Trend prema minijaturizaciji u svijetu elektronike je u tijeku i potaknut je raznim čimbenicima uključujući želju potrošača za prenosivosti, kao i poboljšanu učinkovitost i smanjenje troškova. Tijekom posljednjih nekoliko godina, LED (Light Emitting Diode) tehnologija posebno je doživjela ogroman rast, prvenstveno zbog revolucije na tržištu rasvjete i opće rasvjete. Ovo povećano zanimanje za LED diode također se proširilo na niz drugih tržišta uključujući vojnu, medicinsku i strojnu viziju. Iako LED diode nisu novost na ovim tržištima, njihova potražnja za manjim izvorima veće rezolucije i ujednačenim izvorima i dalje raste. U osnovi postoje tri osnovne kategorije komponenti u LED okruženju. To su Through-Hole, Surface Mount i COB (Chip-On-Board). Pregledat ćemo ih kako bismo lakše razumjeli proces minijaturizacije u vezi s dizajnom i korištenjem LED dioda za aplikacije na ovim tržištima. LED diode kroz otvor komercijalno su dostupne od 1960-ih. Dolaze u različitim tipovima tijela, ali obično imaju promjer od 3 mm do 10 mm (vidi sliku 1).
SLIKA (1)
Ovi uređaji su dominirali optoelektroničkim i tehnološkim sektorima više od 20 godina. Oni se i danas naširoko koriste u raznim primjenama, od velikih digitalnih zaslona i VMS-a (Variable Message Signs) do standardnih indikatora za potrošačku ili industrijsku elektroniku. Iako su ove vrste LED dioda veće veličine u usporedbi s najnovijim tehnološkim dostignućima, još uvijek postoje prednosti korištenja uređaja za otvore poput integrirane optike, jednostavnosti proizvodnje i niske cijene. Osim toga, mnoge aplikacije tipa zaslona ili VMS ne zahtijevaju grafiku visoke rezolucije ili opsežno miješanje boja za gledanje u punoj boji. Tek 1980-ih i 90-ih godina, kada su industrija mobitela i računala počele svoju brzu eskalaciju u domovima svakog potrošača, započeo je poticaj za minijaturizaciju. Komponente za površinsku montažu, iako su zapravo razvijene 1960-ih, brzo su zamjenjivale uređaje za postavljanje kroz rupe počevši od kasnih 1980-ih. Ova tehnologija ne samo da je omogućila mnogo veću gustoću krugova, čime je značajno smanjila veličinu, već je omogućila i automatiziranu montažu. Ručno lemljenje postajalo je sve manje potrebno. Uređaji za površinsku montažu dopuštaju montažu komponenti na obje strane PCB-a ili tiskane ploče, za razliku od samo jedne strane. (Vidi slike 2A – 2B)
Slika (2A) – Popunjena prednja strana kroz otvor, stražnja strana – samo lemljenje, bez komponenti Slika (2B) – Komponente za površinsku montažu na prednjoj i stražnjoj strani PCB-a Ovo je zauzvrat imalo druge prednosti koje su uključivale smanjene troškove proizvodnje, poboljšana toplinska svojstva , povećana pouzdanost i brže vrijeme montaže. Osim toga, tada je bilo moguće izraditi zaslone visoke razlučivosti, kao i promjenjive poruke u boji u punoj boji koristeći crvene, zelene i plave LED diode. Plave LED diode također su postale komercijalno održive 1990-ih, što se vrlo dobro poklopilo sa širokom upotrebom komponenti za površinsku montažu. Uređaji za površinsku montažu danas su postali izborna kategorija proizvoda za većinu aplikacija elektroničkog dizajna i dolaze u različitim vrstama i veličinama pakiranja. Neki od najčešćih u svijetu LED dioda kreću se u veličini od 0402 što je jednako .04″ x .02″, do 1210 ili .12″ x .10″ s većim veličinama za uređaje velike snage. (Vidi sliku 3)
SLIKA (3)
U kasnim 2000-ima ponovno se pojavio poticaj za još veću učinkovitost i povećanu gustoću za LED diode, prvenstveno potaknut tržištem rasvjete i opće rasvjete. To je rezultiralo raširenim uvođenjem i upotrebom COB (Chip-On-Board) tehnologije. COB je poluvodička tehnologija u kojoj se "čip" koji se također naziva "matrica" montira izravno na tiskanu ploču pomoću postupka koji se naziva pričvršćivanje matrice ili spajanje matrice. Pojedinačna matrica se postavlja na PCB pomoću metode vodljive paste ili lemljenja (eutektičke), a zatim se spaja žicom. (Vidi sliku 4) Ova tehnologija praktički eliminira potrebu za dodatnim pakiranjem kao što su olovni okviri i kućišta što omogućuje veće kvalitete rasipa topline, smanjenu veličinu i povećanu gustoću LED dioda (ako je potrebno).
SLIKA (4)
140 komada LED čipa pakirano na površinu manju od 1 četvornog inča Još uvijek postoje izazovi s korištenjem COB tehnologije, posebno s proizvodnog stajališta. Neki od njih uključuju; (A) Kapitalni trošak – Potrebna oprema je često vrlo specijalizirana i skupa (B) Ujednačenost i konzistentnost su kritični u mnogim COB aplikacijama, stoga, gola matrica/čip mora biti pažljivo odabrana i testirana prije postavljanja na PCB. Ovaj proces također zahtijeva vrlo specijaliziranu opremu, a osim toga, potrebno je uzeti u obzir prinose kako bi se održao isplativ uređaj. (C) Ponovni rad COB sklopova može biti težak ako su već inkapsulirani. U nekim slučajevima, cijeli proizvod se mora baciti. Ako se proizvod može ponovno obraditi, obično se to može izvesti samo u tvornici. Suprotno tome, ako uređaj nije inkapsuliran, ponovni rad je relativno jednostavan za izvođenje u usporedbi s tehnologijom kroz rupu i SMT tehnologijom i manje je skup. (D) Kvaliteta, ujednačenost i vrsta PCB-a kritični su za osiguranje ispravnog pričvršćivanja matrice i integriteta žice. Često je potrebno čisto zlato koje se može vezati žicom. COB tehnologiju sada koriste gotovo svi veći proizvođači LED dioda, prvenstveno na tržištu opće rasvjete i rasvjete. Sve veća potražnja za energetski učinkovitim rješenjima za žarulje sa žarnom niti, halogene i slične zastarjele tehnologije dopušta brz rast u COB LED areni. Kako se ova tehnologija nastavlja poboljšavati, a troškovi smanjuju, očekuje se da će COB LED tržište premašiti ukupno standardno LED tržište u sljedećih nekoliko godina. Iako je većina proizvođača usredotočena na energetski učinkovita rješenja za opću rasvjetu, postoji nekoliko odabranih proizvođača LED dioda koji koriste mnoge prednosti COB tehnologije u više nišnim, visoko specijaliziranim aplikacijama kao što su vojna, medicinska, strojna vizija i sigurnost. Izdanak COB tehnologije koja dodatno povećava učinkovitost i pruža još veću priliku za minijaturizaciju su metode montaže Direct Attach i Flip Chip. Obje metode ne zahtijevaju spajanje žice, čime se omogućuje niži profil COB sklopa uz poboljšanje performansi. Trenutno, ograničen broj proizvođača LED dioda nudi ovu vrstu strukture matrice. Osim toga, postoji još manji broj montažera koji su sposobni pravilno montirati ovu vrstu matrice. Glavni dobavljač DA matrica je Cree, Inc. Primjer jednog od njihovih čipova tipa DA prikazan je na slici 5.
Slika (5) DA pogled odozgo i odozdo
Tehnika izravnog pričvršćivanja koristi proces eutektičkog vezivanja fluksom koji eliminira potrebu za pastom za lemljenje, predformama ili vodljivim ljepilima. Odgovarajući fluks i PCB su sve što je potrebno za postizanje visoke kvalitete veze tijekom procesa ponovnog protoka. Primjer sklopa napravljenog standardnom COB tehnologijom u odnosu na DA spajanje prikazan je na slikama 6A – 6B.
Slika (6A) Standardni COB sklop (potrebno je spajanje žice)
Slika (6B) Sklop izravnog pričvršćivanja (nije potrebno spajanje žice)
Tehnologija flip chip-a preokreće LED u orijentaciji licem prema dolje i postavlja elektrode u izravan kontakt s PCB-om. Poput procesa izravnog pričvršćivanja, ova tehnologija daje LED čipovima prednosti koje uključuju veće područje emitiranja svjetlosti, bolje rasipanje topline, zajedno s eliminacijom koraka spajanja žice i sjenčanja žica. Metoda lijepljenja za flip chip die koristi ono što se naziva lemnim "izbočinama". Postupak pričvršćivanja sastoji se od primjene odgovarajuće vrste toka (kao u DA metodi) na ta područja lemljenja i zatim izvođenja postupka ponovnog toka. Zbog neusklađenosti CTE (koeficijenta toplinske ekspanzije) između flip čipa i PCB-a, obično se ne preporuča koristiti FR-4 materijal već keramičku ili optimiziranu MC (metalnu jezgru) podlogu PCB-a. Glavni dobavljač matrica tipa flip chip je Philips LumiLED. (Vidi sliku 7)
Slika (7) Flip Chip pogled odozgo, pogled odozdo i bočni pogled s izbočinama za lemljenje
Obje ove tehnologije su relativno nove za LED diode, ali počinju stvarati velike prodore u opće osvjetljenje i tržišna niša spomenuta ranije. Uz neke od prednosti opisanih ranije, smanjenje toplinskog otpora koji ide od uređaja kroz rupu do COB-a (vidi sliku 8) rezultirat će značajnim poboljšanjima životnog vijeka i performansi proizvoda.
Slika (8) Usporedba toplinske otpornosti (spoj na jastučić)
Kao i kod svake nove tehnologije, ključno je osigurati da radite s organizacijom koja ima iskustvo u optoelektronici, svjesna je prednosti i nedostataka prolaznih rupa, SMT-a ili COB-a i sposobna je pružiti najbolju opciju za vašu primjenu. Vincent je glavni tehnološki direktor tvrtke Marktech Optoelectronics u Lathamu, New York. On je u području optoelektronike gotovo 30 godina te je autor ili koautor nekoliko članaka koji se odnose na LED tehnologiju. Mnoga značajna poboljšanja LED dioda i njihovih primjena izravno su proizašla iz Vincentovog unosa i praktičnog iskustva.
