L’essor des modules DEL COB

Jusqu'à récemment, un concepteur d'éclairage souhaitant tirer avantage du rendement, de la longévité et de la robustesse des DEL pour son prochain luminaire était confronté à des défis majeurs.

L'un des plus importants était de savoir combien de DEL discrètes étaient nécessaires pour obtenir la « densité lumineuse » (sortie lumineuse par unité de surface) requise par le produit, puis de concevoir un circuit imprimé tenant compte des exigences thermiques et de puissance de cette matrice, tout en occupant le moins d'espace possible dans la lampe. L'ingénieur devait ensuite s'assurer que toutes les DEL du groupe produisaient une couleur identique afin de répondre aux attentes des consommateurs.

Aujourd'hui, il existe une solution plus simple. Les fabricants de DEL ont introduit une nouvelle forme de conditionnement pour leurs dispositifs haute puissance : la matrice de DEL COB (Chip-On-Board ou montage direct des puces). Grâce à ces unités, les fabricants de DEL parviennent non seulement à harmoniser les DEL individuelles, mais aussi à fournir un substrat adapté au luminaire. Mieux encore, les matrices de DEL COB permettent aux fabricants de DEL de tirer profit de techniques visant à améliorer le rendement comme le « phosphore éloigné ».

Cet article passe en revue les derniers exemples de matrices de DEL COB disponibles sur le marché et étudie l'évolution du secteur dans un avenir proche.

Inconvénients des matrices de DEL discrètes

Malgré des améliorations considérables, les performances individuelles des DEL restent insuffisantes pour les applications d'éclairage grand public. Ainsi, une seule ampoule incandescente de 100 W, 120 V génère 1700 lumens (à un rendement d'environ 17 lm/W). À titre de comparaison, une DEL populaire comme le modèle OSLON SSL 150 d'OSRAM génère 136 lm (350 mA, 3,1 V, 125 lm/W). Il faudrait donc au concepteur d'éclairage une douzaine de ces DEL OSRAM pour fournir la même sortie que l'ampoule.

Cela présente des difficultés en raison de l'espace physique occupé par les DEL (généralement quelques centimètres carrés). Par ailleurs, le regroupement des DEL en matrices pose de nouveaux défis au niveau de l'éclairage, de l'optique et de la fabrication.

L'optimisation de la qualité lumineuse émise par une DEL est problématique. Les fabricants de DEL trient les DEL selon leur température de couleur proximale (CCT) et leur luminosité de sorte que le consommateur ne voie pas de différence, mais ce tri est long et coûteux.

Autre problème avec les grandes matrices de DEL : les dispositifs vieillissent à des rythmes différents. Même si dans un luminaire, de nombreuses DEL affichent encore une bonne durée de vie, il suffit que l'intensité de certaines diminue pour que le consommateur mette l'unité au rebut. Enfin, l'assemblage d'une matrice composée de nombreuses DEL est difficile et exige beaucoup de main-d'œuvre, ce qui contribue à la hausse des coûts. (Voir l'article TechZone relatif aux « avancées en matière de rendement et de conditionnement DEL améliorant la densité lumineuse ».)

Élimination de l'assemblage

En réponse aux problèmes de conception puis d'assemblage d'une matrice de DEL, les fabricants offrent désormais une solution modulaire sous la forme d'une matrice de DEL COB. Un tel dispositif offre à la fois un boîtier céramique et un niveau d'intégration élevé.

Grâce aux matrices de DEL COB, les fabricants d'éclairage n'ont plus besoin de placer des DEL individuelles sur une carte CI ou de faire appel à quelqu'un pour le faire pour eux. Un autre avantage des conditionnements COB : ils se prêtent à un assemblage manuel, ce qui peut faciliter le processus de fabrication. Le boîtier COB peut être fixé à l'aide d'époxy ou mécaniquement couplé au dissipateur thermique sans nécessiter beaucoup de ressources techniques. (Voir l'article de TechZone relatif à la « prise en compte du conditionnement dans l'amélioration des performances et la réduction des coûts ».)

Molex offre une gamme de supports de matrices de DEL COB pour les produits Bridgelux et Cree décrits ci-dessous (Figure 1).


Figure 1 : Les supports de matrice de DEL COB de Molex sont adaptés aux produits de plusieurs des principaux fabricants de DEL.

Les avantages des matrices de DEL COB ne se limitent pas à l'assemblage ; ils concernent aussi l'optique. Les dispositifs utilisent généralement une « surface d'émission unique » sous la forme d'un disque recouvert de phosphore. Les DEL blanches conventionnelles utilisent une DEL bleue, puis génèrent un déplacement de Stokes sur la lumière émise par cette dernière en utilisant un phosphore composé de grenat d'yttrium-aluminium (GYA) dopé avec un élément des terres rares, le cérium. La DEL et le phosphore sont combinés en un seul boîtier.

Cependant, plusieurs chercheurs affirment que ces dispositifs à phosphore éloigné (dans lesquels le phosphore est contenu dans un disque monté à distance de la DEL bleue, la surface d'émission unique dans le cas d'une matrice de DEL COB) améliorent le rendement et la durée de vie des DEL. (Voir l'article TechZone relatif au « phosphore éloigné : une alternative aux DEL blanches ».)

Matrices de DEL COB commerciales

Les principaux fabricants de DEL ont introduit des gammes de matrices de DEL COB commerciales. Cree a récemment lancé une matrice de DEL COB appelée solution XLamp CXA. La société affirme qu'il s'agit d'une percée technologique qui double l'intensité système des projecteurs par rapport aux matrices précédentes. Selon la société, le premier produit de la gamme, la DEL CXA1520 permet aux fabricants d'éclairage de créer des produits offrant la même luminosité qu'une ampoule MH céramique de 39 W, mais avec une consommation inférieure de 50 %.

Les matrices DEL CXA1520 délivrent jusqu'à 3478 lumens à 33 W (à 85°C). Le produit est disponible dans plusieurs options de température de couleur proximale de 2700 K à 5000 K et d'indices de rendu des couleurs 70, 80 et 95.

La matrice CXA présente une surface d'émission uniforme adaptée aux conceptions de luminaires et aux applications d'éclairage directionnelles et non directionnelles (Figure 2). Le produit est disponible avec uniformité des couleurs deux et quatre étapes, avec une source optique de 19 mm.


Figure 2 : La matrice CXA de Cree présente une surface d'émission uniforme.

De son côté, Seoul Semiconductor offre sa série ZC. Selon la société, le fait que la série ZC soit un dispositif COB et que les DEL ne nécessitent pas de montage en surface permet aux fabricants d'éclairage de réduire les coûts unitaires en éliminant le processus de connexion de la puce.

Seoul Semiconductor affirme que l'utilisation de « substrats aluminium hautement réfléchissants » améliore la luminosité et prolonge la durée de vie de la DEL. La série ZC est disponible en 6, 10 et 16 W et remplace, respectivement, les ampoules incandescentes de 40 et 60 W et les plafonniers de 100 W.

La série ZC est disponible dans plusieurs options de température de couleur proximale de 2700 à 5600 K et des indices de rendu des couleurs minimum de 70 ou 80, et peut produire 2400 lumens (à un courant direct de 480 mA). Tout comme le produit de Cree, la série ZC de Seoul Semiconductor utilise une surface d'émission uniforme pour la matrice de DEL qui mesure 19 mm de diamètre.

Bridgelux présente sa série de matrices rectangulaires ES (Figure 3) pour s'affirmer dans ce secteur. Selon la société, ces sources d'éclairage compactes à densité de flux élevée diffusent une lumière uniforme sans pixilation ni effet d'ombres multiples que l'on retrouve dans les solutions reposant sur des DEL discrètes. La dernière génération de matrices de DEL COB Luxeon délivre entre 700 et 3000 lumens et un rendement typique compris entre 90 et 130 lm/W. Les unités sont disponibles avec des températures de couleur proximale de 2700 à 5700 K et des indices de rendu des couleurs de 70, 80 ou 90.


Figure 3 : La série de matrices rectangulaires ES de Bridgelux est disponible dans une version de 19 mm.

La société affirme que les dispositifs, qui utilisent une surface d'émission unique de 19 mm de diamètre, réduisent la complexité des systèmes et permettent la réalisation de conceptions de lampes et de luminaires miniaturisés et économiques. En réduisant la résistance thermique, il est possible d'utiliser des dissipateurs thermiques plus petits ou d'augmenter la fiabilité du système d'éclairage lorsqu'un dissipateur plus grand est utilisé.

La croissance de la technologie COB

Les avantages économiques des matrices de DEL COB comparés à l'utilisation de DEL discrètes, à la conception d'un circuit imprimé pour les accueillir, puis à l'assemblage de l'unité, sont incontestables aux yeux des fabricants d'éclairage. De tels avantages sont à l'origine de la croissance fulgurante du secteur.

Selon le bureau d'études Research & Markets, le marché des DEL COB devrait enregistrer un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 40,71 % entre 2013 et 2018. Outre les autres avantages cités, les analystes indiquent que cette croissance s'explique largement par la baisse des prix des DEL. Une grande partie de la demande accrue est alimentée par les applications d'éclairage grand public.

Même si ces prévisions sont quelque peu optimistes, le secteur des matrices de DEL COB devrait connaître une croissance significative dans les prochaines années. Il faut s'attendre à ce que d'autres fabricants de DEL lancent de nouveaux produits dans un avenir très proche.