Los hombres y mujeres somos creados iguales, pero esto no aplica a los LED’s. El diseño del LED y su fabricación afectará su desempeño. Detrás de la fabricación de un chip LED hay una extensa labor de investigación y desarrollo para encontrar los elementos que mejor se adaptan a las características del LED que se quiere conseguir: color de la luz, intensidad, duración, resistencia, etc.
Todo comenzó hace muchos años, el primer diodo fue inventado en 1907 por el investigador británico HJ Ronda. Sin embargo este descubrimiento no generó ningún uso práctico durante años, despues en 1962, Nick Holonyak, Jr. Inventó el primer diodo luminoso práctico realmente, cuando se encontraba trabajando para General Electric, Los primeros diodos luminosos se empezaron a comercializar a finales de 1960, y eran de color rojo. Eran de uso general para servir como sustitutos de los indicadores incandescentes, y en las pantallas de siete segmentos, primero en equipos costosos, como equipos de pruebas de laboratorio y de electrónica, y más tarde en electrodomésticos tales como televisores, radios, teléfonos, calculadoras y relojes.
En 1993, Shuji Nakamura de las industrias químicas de Nichia dio con un LED azul usando el nitruro del galio (GaN). Con esta invención, era posible ahora crear la luz blanca combinando la luz de LED separados rojo, verde, y azul.
El proceso de investigación y desarrollo de Nakamura había llegado a ese material semiconductor que brindaba un color distinto y entonces todo cambió: de un LED azul pasamos a un fosfato amarillo, para crear fuentes de luz blanca. Así, el camino de los LED’s inició a partir de finales de los 90 y cerca del año 2000.
La parte más importante de ésta tecnología y de lo que la gente habla es de la eficiencia de los LED’s. El desempeño de los LED’s ha avanzado año tras año. Hace 10 años, tener un LED que emitiera la misma luz que un foco de 50 watts era un récord; al siguiente año un proveedor lanzó un LED con brillo similar a 55, 60 y hasta 80 watts. La eficacia de los LED’s sube y sube, parece que no se detiene. Si no fuera por la revolución de la iluminación, en la actualidad no estaríamos hablando de los LED’s.
Pero con base en el sistema estructural actual del LED y la tecnología de procesamiento, un brillo de 250 por watt es el límite acordado universalmente. Hoy en día, el desempeño del LED es de 160-180, por lo que todavía tenemos mucho que avanzar para llegar al 250 por watt.
Imaginen que si utilizamos el LED de alta eficacia y lo ponemos en una lámpara, la eficiencia de esa lámpara será alrededor de 250 por watt. Ese número nunca se había escuchado antes en el mundo tradicional de la iluminación utilizando ese tipo de tecnología, El desarrollo técnico de los LED continúa avanzando. En años recientes, la eficacia luminosa de los LED de color blanco ha aumentado hasta llegar al impresionante valor de 130 lúmenes por vatio, y superior. por eso todo mundo está interesado en este tipo de luz, no sólo la industria de la iluminación, sino también los gobiernos y algunos países como China, Corea, Japón y Estados Unidos que patrocinan programas de investigación y certificación de iluminación general.
En el mercado existen muchos proveedores de iluminación LED. Entre los más conocidos figuran Osram, Philips, Nichia, Cree, Lumileds, Samsung, LG Innotek y Seoul Semiconductor, pero hay decenas más, si alguna vez viajan a Asia se encontrarán con otros 30 proveedores.
Sin embargo, el asunto principal siempre ha sido cómo elegir el LED para necesidades y aplicaciones específicas.
Siempre que buscamos la definición de LED, encontramos que es un material semiconductor que puede generar luz. Consiste de una unión en P que se recombina, se genera un fotón y por eso sale la luz.
¿Cómo hacer un LED?
El proceso de fabricación del LED parte de un sustrato que puede ser un sulfuro, carburo, nitrato o un silicón que pasa por una cámara llamada MOCBDO o MOCPD, que es creada capa por capa para dar forma a esa estructura LED. Un diodo emisor de luz se compone de múltiples capas de material semiconductor. Cuando el diodo se utiliza con corriente directa, se produce luz en la capa activa. La luz producida se disocia directamente o mediante reflejos. Al contrario que las lámparas reflectoras incandescentes, las cuales emiten un espectro continuo, un LED emite luz de un color en particular. El color de la luz depende del material semiconductor utilizado. Se utilizan principalmente dos sistemas de materiales para producir LED con un elevado nivel de luminosidad y en todos los colores, desde el azul al rojo y, mediante la conversión luminiscente, también en color blanco. Son necesarias diferentes tensiones, para hacer funcionar el diodo en polarización directa.
Proceso de epitaxis
La epitaxis es el proceso por como está formado el diodo de LED. Hacer el sustrato del chip capa por capa de materiales es el paso más crítico de la fabricación. En un LED, la luz se produce cuando la corriente eléctrica atraviesa los materiales semiconductores que componen el chip. Estos semiconductores son de tipo P (carga positiva) y de tipo N (carga negativa), y la luz se genera cuando la corriente atraviesa el punto de unión entre ambos tipos de semiconductores (este espacio se conoce como unión PN). En este punto los electrones de la parte negativa ocupan los huecos de la parte positiva. Para combinarse con un hueco —que está en un nivel energético inferior— el electrón pierde energía en forma de fotón, o lo que es lo mismo: emite luz.
En el chip, los materiales que lo componen y el proceso de fabricación del mismo es lo que determina en gran medida la calidad del LED y por lo tanto, es el proceso más costoso y delicado. El motivo de que algunos LED tengan, a priori, un precio elevado (en comparación con una fluorescente, por ejemplo) es precisamente el costo de los materiales empleados —como el carburo de silicio o el zafiro—, y el delicado y minucioso proceso de fabricación, que se realiza bajo unas condiciones muy controladas de presión y temperatura.
Cualquier compañía que desee ser líder en el suministro de LEDs debe entender este proceso y dominarlo, ya que de lo contrario no podrá tener un mejor producto.
Este proceso determina algo que se llama eficiencia cuántica digital. Si el material semiconductor es lo suficiente puro y tiene menos defectos, tiene menos conversión de fotones.
Muchas compañías desarrollaron sus propias máquinas para hacer el proceso. Las empresas de más alto nivel son muy buenas en esto.
¿Cómo se fabrica un chip LED?
La fabricación de un chip comienza con la elaboración de un substrato o base semiconductora sobre la que aplicar el resto de componentes que marcarán el “carácter o tipo ” del LED que se desea. Esta base, en forma de oblea de unos 15 cm de diámetro, normalmente es de carburo de silicio o zafiro y los elementos que se “cultivan” sobre ella varían en función de las características de la luz que se desee conseguir: nitruro de indio y galio (InGaN) para luz azul; aluminio, galio, indio (AlGaInP) para tonos amarillos, naranjas y rojos o fosfuro de galio (GaP) para amarillo y verde.
Cuando todos elementos han sido depositados, quedan formadas las capas necesarias para el funcionamiento del chip: la capa N, la región activa (unión PN) y la capa P.
Posteriormente la oblea se divide en minúsculos rectángulos, que son los chips que finalmente se montan en cada LED y que se conectan a la corriente eléctrica. Antes, es necesario probar cada uno de los chips, para comprobar que la intensidad, color y brillo de la luz es el requerido en todos y cada uno de ellos.
El diseño del chip
Se Puede decir que los chips son simples, pero su diseño crea un fenómeno interesante. Imaginemos que tenemos 100 fotones generados en un cubo de LED, ¿cuántos de ellos pueden usarse y cuántos escaparse? Si no se trabaja en el diseño del chip y es un cubo simple, sólo 10 o 30 fotones podrán escaparse, pero ¿qué pasa con el resto? El chip tiene una forma cúbica muy buena que los fotones pueden rebotar, es decir, salir y regresar. No pueden escaparse, y son absorbidos por el mismo material que crean los fotones.
Por eso los científicos en los primeros días del diseño se dieron cuenta que para que hubiera más fotones en el chip se tenía que trabajar en el diseño. Pensaron en qué tenían que hacer para que la superficie no fuera tan perfecta, qué debían hacer con el sustrato, con el patrón. Supieron que debían endurecerlo y darle una forma irregular a la superficie para que cuando el fotón llegue y le pegue tenga mayores posibilidades de escapar de ese chip cúbico perfecto.
Muchas compañías desarrollaron diseños de chip interesantes: algunos con un ángulo inclinado para que rebotara mejor, otros crearon superficies endurecidas de la que pudieran escapar más fotones. Con estas estrategias la eficiencia de extracción del fotón aumentó del 10-30% a un 80-90%. Cada vez más fotones pueden escapar del chip y por consiguiente obtenemos más luz.
Proceso de conversión
Otro paso relevante es que para tener un nitrato que genera luz azul para crear luz blanca se necesita fósforo. Este fósforo, es importante para obtener luz blanca en el empaque. Esta conversión es otro parámetro crítico que las compañías de LEDs están buscando.
El paso final: La fabricación del empaque
El empaque es muy importante ya que no sólo es donde se aloja el chip LED, sino que además crea una buena ruta para que la corriente pase y el calor que se genere se disipe.
Existen mil formas de empaque buscando cada uno la eficiencia máxima, en este punto los fabricantes han tratado de averiguar cómo hacer pasar el calor del chip por medio del empaque, sin mencionar la máxima extracción de luz que hay que buscar, la gente desarrolla el empaque alrededor del chip para que la luz escape y pueda rebotar de la pared del empaque y redirija la luz a donde se desee que esté.
Si entramos a más profundidad en la construcción de los empaques del LED, hay algunas consideraciones que los proveedores de LEDs deben tomar en cuenta. Por ejemplo, a veces queremos tener diferentes ángulos de rayo, como un lente primario. Este lente principal ajusta el ángulo del haz y la selección del material también es importante ya que a veces no se desea que la luz blanca sea más grande que el material.
También se necesita considerar el material del empaque. Silicón y cerámica son los má usados por los fabricantes. Esta selección de materiales es importante para una confiabilidad a largo plazo del empaque del LED.
Incluso, a veces se necesita tener una óptica secundaria que es importante en algunas aplicaciones como las luces de las calles, las cuales debido a los requerimientos fotométricos tienen un diseño único en la forma del haz.
¿Todos los LEDs se crean igual?
Cada proveedor piensa diferente y por lo tanto la fabricación de los LEDs es distinta. Para conocer estas diferencias, se puede consultar los datos del ‘LM 80’ un estándar industrial de la depreciación lumínica o la extrapolación de tiempo de vida TM21, de lo que hay en el mercado. No son datos secretos, están abiertos al público y están disponibles en internet.
Estos datos pueden dar el color y la cromaticidad que cambia con el tiempo. Los proveedores siempre prueban estos dos elementos en su reporte de prueba. La resistencia térmica también está disponible en las hojas de especificaciones de los LEDs.
Obtenido de la conferencia de Daniel Chu, director de producto, mercadotecnia y desarrollo SSL de Osram USA Durante ELA 2016
