De trend naar miniaturisering in de elektronicawereld is aan de gang en wordt gevoed door een aantal factoren, waaronder de wens van de consument naar draagbaarheid, evenals verbeterde efficiëntie en verlaging van de kosten. De afgelopen jaren heeft met name de LED-technologie (Light Emitting Diode) een enorme groei doorgemaakt, voornamelijk als gevolg van de revolutie in de verlichtings- en algemene verlichtingsmarkten. Deze toegenomen belangstelling voor LED's heeft zich ook uitgebreid naar een aantal andere markten, waaronder militaire, medische en machinevisie. Hoewel LED's niet nieuw zijn op deze markten, blijft hun vraag naar kleinere, hogere resolutie en uniforme bronnen groeien. In wezen zijn er drie basiscategorieën van componenten in de LED-omgeving. Dit zijn Through-Hole, Surface Mount en COB (Chip-On-Board). We zullen deze bekijken om inzicht te krijgen in het miniaturisatieproces met betrekking tot het ontwerp en het gebruik van LED's voor toepassingen in deze markten. Through-hole LED's zijn sinds de jaren 60 in de handel verkrijgbaar. Ze zijn er in verschillende lichaamstypes, maar variëren meestal in grootte van 3 mm - 10 mm in diameter (zie afbeelding 1).
FIGUUR 1)
Deze apparaten domineerden al meer dan 20 jaar de sectoren opto-elektronica en technologie. Ze worden tegenwoordig nog steeds veel gebruikt in een verscheidenheid aan toepassingen, variërend van grote digitale displays en VMS (Variable Message Signs) tot standaardindicatoren voor consumenten- of industriële elektronica. Hoewel deze LED-typen groter zijn in vergelijking met de nieuwste technologische ontwikkelingen, zijn er nog steeds voordelen aan het gebruik van doorlopende apparaten, zoals geïntegreerde optica, fabricagegemak en lage kosten. Bovendien vereisen veel beeldscherm- of VMS-toepassingen geen afbeeldingen met hoge resolutie of uitgebreide kleurenmenging voor weergave in volledige kleur. Pas in de jaren '80 en '90, toen de mobiele telefoon- en computerindustrie hun snelle escalatie naar de huizen van elke consument begonnen, begon de drang naar miniaturisatie. Componenten voor opbouwmontage, hoewel ze in feite in de jaren zestig werden ontwikkeld, vervingen vanaf het einde van de jaren tachtig snel doorlopende apparaten. Deze technologie maakte niet alleen veel hogere circuitdichtheden mogelijk, waardoor de afmetingen aanzienlijk werden verkleind, maar maakte ook geautomatiseerde assemblage mogelijk. Handsolderen werd steeds minder nodig. Surface Mount Devices maakten de montage van componenten aan beide zijden van de PCB of printplaat mogelijk in plaats van slechts aan één kant. (Zie figuren 2A – 2B）
Afbeelding (2A) – Doorlopende voorkant gevuld, achterkant – alleen solderen, geen componenten Afbeelding (2B) – Componenten voor opbouwmontage aan de voor- en achterkant van de PCB Dit had op zijn beurt andere voordelen, waaronder lagere productiekosten en verbeterde thermische eigenschappen , verhoogde betrouwbaarheid en snellere doorlooptijd van assemblages. Bovendien was het toen mogelijk om displays met een hoge resolutie te maken, evenals full colour variabele berichtenborden met rode, groene en blauwe LED's. Blauwe LED's werden ook commercieel levensvatbaar in de jaren negentig, wat heel goed samenviel met het brede gebruik van componenten voor opbouwmontage. Opbouwapparaten zijn tegenwoordig de productcategorie bij uitstek geworden voor de meeste elektronische ontwerptoepassingen en zijn verkrijgbaar in verschillende soorten en maten verpakkingen. Enkele van de meest voorkomende in de LED-wereld variëren in grootte van 0402, wat overeenkomt met .04″ x .02″, tot 1210 of .12″ x .10″ met grotere formaten voor krachtige apparaten. (Zie figuur 3)
FIGUUR 3)
Aan het eind van de jaren 2000 was er een drang naar nog grotere efficiëntie en een grotere dichtheid voor LED's, opnieuw voornamelijk gedreven door de verlichtings- en algemene verlichtingsmarkt. Dit resulteerde in de wijdverbreide introductie en het gebruik van COB-technologie (Chip-On-Board). COB is een halfgeleidertechnologie waarbij de "chip", ook wel de "die" genoemd, rechtstreeks op de printplaat wordt gemonteerd met behulp van een procedure die die attach of die bonding wordt genoemd. De individuele matrijs wordt op de PCB geplaatst met behulp van een geleidende pasta of soldeer (Eutectic) methode en vervolgens draadgebonden. (Zie afbeelding 4) Deze technologie elimineert vrijwel de noodzaak van extra verpakkingen zoals leadframes en behuizingen, wat zorgt voor grotere thermische dissipatieve eigenschappen, kleinere afmetingen en verhoogde LED-dichtheid (indien nodig).
AFBEELDING (4)
140 stuks van een LED-chip verpakt in een gebied van minder dan 1 vierkante inch Er zijn nog steeds uitdagingen bij het gebruik van COB-technologie, vooral vanuit een productiestandpunt. Sommige hiervan omvatten; (A) Kapitaalkosten - De benodigde apparatuur is vaak zeer gespecialiseerd en duur. (B) Uniformiteit en consistentie zijn van cruciaal belang in veel COB-toepassingen, daarom moet de kale Die / Chip zorgvuldig worden geselecteerd en getest voordat deze op de PCB wordt geplaatst. Dit proces vereist ook zeer gespecialiseerde apparatuur en bovendien moet rekening worden gehouden met de opbrengsten om een kosteneffectief apparaat te behouden. (C) Re-work van COB-assemblages kan moeilijk zijn als ze al zijn ingekapseld. In sommige gevallen moet het hele product worden weggegooid. Als het product opnieuw kan worden bewerkt, kan dit doorgaans alleen in de fabriek worden uitgevoerd. Omgekeerd, als het apparaat niet is ingekapseld, is nabewerking relatief eenvoudig uit te voeren in vergelijking met through-hole en SMT-technologie en minder kostbaar. (D) De kwaliteit, uniformiteit en het type PCB is van cruciaal belang om te zorgen voor een goede bevestiging van de matrijs en de integriteit van de draadverbinding. Puur, draadgebonden goud is vaak vereist. COB-technologie wordt nu gebruikt door bijna elke grote LED-fabrikant, voornamelijk in de algemene verlichtings- en verlichtingsmarkt. De toenemende vraag naar energie-efficiënte oplossingen voor gloeilampen, halogeen en soortgelijke verouderde technologieën zorgt voor een snelle groei in de COB LED-arena. Aangezien deze technologie blijft verbeteren en de kosten dalen, wordt verwacht dat de COB LED-assemblagemarkt in de komende jaren de algemene standaard LED-markt zal overtreffen. Hoewel de meeste fabrikanten zich richten op energiezuinige oplossingen voor algemene verlichting, zijn er een paar geselecteerde LED-fabrikanten die de vele voordelen van COB-technologie gebruiken in meer niche, zeer gespecialiseerde toepassingen zoals militaire, medische, machinevisie en beveiliging. Een uitloper van COB-technologie die de efficiëntie verder verhoogt en een nog grotere mogelijkheid biedt voor miniaturisatie, zijn de Direct Attach- en Flip Chip-montagemethoden. Beide methoden vereisen geen draadverbinding, waardoor een COB-montage met een lager profiel mogelijk is en de prestaties worden verbeterd. Momenteel levert een beperkt aantal LED-fabrikanten dit type matrijsstructuur. Daarnaast zijn er nog een kleiner aantal monteurs die dit type matrijs goed kunnen monteren. Een belangrijke leverancier van DA-matrijs is Cree, Inc. Een voorbeeld van een van hun DA-type chips wordt getoond in figuur 5.
Afbeelding (5) DA boven- en onderaanzicht
De Direct Attach-techniek maakt gebruik van een flux-eutectisch hechtproces waardoor soldeerpasta, preforms of geleidende lijmen overbodig zijn. Een geschikte flux en PCB is alles wat nodig is om een hoogwaardige hechting te bereiken tijdens het reflow-proces. Een voorbeeld van een montage gemaakt met standaard COB-technologie versus DA-binding wordt getoond in figuren 6A – 6B.
Afbeelding (6A) Standaard COB-montage (draadverbinding vereist)
Afbeelding (6B) Direct Attach-montage (geen draadverbinding vereist)
Flip-chiptechnologie draait de LED om met de beeldzijde naar beneden en plaatst de elektroden in direct contact met de PCB. Net als het Direct Attach-proces, geeft deze technologie LED-chips voordelen zoals een groter lichtuitstralend gebied, betere warmteafvoer, samen met het elimineren van de draadverbindingsstap en schaduwvorming van de draadverbinding. De hechtmethode voor flip-chip-die maakt gebruik van zogenaamde soldeer "hobbels". Het bevestigingsproces bestaat uit het aanbrengen van het juiste type flux (zoals in de DA-methode) op deze soldeerbultgebieden en vervolgens het uitvoeren van een reflow-proces. Vanwege de CTE (Coefficient of Thermal Expansion) mismatch tussen de flip-chip en PCB, wordt het doorgaans niet aanbevolen om FR-4-materiaal te gebruiken, maar een keramische of geoptimaliseerde MC (Metal Core) substraat-PCB. Een belangrijke leverancier van flip-chip-type dobbelstenen is Philips LumiLED. (Zie afbeelding 7)
Afbeelding (7) Flip Chip bovenaanzicht, onderaanzicht en zijaanzicht met soldeerbultjes
Beide technologieën zijn relatief nieuw voor LED's, maar beginnen een grote doorbraak te maken in de eerder genoemde algemene verlichtings- en nichemarkten. Naast enkele van de eerder beschreven voordelen, zal de verlaging van de thermische weerstand van een doorlopende inrichting naar COB (zie afbeelding 8) resulteren in aanzienlijke verbeteringen in de levensduur en prestaties van het product.
Afbeelding (8) Vergelijking thermische weerstand (verbinding met pad)
Zoals met elke nieuwe technologie, is het van cruciaal belang om te verzekeren dat u werkt met een organisatie die ervaring heeft met opto-elektronica, zich bewust is van de voor- en nadelen van through-hole, SMT of COB en in staat is om de beste optie voor uw toepassing te bieden. Vincent is Chief Technology Officer van Marktech Optoelectronics in Latham, New York. Hij is al bijna 30 jaar actief in de opto-elektronica en is auteur of co-auteur van verschillende artikelen met betrekking tot LED-technologie. Veel belangrijke verbeteringen aan LED's en hun toepassingen zijn rechtstreeks het resultaat van Vincent's input en praktische ervaring.
