Elettronica_Oggi_442

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LIGHTING 7 - gennaio/febbraio 2015 IX
LED BIANCHI
durezza, alto punto di fusione e grande resistenza alla
rottura e all’erosione per poter sopportare i processi di
fabbricazione degli stessi LED. I chip LED ancora grez-
zi emettono una luce a lunghezze d’onda che ricadono
prevalentemente nello spettro blu e che vengono con-
vertite applicando sul chip uno strato di fosforo apposi-
tamente studiato e realizzato per emettere luce bianca
alla temperatura di colore desiderata. Quest’ultima può
ricadere nell’intervallo fra 4000 °K e 6000 °K per i LED
a luce bianca fredda, impiegati nell’industria o per l’illu-
minazione stradale, oppure nell’intervallo compreso fra
2700 °K e 3500 °K per il bianco caldo tipicamente usato
nell’illuminazione di ambienti residenziali.
In base poi alla tecnologia di confezionamento (packa-
ge), il sottile strato (die) ricoperto di fosforo può essere
fissato ad un substrato termicamente efficiente e ad
una struttura metallica conduttrice (leadframe) che
fornisce le connessioni di anodo e catodo; infine,
vengono applicati un riflettore ed una lente ottica-
mente trasparente in policarbonato. In alternativa,
il die può essere fissato all’interno della cavità del
riflettore di un contenitore (package) plastico con
piedini a forma di “J” (tipo “PLCC”: Plastic Leaded
Chip Carrier) e incapsulato con resina epossidica o
silicone.
Una sottile fetta (wafer) di zaffiro è stata storicamen-
te scelta quale substrato per la fabbricazione dei die
per i LED. La produzione di LED costituiti da GaN
su zaffiro richiedeva tipicamente wafer con diametri
di 2 o 4 pollici. Più recentemente, invece, il supe-
ramento di alcuni ostacoli tecnici ha consentito di
produrre wafer di zaffiro con diametri che arrivano
a 6 pollici, mantenendo una qualità sufficiente a garan-
tire un’adeguata resa di dispositivi LED. Maggiore è la
dimensione del wafer, infatti, più alto è il numero otteni-
bile di die per wafer, portando così a economie di scala;
più efficiente risulta, inoltre, lo sfruttamento dell’area
del wafer medesimo, con una conseguente riduzione de-
gli effetti di perdita ai bordi e di spazio inutilizzato fra i
singoli die. Tuttavia, altri fattori, come il costo delle nuo-
ve apparecchiature per processi quali l’attacco corrosivo
(etching) e il test dei wafer da 6 pollici, possono impe-
dire ai produttori di ottenere rapide riduzioni dei costi.
Tecnologie del substrato per abbattere i costi
Sono state sviluppate parecchie tecnologie alternati-
ve per il substrato, allo scopo di migliorarne le diverse
caratteristiche. Ad esempio, il GaN-su-GaN e il GaN-su-
carburo di silicio (GaN-su-SiC) presentano una disuni-
formità nulla, o comunque molto bassa, fra il materiale
dello stesso substrato e la struttura attiva del LED, pro-
prietà, questa, che ne accresce l’efficienza. L’impiego di
wafer di silicio puro, d’altra parte, può generare risparmi
significativi, non solamente per il fatto che il silicio co-
sta solamente un ottavo del substrato in zaffiro (secondo
le cifre riportate da Lux Research), ma anche perché i
produttori avrebbero la possibilità di utilizzare apparec-
chi e processi di fabbricazione dei semiconduttori ormai
ben consolidati per wafer che arrivano a un diametro di
8 pollici (200 mm). Wafer di silicio da 8 pollici, infatti,
sono già disponibili e, allo stesso modo, sono già ben
definite anche le relative tecnologie di processo, ormai
collaudate ed economicamente vantaggiose.
La figura 2 sintetizza l’attuale situazione della produzio-
ne di LED in GaN su wafer di zaffiro e di silicio nelle
diverse dimensioni.
Le principali società di ricerca hanno pubblicato diverse
previsioni che preannunciavano i probabili effetti del-
la tecnologia GaN su silicio per realizzare i LED. Nel
dicembre del 2013, ad esempio, riscon-
trò che, per i wafer di GaN su Silicio, il mercato sareb-
be aumentato a un tasso di crescita annuale composto
(CAGR) del 69% per arrivare a conquistare una quota
di penetrazione superiore al 40% entro il 2020. IMS con-
frontò la difficoltà nel produrre grandi lingotti di zaffiro
con l’abbondante disponibilità di wafer di silicio a basso
costo con diametro da 200 mm o anche superiore; nella
suddetta ricerca, IMS menzionò, inoltre, la possibilità di
impiegare apparecchiature e processi che erano già in
grado di trattare wafer di silicio da 200 e più millimetri,
come importanti fattori che avrebbero spinto la crescita
della quota di mercato del GaN su Silicio.
Piani di sviluppo del GaN su Silicio
Toshiba ha lavorato con , ditta specializzata
nella tecnologia dell’illuminazione, per implementare
un apposito processo adatto a fabbricare LED in GaN
su wafer di silicio da 200 mm, che combinasse l’avanzato
processo di lavorazione del silicio messo a punto da To-
Fig. 2 – Dimensioni maggiori del wafer consentono un
minor costo per die, ma risultano più difficili da produrre
in zaffiro