Dispositivos COB: una evolución en el encapsulado de los diodos LED

LED5V. Garantías de Calidad. El diodo COB

Este artículo es un resumen del informe encargado por LED5V al Centro Tecnológico ITAInnova, “Tecnologías LED para luminarias, tipos y tendencias”. Este informe fue elaborado por Jesús Paniagua – Ingeniero en Telecomunicaciones – y Jorge Riobó – Ingeniero Industrial -.

La tecnología LED ha evolucionado enormemente en los últimos años, no sólo en lo referente a los materiales utilizados en su fabricación sino en los que respecta a su encapsulado, de vital importancias para la disipación térmica. Siendo esto último un factor determinante en la vida útil de estos dispositivos.

Las dos tecnologías más extendidas de encapsulado son el SMD (Surface Monted Device) y el COB (Chip on Board).

El SMD es una tecnología muy utilizada en estos momentos entre los fabricantes de LEDs por ser uno de los primeros tipos de encapsulados pensados para luminarias. En el SMD los LEDs van montados sobre un soporte de resina. En este tipo de encapsulados cada LED es independiente, lo que hace que se necesite una placa de PCB sobre la que montarlos. Ese tipo de construcción hace que tengan problemas de transferencia térmica hacia el exterior, lo que les hace no adecuados para aplicaciones de alta potencia o de altos requerimientos temporales.

El encapsulado COB es una forma de agrupar varios leds en un único soporte, lo mismo que varios SMD se colocan sobre una placa de circuito impreso. Básicamente este encapsulado recoge en su interior un array de LEDs (típicamente 9 o más), que están sujetos directamente a un sustrato formando un único dispositivo. Debido a que los LEDs montados en su interior están en formato chip, y no en encapsulado comercial, el espacio requerido por el array es pequeño. Esto proporciona una mayor densidad lumínica por espacio requerido. (Keeping, 2014).

Por ejemplo los COB de CITIZEN utilizados por LED 5V integran matrices de 12 series en paralelo de 12 LED`s en serie, es decir 12×12 LED’s o bien de 18×12 LED’s o de 18×18, tal y como se representa en la siguiente figura:

LED5V. Post. Dispositivos COB. Matriz LED

Las ventajas son notables, ya que los problemas térmicos los minimiza el propio fabricante utilizando unos sustratos adecuados a la potencia del dispositivo. En la figura siguiente se ve como los chips de los LED (LED die) que constituyen el dispositivo COB están apoyados sobre un sustrato común (metal core board), que permite un mejor acoplamiento térmico (interface) con el radiador.

LED5V. Post. Dispositivos COB. Acoplamiento térmico

Por otro lado el sustrato utilizado (cerámica y aluminio) proporciona una alta eficiencia en la transferencia térmica hacia el elemento radiador. Mejorando la eficiencia y la vida del componente.

El COB utiliza, por construcción, un circuito único para todos los leds, con solo dos contactos. Este tipo de encapsulado evita la necesidad de utilizar una placa PCB  para la colocación de los LEDs de una luminaria, ya que es un encapsulado autocontenido.

Una de las ventajas de este tipo de encapsulado es la sencillez en la fabricación de la luminaria. Así el concepto Chip on board proporciona beneficios al fabricante de luminarias por su flexibilidad en el diseño, mejor calidad de luz  y un proceso de fabricación más simplificado, con respecto  al montaje más tradicional  de lo LEDs en formato SMD (Roos, 2014). Recomendando su uso en futuros diseños de luminarias, sobre todo en aquellas que deben están en funcionamiento largos periodos de tiempo, debido los mejores requerimientos térmicos.

De esta manera, según Rich Miron (2016), la aplicación principal de los led COB sería la sustitución de lámparas metál-halógenas en  aplicaciones industriales, luminarias viales y luminarias tipo “downlight”

Así, el COB se posiciona como la tecnología de encapsulamiento mas evolucionada y que aporta ventajas para determinadas aplicaciones, sobre todo aquellas que necesitan mas potencia y una mayor vida útil, y así lo confirma Shirley Fang (2015), que destaca entre otras las siguientes ventajas del COB:

  • Alta resistencia a los golpes.
  • Sustrato flexible, más resistente.
  • Alta capacidad de radiación luminosa
  • Tienen un desempeño luminoso
  • Mayor fiabilidad al no necesitar un circuito eléctrico para su funcionamiento
  • Luz multidireccional sin deslumbramiento
  • Mejor administración de las fluctuaciones eléctricas.
  • Encapsulado resistente al agua y fácil de limpiar.
  • Buen comportamiento a condiciones ambientales duras (corrosión, humedad, polvo, …)

De esta manera, Richard Wilson (2016) vaticina que la tendencia hacia sistemas luminosos más eficaces hará que el mercado se decante por el uso de la tecnología COB frente a la SMD.

Por otro lado realizando un estudio de tendencias tecnológicas basado en un análisis de patentes publicadas y artículos científicos relacionados con el COB y el SMD, desde el año 2010 hasta la actualidad, se pueden llegar a las siguientes conclusiones:

  • El comportamiento alcista en los últimos cinco años de patentes relacionadas con el COB ha elevado a esta tecnología a la primera posición por encima del SMD, tecnología que ha tenido un comportamiento mas estable en cuanto a número de patentes.
  • Las tecnologías SMD y COB pertenecen al campo de las tecnologías de encapsulado de estos dispositivos, lo que les da un enfoque más industrial (uso de los componentes) que de I+D (investigación en la generación de la luz en dispositivos semiconductores). Esto hace que la información científico-técnica asociada no sea excesivamente amplia.
  • Se observa que la producción de literatura técnica asociada a encapsulados SMD ha sido predominante hasta el año 2014, mientras que las tecnologías COB han ido en continuo incremento, superando actualmente a la de SMD.

De todo el análisis comparativo realizado entre las diferentes tecnologías de encapsulado de LED se pueden llegar a las siguientes conclusiones:

  • La tecnología SMD es una tecnología anterior a la COB, por lo que se encuentra mucho más extendida a nivel de producto que esta última.
  • Por la naturaleza del SMD, dispositivo sobre resinas, hace que a medida que la potencia el dispositivo se hace mayor (LEDs de alta potencia) los problemas asociados a la disipación térmica se incrementen.
  • La tecnología COB surge como solución al problema anterior, utilizando sustratos cerámicos apropiados para la disipación térmica, sobre los que se fijan varios dados de silicio tipo LED. Resultando un dispositivo multi-led en un único encapsulado.
  • La solución de encapsulado COB permite una mayor densidad luminosa y eficiencia energética, frente a la tecnología SMD, lo que da como resultado dispositivos con un alto porcentaje de luminosidad por watio consumido, alcanzándose valores cercanos a 170 lm/W para los COB. Este valor se incrementa a medida que aparecen nuevas generaciones de LEDs COB.
  • El tipo de luz generada por los LED COB no deslumbra y no genera multisombras.
  • El encapsulado SMD es muy útil para su distribución espacial en luminarias que simulan las clásicas bombillas incandescentes, ya que por tratarse de un conjunto de elementos individuales pueden ser colocados en muy diversas posiciones y orientaciones.
  • Las luminarias basadas en SMD permiten un mayor juego cromático, al poder mezclar en una misma luminaria dispositivos con emisiones en longitudes de onda diferentes; con la posibilidad de su modulación independiente dentro de la misma luminaria.
  • Debido a su construcción los dispositivos LED SMD son más frágiles y menos tolerantes a sobretensiones y fluctuaciones de la red eléctrica, frente a los dispositivos monolíticos tipo COB.
  • Los montajes con COB son también mucho más simples y permiten diversas estrategias de disipación térmica: radiadores en el dispositivo o utilización de carcasa como radiador.
  • Por características de la propia tecnología el encapsulado COB es más apropiado para uso industrial que el SMD.
  • La tecnología MICRO-LED está teniendo poca repercusión a nivel de luminarias, aunque es el modelo elegido para su uso en tecnologías de comunicación basadas en luz visible (VLC) y comunicaciones de banda ancha basadas en luz (LIFI) por sus características de ancho de banda y respuesta en frecuencia.
  • La tecnología MICRO-LED está más orientada a la fabricación de elementos de visualización como displays y pantalla de TV.
  • En cuanto a los principales fabricantes de dispositivos LED se observa que todos ellos están evolucionando los LEDs con encapsulado COB hacia elementos cada vez más eficientes y con mayor capacidad luminosa, siendo esta tecnología la punta de lanza de su innovación tecnológica.
  • En cuanto a los fabricantes de luminarias se observa que en el mercado de lámparas domesticas basadas en tecnología LED el encapsulado SMD se encuentra mucho más extendido que el COB, debido a su antigüedad en el mercado, a la facilidad en la generación de diferentes geometrías de lámparas y su flexibilidad cromática.
  • En el campo de la iluminación de alta potencia (industrial o vial) el incremento de la utilización del encapsulado COB es notable, según se deduce de los nuevos modelos presentados por los fabricantes de luminarias
  • La tipología SMD aparentemente es una tecnología que se encuentra en una fase más avanzada en cuanto a la introducción en el mercado y podría catalogarse como una tipología más madura que la COB.
  • La tipología COB está generando un gran volumen de documentación en los últimos años teniendo una tendencia alcista en todos los campos de desarrollo pudiendo ser interpretado como un indicador de producto incipiente en el mercado de consumo.
  • Los polos científico tecnológicos están desplazados a Asia principalmente si bien es cierto que hay que destacar por un lado que fuera del marco oriental EEUU es el otro referente, y que la gran mayoría de los desarrollos están protegidos en China siendo aproximadamente el 70% de las publicaciones en este país modelos de utilidad cuyo nivel inventivo está por debajo del de una patente. Es decir, muchos de los documentos de propiedad industrial son mejoras de diseño y no tienen un calado innovador destacable atendiendo a este criterio.

Autor: Benjamín Bentura Aznárez / Doctor Ingeniero Industrial / Socio fundador LED 5V y Responsable I+D

Referencias

Steven Keeping, “ED Packaging and Efficacy Advances Boost Lumen Density”, Electronic Products 2014

Gina Roos “Why and How Chip-on-Board (COB) LEDs Reduce Cost and Save Energy in Lighting Designs”, Electronic Products 2014.

Rich Miron, “The Basics of Chip on Board (COB) LEDs”, Digi-Key Electronics 2016

Shirley Fand, LED LIGHTING 2015

Richard Wilson, ELECTRONICS WEEKLY 2016

 

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