OSRAM כאלו בכדי לספק בערך את אותה עוצמת אור כמו נורת הלהט. 

מציאות זו גורמת לבעיות בגלל השטח הפיזי שתופסות נורות ה- LED (בדרך כלל מספר סמ"ר). מעבר לכך, השילוב של נורות LED במערכים מציג אתגרים מנקודות המבט של ההארה, האופטיקה והייצור. 

מיטוב איכות האור ממערך LED הוא קשה. יצרני LED ממיינים את נורות ה- LED לתוך 'תיבות' ('Bins') לפי טמפרטורת הצבע המתואמת (Correlated Color Temperature - ‏CCT) ועוצמת האור, בקירוב, אך התאמה מדויקת של ההתקנים השונים כך שהצרכנים לא יבחינו בכל הבדל הופכת להיות יקרה ואיטית. 

בעייה נוספת עם מערכי LED גדולים היא שההתקנים מתיישנים בקצב שונה. לרבות מנורות ה- LED בהתקן תאורה יש תוחלת חיים ארוכה בעוד שאחרות מתעמעמות, וכתוצאה מכך הצרכן זורק לפח את התקן התאורה כולו. לבסוף, הרכבת מערך של נורות LED רבות היא קשה ודורשת עבודה רבה, המגדילה עוד יותר את העלויות. (ראה המאמר ב- TechZone "התפתחויות במארזי LED וביעילות מגדילות את צפיפות הלומן.") 

חיסכון בהרכבה

בכדי להתמודד עם הבעיות של תכנון ואחר כך הרכבה של מערך LED, ייצרני LED מציעים כעת פתרון מודולרי בצורת מערך COB LED. התקן כזה מספק הן מארז קרמי והן רמה גבוהה של שילוב. 

מערכי COB LED חוסכים ליצרני התקני התאורה את הצורך בהשמת נורות LED בדידות על לוח המעגל המודפס (PCB) או שגורם אחר יעשה זאת עבורם. יתרון נוסף המקל על תהליך הייצור הוא שמארזי COB מתאימים להרכבה ידנית. ניתן להדביק את ה- COB באמצעות דבק אפוקסי או בחיבור מכני לצלעות הקירור מבלי שידרשו משאבים הנדסיים רבים. (ראה המאמר ב- TechZone "שיקולי המארז בשיפור ביצועים ובהורדת עלויות.") 

חברת Molex מציעה מגוון של מחזקי מערכי LED ‏COB עבור מוצרי Bridgelux ו- Cree המתוארים להלן (תרשים 1). 


תרשים 1: מחזקי מערכי COB LED מבית Molex מתאימים למוצרים של מספר יצרני LED עיקריים. 

היתרונות של מערכי COB LED אינם מוגבלים ליתרונות בהרכבה; ישנם גם מספר יתרונות אופטיים. ההתקנים משתמשים בדרך כלל ב"משטח פולט יחיד" בצורת דיסקה מצופה בחומר זרחני. נורות LED לבן קונבנציונליות משתמשות ב- LED כחול ואחר כך משנות את האור תוך ניצול אפקט Stokes-Shift, על ידי שימוש בחומר זרחני המורכב מהמינרל Yttrium Aluminum Garnet (‏YAG) המאולח (doped) עם היסוד הנדיר צריום (Cerium). ה- LED והחומר הזרחני משולבים לתוך מארז יחיד. 

בכל אופן, מספר חוקרים טוענים כי ההתקנים המכונים "חומר זרחני מרוחק" (בהם החומר הזרחני הוא בדיסקה המורכבת במרחק מסוים מה- LED הכחול, המשטח הפולט היחיד במקרה של מערך COB LED) משפרים את הנצילות ומאריכים את חיי ה- LED. (ראה המאמר ב- TechZone "חומר זרחני מרוחק מציע חלופה ל- LED לבן.") 

מערכי COB LED מסחריים

יצרני ה- LED העיקריים השיקו משפחות של מערכי COB LED מסחריים. חברת Cree השיקה לאחרונה מערך הארה COB LED לו היא קוראת פתרון XLamp CXA. החברה טוענת שזוהי טכנולוגיה פורצת דרך המכפילה את עוצמת האור של מערכת זרקורים בהשוואה למערכים קודמים. לדברי החברה, המוצר הראשון במשפחה שהושק, ה- LED‏ CXA1520, מאפשר ליצרני התקני תאורה ליצור מוצרים המספקים את אותה עוצמת אור כמו זו של התקן קרמי העשוי מהלייד-מתכת (Metal-Halide) של ‎39 W אך עם צריכת הספק הקטנה ב- 50%. 

מערכי CXA1520 LED מספקים עד 3,478 לומן ב- ‏‎‏‎‎‎ 33 W(ב- 85°C). המוצר זמין עם ערכי CCT בין 2,700 עד ‎,5,000 K ועם אפשרויות אינדקס הצגת צבע (Color Rendering Index, ‏CRI) של 70, ‏80 ו- 95. 

מערכי CXA הם בעלי משטח פולט אחיד המאפשר תאורה כיוונית ולא-כיוונית ביישומים ובתכנים של גופי תאורה (תרשים 2). המוצר זמין בעקיבות צבע בצעד-אחד ובשני-צעדים, עם מקור אופטי של 19 מ"מ. 


תרשים 2: מערכי CXA מבית Cree הם בעלי משטח פולט אחיד. 

כדי לא להישאר מאחור, חברת Seoul Semiconductor מציעה את סדרת ZC שלה. לדברי החברה, מאחר וסדרת ZC היא של התקני COB ואין צורך בהרכבה משטחית עבור נורות ה- LED, יצרני התקני תאורה יכולים לעקוף את תהליך חיבור השבב ובכך להוריד את עלות היחידה. 

חברת Seoul Semiconductor טוענת שהשימוש ב"מצעי אלומיניום רפלקטיביים ביותר" משפר את הבהירות ומאריך את חיי ה- LED. סדרת ZC זמינה ב- ‎6 W, ‏1‎0 W ו- 1‎6 W, אשר לדברי החברה הם תחליפים מתאימים עבור נורות להט 4‎0 W ו- 6‎0 W ותאורת תקרה של 10‎0 W, בהתאמה. 

סדרת ZC זמינה עם ערכי CCT בין 2,700 עד ‎5,600 K וערכי CRI מינימליים של 70 או 80, ויכולה להפיק 2,400 לומן (בזרם קדומני של 48‎0 mA). בדומה למוצר מבית Cree, סדרת ZC מבית Seoul Semiconductor משתמשת במשטח פולט אחיד עבור מערך ה- LED אשר קוטרו הוא 19 מ"מ. 

חברת Bridgelux מציעה את סדרת מערכים מרובעים ES שלה (תרשים 3) כדי להתחרות במגזר זה. לדברי החברה, מקורות אור קומפקטיים אלו עם צפיפות שטף גבוהה מספקים הארה אחידה ללא פיקסליזציה או אפקט הצללה מרובה הנגרמים בפתרונות מבוססי נורות LED בדידות. מערכי Luxeon COB LED מהדור האחרון מספקים בין 700 ל- 3,000 לומן עם נצילות טיפוסית של 90 עד ‎130 lm/W. היחידות זמינות עם ערכי CCT של 2,700 עד ‎ 5,700 Kוערכי CRI של 70, ‏80 או 90. 


תרשים 3: המערכים המרובעים ES מבית Bridgelux זמינים בגירסה של 19 מ"מ. 

החברה טוענת כי ההתקנים, המשתמשים במשטח פולט יחיד בקוטר 19 מ"מ, מפחיתים את מורכבות המערכת ומאפשרים תכני נורות וגופי תאורה ממוזערים ובעלי יחס עלות-תועלת מיטבי. ההתנגדות התרמית המופחתת מאפשרת את השימוש בצלעות קירור קטנות יותר או תורמת לאמינות משופרת של מערכת התאורה כאשר משתמשים בצלעות קירור גדולות יותר. 

הגידול של COB

היתרונות של החיסכון בעלויות של מערכי COB LED בהשוואה לשימוש בנורות LED בדידות, החיסכון בתכנון לוח מעגלים לשאת אותם ואחר כך בהרכבת היחידות הם משכנעים ביותר עבור ייצרני גופי התאורה. יתרונות אלו דוחפים את הגידול הדרמטי במגזר זה. 

לפי דברי חברת המחקר Research & Markets, שוק ה- COB LED צפוי לגדול בקצב גידול שנתי משוקלל (CAGR) של 40.71 אחוזים בתקופה של 2013 עד 2018. מעבר ליתרונות האחרים, אחד מהגורמים העיקריים התורמים לגידול בשוק זה הוא המחיר היורד של נורות ה- LED, לדברי החברה. מרבית הביקוש הגדל מקורו ביישומי תאורה נפוצים. 

גם אם מספרים אלו של המעריכים הם במידת מה אופטימיים, מגזר מערכי ה- COB LED צפוי לגדול משמעותית בשנים הקרובות. ניתן לצפות ליצרני LED נוספים אשר ישיקו מוצרים בעתיד הקרוב ביותר.