El auge de los Módulos LED COB

Hasta hace poco, el diseñador de iluminación con deseos de aprovechar las ventajas de la eficacia, la duración de vida útil y la solidez de los ledes de su luminaria se veía enfrentado con algunos desafíos claves.

Entre los más imperativos se encontraba la necesidad de calcular cuántos ledes eran necesarios para lograr la necesaria "densidad de lúmenes" (salida de luz por unidad de área) para el producto, y luego diseñar una placa de circuito impreso que tomara en cuenta los requisitos de energía eléctrica y térmicos de esta matriz sin consumir demasiado espacio dentro de la lámpara. A continuación, el ingeniero debía asegurarse de que todos los ledes en conjunto emitieran un color idéntico para satisfacer las expectativas de los consumidores.

Hoy en día, existe una solución más simple al alcance de la mano. Los fabricantes de ledes han introducido una nueva forma de paquete para sus dispositivos de gran potencia: la matriz de ledes COB (chip integrado en placa). Al suministrar estas unidades, el fabricante de ledes ha hecho la labor de cotejar entre los ledes individuales y elaborar un substrato adecuado para transportar la "luz del motor." Mejor aún, las matrices de ledes COB permiten a los fabricantes de ledes aprovechar las ventajas de las técnicas de mejoras en la eficiencia, tales como el "fósforo remoto".

Este artículo repasa los últimos ejemplos disponibles en el mercado de matrices de LED COB y considera los desarrollos potenciales del sector en un futuro próximo.

Inconvenientes de las matrices de ledes discretos

Aunque el rendimiento de los ledes ha mejorado de forma notable, los dispositivos individuales aún no producen suficiente salida para una aplicación de iluminación convencional. Por ejemplo, una sola bombilla incandescente de 100 W y 120 V genera 1.700 lúmenes (con una eficacia de aproximadamente 17 lm/W). En comparación, un popular LED como el OSLON SSL 150 de OSRAM genera 136 lm (350 mA, 3,1 V, 125 lm/W). Un diseñador de iluminación necesitaría una docena de estos dispositivos de OSRAM para proporcionar aproximadamente el mismo resultado que la bombilla.

Esto presenta problemas debido al espacio físico que ocupan los ledes (normalmente varios centímetros cuadrados). Por otra parte, agrupar los ledes en matrices también introduce retos desde el punto de vista de la iluminación, la óptica y la fabricación.

Optimizar la calidad de la luz a partir de una matriz de ledes es complejo. Los fabricantes de ledes separan los ledes en "recipientes" de aproximadamente la misma temperatura de color correlacionada (CCT) y luminosidad, pero adaptar estrechamente cada uno de los dispositivos para que el consumidor no observe diferencias es un proceso caro y requiere mucho tiempo.

Un segundo problema con una extensa matriz de ledes es que los dispositivos se van agotando a diferentes índices. Muchos de los ledes en un elemento pueden contar con una extensa vida útil restante, mientras que otros se han atenuado, lo que causa que el consumidor deseche la unidad. Por último, montar una matriz con numerosos ledes es difícil y requiere de trabajo intenso, lo cual aumenta los costos. (Ver en TechZone el artículo "Paquetes de LED y Avances en Eficacia Aumentan la Densidad de Lúmenes.")

Eliminar el ensamblado

Para resolver los problemas de diseño y luego montar una matriz de ledes, los fabricantes ofrecen ahora una solución modular en forma de una matriz de LED COB. Este dispositivo ofrece un paquete cerámico y un alto nivel de integración.

Las matrices de LED COB eliminan la necesidad de los fabricantes de iluminación de colocar ledes individuales en una placa de circuito impreso (PCB) o hacer que alguien los coloque por ellos. Otra de las ventajas que puede facilitar el proceso de fabricación es que los paquetes COB (chip integrado en placa) son adecuados para montaje manual. El COB puede ser adherido con epoxi o mecánicamente acoplado al disipador térmico sin que se requiera una extensa variedad de recursos de ingeniería. (Ver en TechZone el artículo "Considere el Embalaje para mejorar el Rendimiento y la Reducción de costo.")

Molex ofrece una amplia gama de soportes de matrices de ledes COB para los productos Bridgelux y Cree que aparecen a continuación (Figura 1).


Figura 1: Los soportes de matrices de ledes COB de Molex son aptos para productos de una gran gama de fabricantes de ledes.

Las ventajas de las matrices de LED COB no se limitan a beneficios relacionados con el ensamblaje; hay algunas ventajas ópticas también. Los dispositivos suelen utilizar una única "superficie de emisión", en forma de disco recubierto de fósforo. Los ledes blancos convencionales usan un LED azul y, a continuación, se produce un cambio en pulsos de la luz que emite el LED mediante un fósforo de granate de itrio y aluminio (YAG) mezclado con el escaso elemento de tierra, el cerio. El LED y el fósforo se combinan en un solo paquete.

Sin embargo, algunos investigadores afirman que en los llamados dispositivos remotos de fósforo (en los cuales el fósforo se halla en un disco montado a cierta distancia de los ledes de color azul, la única superficie de emisión en el caso de una matriz de LED COB) se logra mejorar la eficacia y extender la vida útil de los ledes. (Ver en TechZone el artículo "El fósforo remoto ofrece una alternativa a los ledes blancos".)

Matrices comerciales de LED COB

Los principales fabricantes de ledes han introducido las familias comerciales de matrices de LED COB. Cree ha lanzado recientemente una matriz de iluminación de ledes COB llamada XLamp CXA. La compañía afirma que es una tecnología revolucionaria que duplica la intensidad de los focos en comparación con anteriores matrices. La compañía confirma que el primer producto lanzado en la familia, el LED CXA1520, permite a los fabricantes de iluminación crear productos que ofrecen la misma luminosidad que un dispositivo cerámico de haluro de metal de 39 W pero utiliza hasta un 50% menos de energía.

Las matrices de LED CXA1520 ofrecen hasta 3.478 lúmenes y 33 W (a 85 °C). El producto está disponible en opciones CCT desde 2.700 a 5.000 K e índice de reproducción cromática (CRI) de 70, 80 y 95.

La matriz CXA ofrece una superficie uniforme que permite realizar aplicaciones de iluminación y diseños de luminaria direccional y no direccional (Figura 2). El producto está disponible en consistencia de color de dos y cuatro pasos, con una fuente óptica de 19 mm.


Figura 2: la matriz CXA de Cree ofrece una superficie de emisión uniforme.

Difícil de superar, Seoul Semiconductor presenta su serie ZC. La compañía sostiene que debido a que la serie ZC es una matriz COB y los ledes no necesitan ser montados en superficie, los fabricantes de iluminación pueden omitir el proceso de conexión del chip, reduciendo los costos por unidad.

Seoul Semiconductor confirma que el uso de "sustratos de aluminio altamente reflectantes" mejora el brillo y prolonga la vida del LED. La serie ZC está disponible en 6, 10 y 16 W, que según la empresa son sustitutos aptos para bombillas incandescentes de 40 y 60 W y lámparas de 100 W o menores, respectivamente.

La serie ZC está disponible en CCT de 2.700 a 5.600 K y CRI mínimo de 70 u 80, y es capaz de producir 2400 lúmenes (en corriente directa de 480 mA). Similar a los productos de Cree, la serie ZC de Seoul Semiconductor utiliza una superficie de emisión uniforme para la matriz de ledes que mide 19 mm de diámetro.

Bridgelux ofrece su serie de Matrices Rectangulares ES (Figura 3) para competir en este sector. La compañía afirma que estas compactas fuentes de luz de alta densidad de flujo proporcionan iluminación uniforme sin pixelación o el efecto de sombra múltiple causado por las soluciones discretas basadas en LED. La última generación de matrices de LED COB Luxeon ofrece desde 700 a 3.000 lúmenes y una eficacia típica de 90 a 130 lm/W. Las unidades están disponibles con CCT de 2.700 a 5.700 K y CRI de 70, 80 o 90.


Figura 3: La serie de matrices rectangulares ES de Bridgelux está disponible en una versión de 19 mm.

La empresa sostiene que los dispositivos que utilizan una única superficie de salida de 19 mm de diámetro reducen la complejidad del sistema y permiten fabricar rentables lámparas miniaturizadas y diseños de iluminación. La resistencia térmica reducida permite usar disipadores térmicos más pequeños o mejorar la fiabilidad del sistema de iluminación cuando se usa un disipador térmico más grande.

El crecimiento de los diseños COB

Son notables las ventajas en cuanto al ahorro de costos en las matrices de LED COB en comparación con el uso de ledes discretos, el diseño de un circuito impreso para las mismas, y finalmente el montaje de la unidad. Esto hace que sean muy atractivas para los fabricantes de lámparas. Estas ventajas están impulsando el crecimiento espectacular del sector.

Según la firma de análisis Investigación y Mercados, se prevé que el mercado para ledes COB crezca a una tasa compuesta de crecimiento anual (CAGR) de 40,71 por ciento en el periodo de 2013 a 2018. Además de las otras ventajas, la empresa afirma que uno de los factores clave que contribuyen a este crecimiento del mercado es la disminución en los precios de los ledes. Gran parte del aumento en la demanda es impulsada por las principales aplicaciones de iluminación.

Incluso si las cifras de los pronosticadores resultan un tanto optimistas, es probable que el sector de matrices de LED COB crezca significativamente en los próximos años. Esperamos ver un mayor número de fabricantes de productos LED lanzar sus creaciones al mercado en un futuro muy cercano.