Tendencja do miniaturyzacji w świecie elektroniki trwa i jest napędzana przez różne czynniki, w tym chęć konsumentów do przenoszenia, a także lepszą wydajność i redukcję kosztów. W ciągu ostatnich kilku lat technologia LED (dioda elektroluminescencyjna) odnotowała ogromny wzrost, głównie ze względu na rewolucję na rynku oświetlenia i oświetlenia ogólnego. To zwiększone zainteresowanie diodami LED rozszerzyło się również na wiele innych rynków, w tym wojskowy, medyczny i maszynowy. Chociaż diody LED nie są nowością na tych rynkach, ich zapotrzebowanie na mniejsze, wyższej rozdzielczości i jednolite źródła wciąż rośnie. Zasadniczo w środowisku LED istnieją trzy podstawowe kategorie komponentów. Są to otwór przelotowy, montaż powierzchniowy i COB (chip-on-board). Przeanalizujemy je, aby pomóc zrozumieć proces miniaturyzacji w zakresie projektowania i wykorzystania diod LED do zastosowań na tych rynkach. Otworowe diody LED są dostępne na rynku od lat 60. XX wieku. Występują w różnych typach ciała, ale zazwyczaj mają średnicę od 3 mm do 10 mm (patrz rysunek 1).
RYSUNEK (1)
Urządzenia te dominowały w sektorach optoelektroniki i technologii przez ponad 20 lat. Są one nadal szeroko stosowane w różnych zastosowaniach, od dużych wyświetlaczy cyfrowych i znaków VMS (Variable Message Signs) po standardowe wskaźniki dla elektroniki użytkowej lub przemysłowej. Chociaż te typy diod LED mają większe rozmiary w porównaniu z najnowszymi osiągnięciami technologicznymi, nadal istnieją zalety stosowania urządzeń przewlekanych, takie jak zintegrowana optyka, łatwość produkcji i niski koszt. Ponadto wiele aplikacji typu wyświetlacz lub VMS nie wymaga grafiki o wysokiej rozdzielczości ani intensywnego mieszania kolorów w celu wyświetlania w pełnym kolorze. Dopiero w latach 80. i 90., kiedy branża telefonii komórkowej i komputerowej zaczęła szybko eskalować do domów każdego konsumenta, rozpoczęło się dążenie do miniaturyzacji. Komponenty do montażu powierzchniowego, chociaż faktycznie opracowane w latach 60., szybko zastępowały urządzenia przewlekane, począwszy od późnych lat 80. XX wieku. Technologia ta nie tylko pozwoliła na znacznie większe zagęszczenie obwodów, co znacznie zmniejszyło rozmiar, ale także umożliwiła zautomatyzowany montaż. Lutowanie ręczne stawało się coraz mniej potrzebne. Urządzenia do montażu powierzchniowego pozwoliły na montaż komponentów po obu stronach płytki drukowanej lub płytki drukowanej, a nie tylko po jednej stronie. (Patrz Rysunki 2A – 2B）
Rysunek (2A) – Przednia strona z otworem przelotowym, tylna strona – tylko do lutowania, bez komponentów Rysunek (2B) – Elementy do montażu powierzchniowego z przodu i z tyłu płytki PCB To z kolei miało inne zalety, w tym niższe koszty produkcji, lepsze właściwości termiczne , zwiększona niezawodność i szybszy czas realizacji złożeń. Ponadto możliwe było tworzenie wyświetlaczy o wysokiej rozdzielczości, a także pełnokolorowych znaków zmiennej treści z wykorzystaniem czerwonych, zielonych i niebieskich diod LED. Niebieskie diody LED stały się również komercyjnie opłacalne w latach 90., co zbiegło się bardzo dobrze z szerokim zastosowaniem elementów do montażu powierzchniowego. Urządzenia do montażu powierzchniowego stały się dzisiaj kategorią produktów wybieraną w przypadku większości zastosowań związanych z projektowaniem elektroniki i są dostępne w różnych typach i rozmiarach opakowań. Niektóre z najpopularniejszych w świecie LED mają rozmiary od 0402, co odpowiada .04 "x .02", do 1210 lub 0,12 "x 0,10" z większymi rozmiarami dla urządzeń o dużej mocy. (Patrz rysunek 3)
RYSUNEK (3)
Pod koniec 2000 roku ponownie pojawił się nacisk na jeszcze większą wydajność i większą gęstość diod LED, głównie napędzany przez rynek oświetlenia i oświetlenia ogólnego. Zaowocowało to powszechnym wprowadzeniem i wykorzystaniem technologii COB (Chip-On-Board). COB to technologia półprzewodnikowa, w której „chip” zwany również „kostką” jest montowany bezpośrednio na płytce drukowanej za pomocą procedury zwanej mocowaniem matrycy lub łączeniem matrycy. Pojedyncza matryca jest umieszczana na płytce drukowanej za pomocą pasty przewodzącej lub metody lutowania (eutektyki), a następnie łączona drutem. (Patrz rysunek 4) Technologia ta praktycznie eliminuje potrzebę dodatkowego opakowania, takiego jak ramki i obudowy ołowiane, co pozwala na lepsze właściwości rozpraszania ciepła, zmniejszenie rozmiaru i zwiększenie gęstości diod LED (jeśli jest to wymagane).
RYSUNEK (4)
140 sztuk chipa LED upakowane na powierzchni mniejszej niż 1 cal kwadratowy Nadal istnieją wyzwania związane z wykorzystaniem technologii COB, zwłaszcza z punktu widzenia produkcji. Niektóre z nich obejmują; (A) Wydatki kapitałowe – Wymagany sprzęt jest często bardzo wyspecjalizowany i drogi (B) Jednolitość i spójność ma kluczowe znaczenie w wielu zastosowaniach COB, dlatego sama matryca / chip musi być starannie dobrana i przetestowana przed umieszczeniem na płytce drukowanej. Proces ten wymaga również bardzo specjalistycznego sprzętu, a ponadto należy wziąć pod uwagę uzyski, aby utrzymać opłacalne urządzenie. (C) Ponowna obróbka złożeń COB może być trudna, jeśli są już zamknięte. W niektórych przypadkach cały produkt należy wyrzucić. Jeśli produkt można przerobić, zazwyczaj można go wykonać tylko w fabryce. I odwrotnie, jeśli urządzenie nie jest obudowane, ponowna obróbka jest stosunkowo łatwa do wykonania w porównaniu z technologią przewlekaną i SMT, a także mniej kosztowna. (D) Jakość, jednolitość i rodzaj PCB są krytyczne dla zapewnienia prawidłowego mocowania matrycy i integralności połączenia drutu. Często wymagane jest czyste złoto, które można spajać drutem. Technologia COB jest obecnie wykorzystywana przez prawie każdego głównego producenta LED, przede wszystkim na rynku oświetlenia ogólnego i oświetlenia. Rosnące zapotrzebowanie na energooszczędne rozwiązania żarówek, halogenów i podobnych przestarzałych technologii pozwala na szybki wzrost na arenie COB LED. Ponieważ technologia ta stale się poprawia, a koszty spadają, oczekuje się, że rynek montażu COB LED przekroczy ogólny rynek standardowych diod LED w ciągu najbliższych kilku lat. Chociaż większość producentów koncentruje się na energooszczędnych rozwiązaniach oświetlenia ogólnego, jest kilku wybranych producentów diod LED, którzy wykorzystują wiele zalet technologii COB w bardziej niszowych, wysoce wyspecjalizowanych zastosowaniach, takich jak wojsko, medycyna, widzenie maszynowe i zabezpieczenia. Odgałęzieniem technologii COB, która dodatkowo zwiększa wydajność i zapewnia jeszcze większe możliwości miniaturyzacji, są metody montażu Direct Attach i Flip Chip. Obie metody nie wymagają łączenia drutem, co pozwala na montaż COB o niższym profilu przy jednoczesnej poprawie wydajności. Obecnie ograniczona liczba producentów diod LED oferuje tego typu konstrukcję matrycy. Ponadto istnieje jeszcze mniejsza liczba monterów, które są w stanie prawidłowo zamontować tego typu matrycę. Głównym dostawcą matryc DA jest Cree, Inc. Przykład jednego z ich chipów typu DA pokazano na rysunku 5.
Rysunek (5) DA widok z góry i z dołu
Technika Direct Attach wykorzystuje eutektyczny proces wiązania topnika, który eliminuje potrzebę stosowania pasty lutowniczej, preform lub klejów przewodzących. Odpowiedni topnik i PCB to wszystko, co jest wymagane do uzyskania wysokiej jakości połączenia podczas procesu ponownego rozpływu. Przykład montażu wykonanego w standardowej technologii COB w porównaniu z klejeniem DA pokazano na rysunkach 6A – 6B.
Rysunek (6A) Standardowy zespół COB (wymagane łączenie przewodów)
Rysunek (6B) Montaż bezpośredni (nie jest wymagane łączenie przewodów)
Technologia Flip chip odwraca diodę LED skierowaną do dołu i umieszcza elektrody w bezpośrednim kontakcie z płytką drukowaną. Podobnie jak proces Direct Attach, ta technologia zapewnia chipy LED takie zalety, jak większy obszar emitowania światła, lepsze rozpraszanie ciepła, a także eliminacja etapu łączenia drutu i cieniowania połączenia drutu. Metoda spajania matrycy typu flip chip wykorzystuje tak zwane „wypukłości lutownicze”. Proces mocowania polega na nałożeniu odpowiedniego rodzaju topnika (jak w metodzie DA) na te obszary wypukłości lutowia, a następnie wykonaniu procesu rozpływu. Ze względu na niedopasowanie CTE (współczynnika rozszerzalności cieplnej) między flip-chipem a płytką drukowaną, zwykle nie zaleca się stosowania materiału FR-4, ale ceramicznej lub zoptymalizowanej płytki z podłożem MC (metalowy rdzeń). Głównym dostawcą matryc typu flip chip jest Philips LumiLED. (Patrz Rysunek 7)
Rysunek (7) Widok Flip Chip z góry, z dołu i z boku z wybrzuszeniami lutowniczymi
Obie te technologie są stosunkowo nowe dla diod LED, ale zaczynają wkraczać na rynek oświetlenia ogólnego i niszowych wspomnianych wcześniej. Oprócz niektórych zalet opisanych wcześniej, zmniejszenie oporu cieplnego przechodząc od urządzenia z otworem przelotowym do COB (patrz rysunek 8) spowoduje znaczną poprawę żywotności i wydajności produktu.
Rysunek (8) Porównanie oporu cieplnego (złącze z podkładką)
Podobnie jak w przypadku każdej nowej technologii, ważne jest, aby upewnić się, że pracujesz z organizacją, która ma doświadczenie w optoelektronice, jest świadoma zalet i wad przewlekanych, SMT lub COB i jest w stanie zapewnić najlepszą opcję dla Twojej aplikacji. Vincent jest dyrektorem ds. technologii w Marktech Optoelectronics w Latham w stanie Nowy Jork. W dziedzinie optoelektroniki pracuje od prawie 30 lat i jest autorem lub współautorem kilku artykułów dotyczących technologii LED. Wiele znaczących ulepszeń diod LED i ich zastosowań wynika bezpośrednio z wkładu i praktycznego doświadczenia Vincenta.
