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La construcción del LED

Revista ICandela01/11/2015

Deberemos tratar esta compleja materia (la construcción del LED) de forma superficial y muy resumida, en relación con la complejidad que tiene realmente, pues tenemos una limitación de espacio. Por ese mismo motivo, lo repartiremos entre esta semana y la próxima. La información disponible en internet es abundante, y es relativamente conocida por la mayoría de lectores bien informados.

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Los conceptos en cursiva o “entrecomillados”, deberían ser motivo de ampliación por parte del lector, ya sea leyendo en artículos científicos, libros existentes, sitios web como Wikipedia o en muchas otras webs. (Ver la bibliografía comentada la semana pasada en esta misma sección). A pesar de tener que ser muy sintético, espero que los textos se entiendan bien. Algunos de estos conceptos del artículo de hoy los ampliaremos o comentaremos en próximas semanas.

¿Cómo se fabrica un LED?
Claro que no existe una única forma de fabricar el LED, y en los últimos años han ido apareciendo nuevas tecnologías que mejoran ligeramente las anteriores, o suponen una pequeña revolución en la manera de disponer los elementos para crear el chip. La manera en la que se fabrican los ledes (se dice así, led i ledes, según la Real Academia de la Lengua) depende de los fabricantes, y normalmente cada uno de los grandes fabricantes ha adoptado una línea propia de producción que resulta estratégica para la compañía.

Cuando un sistema concreto progresa, casi siempre lo hace por las innovaciones sucesivas de diferentes fabricantes, y sabemos que cientos de laboratorios en el mundo están trabajando al mismo tiempo en la mejora de los sistemas constructivos del led. Hay algunas excepciones, que explicaremos, en las que un único fabricante produce un tipo de led exclusivo, generación tras generación, como es el caso por ejemplo, de Seoul Semiconductores con su led Acriche, que funciona de forma bastante distinta a las tendencias dominantes (tomando la tensión alterna a 220V en lugar de una tensión continua de 2, 4 ó 8V).

Luminiscencia
Un diodo semiconductor está formado por dos capas de materiales, unidas entre sí, que son una base de cristal de silicio, con la adicción o “dopaje” de elementos “raros” en pequeñas cantidades, que permiten la creación de “ huecos ”en un lado y exceso de “ electrones ”en el otro lado. Con una tensión entre sus extremos, los electrones saltan entre órbitas distintas y esto facilita que el material (que normalmente no es conductor) llegue a conducir la corriente eléctrica. Esta corriente que pasa, permite un creciente número de choques entre electrones y liberación de energía en la zona de la “unión”.

En ciertas condiciones eléctricas, y al paso de una corriente eléctrica ajustada y adecuada, estos materiales semiconductores pueden llegar a emitir diversas radiaciones, incluso dentro del espectro visible, lo cual se denomina efecto de “ luminiscencia ”. Primero fue un descubrimiento casual, se obtuvo una tenue luz roja, pero luego los científicos se esforzaron por conseguir las combinaciones de materiales y situaciones eléctricas que mejoraran el rendimiento, obteniendo más luz y que esta luz tuviera nuevas y mejores características.

Tabla periódica de los elementos, donde aparecen señalados

los más utilizados para la fabricación del LED

Unión P-N
La unión de los dos componentes del diodo ( ánodo ycátodo )es el punto esencial de toda la arquitectura del led, es ese lugar estratégico donde tiene lugar el choque de electrones, radiación de calor (hacia detrás) y emisión de luz visible (hacia adelante). Esto significa que según la forma en que se dispongan los materiales, en la unión y respecto al resto del “encapsulado” del led, se puede facilitar la producción y abaratar costes de fabricación, simplificar el circuito eléctrico, facilitar las conexiones, reducir las superficies del led o optimizar su volumen, obteniendo distintos resultados, y mejorando las prestaciones, etc. En esto, y en otros detalles constructivos, han estado bien entretenidos los distintos fabricantes de “chips” durante las últimas 5 décadas.

Unión de los componentes del LED

Materiales
En los primeros tiempos, digamos entre 1960 y 1990, se utilizaron como materiales para la construcción del led el Aluminio (Al), Galio (Ga), Indio (In), Arsénico (As), Fósforo (P) y se logró la obtención de luz con longitudes de onda entre 660 y 590, con tonos rojos, naranjas y ámbar. Más adelante se introdujo el Nitrógeno (N), junto con el Indio yGalio, y esto dio paso a la obtención de radiaciones de longitud de onda entre 585 y 430, de tonos verdes y azules. En 1992 Shuji Nakamura consiguió una luz azul que permitió el siguiente paso rápidamente, mediante el uso de una capa de fósforo superpuesta, cuando la luz azul se transformó en luz blanca. Fijémonos que en todo ese abanico de combinaciones de sustancias, entre las 20 combinaciones más frecuentes siempre está presente el elemento Galio (Ga), combinado con uno, dos o hasta 5 elementos añadidos.

Tabla de los diferentes materiales en la fabricación del LED,

su longitud de onda y la luz que emite cada uno de ellos

Encapsulados
La forma en que se construye la unión de ánodo y cátodo determina el tipo de encapsulado. Podemos distinguir entre los DIP (dual in line package) los SMD (surface mounted device) o COB (chip on board), así como los más recientes MCOB (múltiple chip on board). Últimamente, estos led MCOB han experimentado un gran auge para aplicaciones de iluminación, mientras que los pioneros DIP (el típico led de 5mm) se usan sólo ocasionalmente para iluminar. En medio de ellos, el sistema SMD es muy popular y ha sido muy utilizado por todos los fabricantes, en diferentes modalidades, potencias, y prestaciones. Más recientemente todavía, han evolucionado los sistemas constructivos tipo “flip chip”, “vertical thin film”, o “thin film flip chip” que suponen distintas técnicas de construcción del cristal. Justamente el tipo “ flip chip ”es una tendencia que gana peso en los últimos 2 años. Supone una simplificación importante en el circuito eléctrico del led, al eliminar la necesidad de soldaduras. (Foto DIP SMD COB MCOB)

La próxima semana repasaremos estos conceptos y hablaremos del sistema CSP (chip-scale-package) que recientemente ha sido noticia por un nuevo uso, ahora también para aplicaciones de iluminación general.

Encapsulados DIP, SMD, COB y MCOB

* Imágenes cedidas por la editorial Marcombo, incluidas en el libro Aplicaciones del LED en diseño de iluminación.


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Texto de Alfred Sá

Alfred Sá se dedica a la iluminación desde 1986. Es ingeniero técnico industrial en electricidad y Lighting Designer. Es propietario del estudio independiente NUR L+D, y miembro profesional senior de APDI. En 2015 ha publicado el libro “Aplicaciones del LED en diseño de iluminación”, en el cual iCandela también ha colaborado como media partner.

Más información: alfred-sa@nurlighting.com y www.marcombo.com .

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