Az elektronikai világban a miniatürizálás tendenciája folyamatban van, és számos tényező táplálja, beleértve a fogyasztó hordozhatóság iránti vágyát, valamint a jobb hatékonyságot és a költségek csökkentését. Az elmúlt néhány évben a LED (Light Emitting Diode) technológia hatalmas növekedést ért el, elsősorban a világítási és általános megvilágítási piacok forradalmának köszönhetően. Ez a megnövekedett érdeklődés a LED-ek iránt számos más piacra is kiterjedt, beleértve a katonai, orvosi és gépi látást. Bár a LED-ek nem újak ezekben a piacokon, a kisebb, nagyobb felbontású és egységes források iránti keresletük továbbra is növekszik. Lényegében három alapvető alkatrész-kategória van a LED-es környezetben. Ezek a Through-Hole, Surface Mount és COB (Chip-On-Board). Ezeket felülvizsgáljuk, hogy megértsük a LED-ek tervezésével és használatával kapcsolatos miniatürizálási folyamatot ezeken a piacokon. Az 1960-as évek óta kaphatók a lyukú LED-ek. Különböző testtípusokban vannak, de általában 3 mm és 10 mm átmérőjűek (lásd az 1. ábrát).
SZÁM (1)
Ezek az eszközök több mint 20 éve uralják az optoelektronikát és a technológiai szektort. Ma is széles körben használják számos alkalmazásban, a nagy digitális kijelzőktől és a VMS-től (változó üzenetjelzések) a fogyasztói vagy ipari elektronika szabványos mutatóiig. Bár ezek a LED-típusok nagyobb méretűek a legújabb technológiai fejlesztésekhez képest, még mindig vannak előnyei az olyan lyukakon keresztüli eszközök használatának, mint az integrált optika, a könnyű gyártás és az alacsony költség. Ezenkívül számos megjelenítési vagy VMS-típusú alkalmazás nem igényel nagy felbontású grafikát vagy kiterjedt színkeverést a színes megtekintéshez. Csak az 1980-as és 90-es, amikor a mobiltelefon- és számítástechnikai ipar gyorsan eszkalálódott minden fogyasztó otthonába, megkezdődött a miniatürizálás iránti törekvés. A felületre szerelhető alkatrészek, bár valójában az 1960-as években fejlesztették ki, az 1980-as évek végétől kezdve gyorsan helyettesítették a lyukon keresztüli eszközöket. Ez a technológia nemcsak sokkal nagyobb áramköri sűrűséget tett lehetővé, ezáltal jelentősen csökkentette a méretet, hanem lehetővé tette az automatizált összeszerelést is. A kézi forrasztás egyre kevésbé lett szükséges. A felületre szerelhető eszközök lehetővé tették az alkatrészek felszerelését a PCB vagy a nyomtatott áramköri lap mindkét oldalán, szemben csak az egyik oldallal. (Lásd a 2A–2B. ábrát)
(2A) ábra – Through-Hole Front Side Lakott, Hátsó oldal – csak forrasztás, alkatrészek nélkül Ábra (2B) – Felületre szerelhető Alkatrészek a PCB elején és hátulján Ez viszont más előnyökkel is járt, amelyek magukban foglalták a csökkentett gyártási költségeket, a jobb hőtulajdonságokat, a nagyobb megbízhatóságot és a szerelvények gyorsabb megfordulási idejét. Ezenkívül nagy felbontású kijelzőket, valamint színes változó üzenettáblákat is létrehozhattak piros, zöld és kék LED-ekkel. A kék LED-ek az 1990-es években kereskedelmileg is életképessé váltak, ami nagyon jól egybeesett a felületre szerelhető alkatrészek széles körű használatával. A felületre szerelhető eszközök ma a legtöbb elektronikus tervezési alkalmazás termékkategóriájává váltak, és különböző csomagtípusokban és méretekben kaphatók. A LED-es világon a leggyakoribbak mérete 0402, ami 0,04" x .02", 1210 vagy .12" x .10" méretben nagyobb méretű nagy teljesítményű eszközökhöz. (Lásd a 3. ábrát)
3. ÁBRA
A 2000-es évek végén ismét a LED-ek még nagyobb hatékonyságára és sűrűségére törekedtek, elsősorban a világítási és általános megvilágítási piacnak köszönhetően. Ez a COB (Chip-On-Board) technológia széles körű bevezetését és használatát eredményezte. A COB egy félvezető technológia, ahol a "forgácsot", amelyet "szerszámnak" is neveznek, közvetlenül a nyomtatott áramköri lapra szerelik fel a szerszámkötésnek vagy a szerszámkötésnek nevezett eljárással. Az egyes szerszámokat vezetőképes paszta vagy forrasztási (Eutectic) módszerrel helyezik a PCB-re, majd huzalkötéssel. (Lásd a 4. ábrát) Ez a technológia gyakorlatilag kiküszöböli a további csomagolások, például ólomkeretek és házak szükségességét, amelyek nagyobb hőelvezetési tulajdonságokat, csökkentett méretet és nagyobb LED-sűrűséget élnek (ha szükséges).
4. ÁBRA
140db egy LED chip csomagolva egy területen kevesebb, mint 1 négyzetcentiméter Még mindig vannak kihívások használata COB technológia, különösen a gyártási szempontból. Ezek közül néhány a következőket tartalmazza; (A) Tőkeköltség - A szükséges felszerelés gyakran nagyon specializált és drága (B) Az egységesség és a következetesség kritikus számos COB alkalmazásban, ezért a csupasz Die / Chip-et gondosan ki kell választani és tesztelni kell a PCB-n való elhelyezés előtt. Ez a folyamat nagyon speciális berendezéseket is igényel, és emellett a hozamokat úgy kell tekinteni, hogy fenntartsák a költséghatékony eszközt. C) A COB-szerelvények újramunkálása nehéz lehet, ha már be van kapszulázva. Bizonyos esetekben a teljes terméket el kell dobni. Ha a terméket újra lehet dolgozni, általában csak a gyárban lehet elvégezni. Ezzel szemben, ha a készülék nincs beágyazva, az újramunka viszonylag könnyen elvégezhető a lyukon keresztüli és SMT technológiához képest, és kevésbé költséges. (D) A PCB minősége, egységessége és típusa kritikus fontosságú a megfelelő szerszámkötés és a huzalkötés integritásának biztosításához. Gyakran tiszta, huzalkötésű aranyra van szükség. A COB technológiát ma már szinte minden nagy LED-gyártó használja, elsősorban az általános világítási és világítási piacon. Az izzó, halogén és hasonló elavult technológiák energiahatékony megoldásai iránti növekvő kereslet lehetővé teszi a COB LED arénában a gyors növekedést. Mivel ez a technológia tovább javul és a költségek csökkennek, a COB LED összeszerelési piaca várhatóan meghaladja a teljes szabványos LED-piacot a következő néhány évben. Bár a legtöbb gyártó az általános megvilágítás energiahatékony megoldásaira összpontosít, van néhány kiválasztott LED-gyártó, akik a COB technológia számos előnyét használják a rést, magasan specializált alkalmazásokban, mint például a katonai, orvosi, gépi látás és biztonság. A COB technológia olyan változata, amely tovább növeli a hatékonyságot és még nagyobb lehetőséget biztosít a miniatürizálásra, a Direct Attach és a Flip Chip összeszerelési módszerek. Mindkét módszer nem igényel huzalkötést, így alacsonyabb profilú COB-szerelvényt tesz lehetővé, miközben javítja a teljesítményt. Jelenleg korlátozott számú LED-gyártó biztosítja az ilyen típusú szerszámszerkezetet. Ezenkívül még kisebb számú összeszerelő is van, amelyek képesek megfelelően felszerelni az ilyen típusú szerszámokat. A DA die egyik fő szállítója a Cree, Inc. Az egyik DA típusú chipjük példáját az 5. ábra mutatja.
(5) DA felső és alsó nézet
A Direct Attach technika fluxus-eutektikus kötési folyamatot alkalmaz, amely kiküszöböli a forrasztási paszta, előformák vagy vezetőképes ragasztók szükségességét. A megfelelő fluxus és PCB minden, ami szükséges ahhoz, hogy az újraáramlási folyamat során kiváló minőségű kötést érjenek el. A szabványos COB technológiával és DA kötéssel készült összeszerelés példáját a 6A –6B számok mutatják.
(6A) ábra Szabványos COB szerelvény (huzalkötés szükséges)
Ábra (6B) Közvetlen csatolás szerelvény (Nincs szükség huzalkötésre)
A flip chip technológia arccal lefelé fordul a LED-en, és az elektródákat közvetlenül érintkezik a PCB-vel. A Direct Attach folyamathoz hasonlóan ez a technológia a LED chipek előnyeit is biztosítja, amelyek nagyobb fénykibocsátó területet, jobb hőelvezetést, valamint a huzalkötési lépés és a huzalkötés árnyékolásának kiküszöbölését foglalják magukban. A flip chip die ragasztási módszere úgynevezett forrasztó "dudorokat" használ. A rögzítési folyamat abból áll, hogy a megfelelő típusú fluxust (mint a DA-módszerben) alkalmazzuk ezekre a forrasztó bump területekre, majd újratördelési folyamatot hajtunk végre. A flip chip és a PCB közötti CTE (Hőtágulási együttható) eltérés miatt általában nem FR-4 anyagot, hanem kerámia vagy optimalizált MC (Metal Core) szubsztrát PCB-t kell használni. A flip chip típus egyik fő szállítója a Philips LumiLED. (Lásd a 7. ábrát)
(7) Flip Chip felső nézet, alsó nézet és oldalnézet w/forrasztó dudorok
Mindkét technológia viszonylag új a LED-ek számára, de nagy behatolásokat kezdenek végrehajtani a korábban említett általános megvilágítási és réspiacokon. A korábban leírt előnyök némelyike mellett a hőállóság csökkenése az átlyukadt eszközről a COB-ra (lásd a 8. ábrát) jelentős javulást eredményez a termék élettartamában és teljesítményében.
(8) Ábra: Hőállóság-összehasonlítás (elágazás a padhoz)
Mint minden új technológia esetében, fontos biztosítani, hogy olyan szervezettel dolgozzon, amely jártas az optoelektronikában, tisztában van a lyukon, az SMT-n vagy a COB-on keresztüli előnyökkel és hátrányokkal, és képes a legjobb megoldást nyújtani az alkalmazásához. Vincent a Marktech Optoelectronics technológiai igazgatója Lathamben, New Yorkban. Közel 30 éve van az optoelektronika területén, és számos, a LED technológiával kapcsolatos cikket írt vagy társszerzője. A LED-ek és alkalmazásaik számos jelentős fejlesztése közvetlenül Vincent bemeneti és gyakorlati tapasztalataiból ered.
