Tendensen mod miniaturisering i elektronikverdenen er vedvarende og er drevet af en række faktorer, herunder forbrugerens ønske om bærbarhed samt forbedret effektivitet og reduktioner i omkostninger. I løbet af de sidste par år har LED-teknologi (Light Emitting Diode) specifikt oplevet en enorm vækst, primært på grund af revolutionen på belysnings- og generelle belysningsmarkeder. Denne øgede interesse for LED'er har også udvidet sig til en række andre markeder, herunder militær-, medicinsk- og maskinsyn. Selvom LED'er ikke er nye på disse markeder, fortsætter deres efterspørgsel efter mindre, højere opløsning og ensartede kilder med at vokse. Grundlæggende er der tre grundlæggende kategorier af komponenter i LED-miljøet. Disse er Through-Hole, Surface Mount og COB (Chip-On-Board). Vi vil gennemgå disse for at hjælpe med at forstå miniaturiseringsprocessen vedrørende design og brug af LED'er til applikationer på disse markeder. Gennemgående lysdioder har været kommercielt tilgængelige siden 1960'erne. De kommer i en række forskellige kropstyper, men varierer typisk i størrelse fra 3 mm – 10 mm i diameter (se figur 1).
FIGUR 1)
Disse enheder dominerede optoelektronik- og teknologisektorerne i mere end 20 år. De er stadig meget udbredt i dag i en række applikationer lige fra store digitale skærme og VMS (Variable Message Signs) til standardindikatorer til forbruger- eller industriel elektronik. Selvom disse LED-typer er større i størrelse sammenlignet med den seneste teknologiske udvikling, er der stadig fordele ved at bruge gennemgående enheder såsom integreret optik, nem fremstilling og lave omkostninger. Derudover kræver mange skærm- eller VMS-applikationer ikke grafik i høj opløsning eller omfattende farveblanding til fuld farvevisning. Det var først i 1980'erne og 90'erne, da mobiltelefon- og computerindustrien begyndte deres hurtige eskalering til alle forbrugeres hjem, at presset på miniaturisering begyndte. Overflademonteringskomponenter, selvom de faktisk blev udviklet i 1960'erne, erstattede hurtigt enheder med gennemgående huller, begyndende i slutningen af 1980'erne. Denne teknologi tillod ikke kun meget højere kredsløbstætheder, hvilket reducerede størrelsen betydeligt, men den gjorde også automatiseret samling mulig. Håndlodning blev mindre og mindre nødvendigt. Overflademonteringsenheder tillader montering af komponenter på begge sider af printkortet eller printkortet i modsætning til kun den ene side. (Se figur 2A – 2B）
Figur (2A) – Gennemgående forside fyldt, bagside – kun lodning, ingen komponenter Figur (2B) – Overflademonterede komponenter på forsiden og bagsiden af PCB. Dette havde igen andre fordele, som omfattede reducerede produktionsomkostninger, forbedrede termiske egenskaber , øget pålidelighed og hurtigere ekspeditionstid for samlinger. Derudover var det så muligt at skabe skærme med høj opløsning samt variable meddelelsesskilte i fuld farve ved hjælp af røde, grønne og blå LED'er. Blå LED'er blev også kommercielt levedygtige i 1990'erne, hvilket faldt meget godt sammen med den brede brug af komponenter til overflademontering. Overflademonteringsenheder er i dag blevet den foretrukne produktkategori til de fleste elektroniske designapplikationer og kommer i en række forskellige pakketyper og størrelser. Nogle af de mest almindelige i LED-verdenen varierer i størrelse fra 0402, hvilket svarer til .04″ x .02″, til 1210 eller .12″ x .10″ med større størrelser til kraftige enheder. (Se figur 3)
FIGUR (3)
I slutningen af 2000'erne forekom et fremstød for endnu større effektivitet og øget tæthed for LED'er, igen, primært drevet af markedet for belysning og generel belysning. Dette resulterede i den udbredte introduktion og brug af COB (Chip-On-Board) teknologi. COB er en halvlederteknologi, hvor "chippen", også kaldet "dysen", er monteret direkte på printkortet ved hjælp af en procedure kaldet die attach or die bonding. Den enkelte matrice anbringes på PCB'en ved enten at bruge en ledende pasta eller loddemetode (eutektisk) og derefter trådbundet. (Se figur 4) Denne teknologi eliminerer praktisk talt behovet for yderligere emballage såsom blyrammer og huse, som giver mulighed for større varmeafledningsevne, reduceret størrelse og øget LED-densitet (hvis påkrævet).
FIGUR (4)
140 stk af en LED-chip pakket ind i et område på mindre end 1 kvadrattomme Der er stadig udfordringer med at bruge COB-teknologi, især fra et produktionssynspunkt. Nogle af disse omfatter; (A) Kapitaludgift - Det nødvendige udstyr er ofte meget specialiseret og dyrt (B) Ensartethed og konsistens er afgørende i mange COB-applikationer, derfor skal den blottede Die / Chip vælges omhyggeligt og testes før placering på PCB'en. Denne proces kræver også meget specialiseret udstyr, og derudover skal udbyttet tages i betragtning for at opretholde en omkostningseffektiv enhed. (C) Genarbejde af COB-samlinger kan være vanskeligt, hvis det allerede er indkapslet. I nogle tilfælde skal hele produktet kasseres. Hvis produktet er i stand til at blive omarbejdet, kan det typisk kun udføres på fabrikken. Omvendt, hvis enheden ikke er indkapslet, er omarbejde relativt let at udføre sammenlignet med gennemgående hul- og SMT-teknologi og billigere. (D) Kvaliteten, ensartetheden og typen af PCB er afgørende for at sikre korrekt matricefastgørelse og trådbindingsintegritet. Rent, trådbindbart guld er ofte påkrævet. COB-teknologi bliver nu brugt af næsten alle større LED-producenter, primært på markedet for generel belysning og belysning. Den stigende efterspørgsel efter energieffektive løsninger til glødelamper, halogen og lignende forældede teknologier giver mulighed for hurtig vækst i COB LED-arenaen. Da denne teknologi fortsætter med at forbedre og omkostningerne falder, forventes COB LED-monteringsmarkedet at overgå det overordnede standard LED-marked i de næste mange år. Selvom de fleste producenter er fokuseret på energieffektive løsninger til generel belysning, er der nogle få udvalgte LED-producenter, der bruger COB-teknologiens mange fordele i mere niche, højt specialiserede applikationer såsom militær, medicinsk, maskinsyn og sikkerhed. En udløber af COB-teknologi, som yderligere øger effektiviteten og giver en endnu større mulighed for miniaturisering, er monteringsmetoderne Direct Attach og Flip Chip. Begge metoder kræver ikke trådbinding, hvilket giver mulighed for en COB-samling med lavere profil, samtidig med at ydeevnen forbedres. I øjeblikket leverer et begrænset antal LED-fabrikanter denne type matricestruktur. Derudover er der endnu et mindre antal montører, der er i stand til korrekt at montere denne type matrice. En stor leverandør af DA-matricer er Cree, Inc. Et eksempel på en af deres DA-type chips er vist i figur 5.
Figur (5) DA set ovenfra og nedefra
Direct Attach-teknikken bruger en flux-eutektisk bindingsproces, som eliminerer behovet for loddepasta, præforme eller ledende klæbemidler. En passende flux og PCB er alt, der kræves for at opnå en højkvalitetsbinding under re-flow-processen. Et eksempel på en samling lavet med standard COB-teknologi versus DA-binding er vist i figur 6A – 6B.
Figur (6A) Standard COB-samling (trådbinding påkrævet)
Figur (6B) Direkte fastgørelsessamling (ingen trådbinding påkrævet)
Flip-chip-teknologien vender om LED'en med forsiden nedad og placerer elektroderne i direkte kontakt med printkortet. Ligesom Direct Attach-processen giver denne teknologi LED-chips fordele, der inkluderer et større lysemitterende område, bedre varmeafledning samt eliminering af trådbindingstrinnet og trådbindingsskygge. Bindingsmetoden til flip-chip-matrice bruger det, der kaldes lodde "bumps". Fastgørelsesprocessen består i at påføre den passende type flux (som i DA-metoden) til disse loddebump-områder og derefter udføre en reflow-proces. På grund af CTE-misforholdet (Coefficient of Thermal Expansion) mellem flip-chippen og PCB, anbefales det typisk ikke at bruge FR-4-materiale, men et keramisk eller optimeret MC (Metal Core) substrat-PCB. En stor leverandør af flip chip type matrice er Philips LumiLED. (Se figur 7)
Figur (7) Flip Chip set fra oven, set nedefra og set fra siden m/loddebuler
Begge disse teknologier er relativt nye for LED'er, men de begynder at gøre stort indtog i de tidligere nævnte generelle belysnings- og nichemarkedspladser. Ud over nogle af de fordele, der er beskrevet tidligere, vil reduktionen i termisk modstand, der går fra en gennemgående anordning til COB (se figur 8), resultere i væsentlige forbedringer i produktets levetid og ydeevne.
Figur (8) Sammenligning af termisk modstand (forbindelse til pude)
Som med enhver ny teknologi er det afgørende at sikre, at du arbejder med en organisation, der har erfaring med optoelektronik, er opmærksom på fordele og ulemper ved gennemgående hul, SMT eller COB og er i stand til at give den bedste løsning til din applikation. Vincent er Chief Technology Officer for Marktech Optoelectronics i Latham, New York. Han har været inden for optoelektronikområdet i næsten 30 år og har forfattet eller medforfattet adskillige artikler om LED-teknologi. Mange væsentlige forbedringer af LED'er og deres applikationer er direkte et resultat af Vincents input og praktiske erfaring.
