Elektroonikamaailma miniaturiseerimise suundumus jätkub ja seda soodustavad mitmed tegurid, sealhulgas tarbijate soov kaasaskantavuse järele, samuti tõhususe paranemine ja kulude vähenemine. Viimase paari aasta jooksul on LED-tehnoloogia (valgusdiood) tohutult kasvanud, seda peamiselt valgustuse ja üldvalgustuse turgude revolutsiooni tõttu. See suurenenud huvi LED-ide vastu on laienenud ka paljudele teistele turgudele, sealhulgas sõjalisele, meditsiinilisele ja masinnägemisele. Kuigi LED-id pole neil turgudel uued, kasvab nende nõudlus väiksemate, kõrgema eraldusvõimega ja ühtsete allikate järele jätkuvalt. Põhimõtteliselt on LED-keskkonnas kolm komponentide põhikategooriat. Need on läbiv auk, pindkinnitus ja COB (kiip pardal). Vaatame need üle, et aidata mõista LED-ide projekteerimise ja kasutamise miniatuurset protsessi nendel turgudel. Läbi auguga LED-id on müügil olnud alates 1960. aastatest. Neid on erinevat tüüpi kerega, kuid nende läbimõõt on tavaliselt 3–10 mm (vt joonis 1).
JOONIS 1)
Need seadmed domineerisid optoelektroonika- ja tehnoloogiasektoris enam kui 20 aastat. Neid kasutatakse tänapäevalgi laialdaselt mitmesugustes rakendustes alates suurtest digitaalsetest kuvaritest ja VMS-ist (muutuvate sõnumite märgid) kuni tarbe- või tööstuselektroonika standardnäitajateni. Kuigi need LED-tüübid on võrreldes viimaste tehnoloogiliste arengutega suuremad, on läbiva avaga seadmete, näiteks integreeritud optika, kasutamise eelised, valmistamise lihtsus ja madal hind. Lisaks ei vaja paljud kuva- või VMS-tüüpi rakendused täisvärvide vaatamiseks kõrge eraldusvõimega graafikat ega ulatuslikku värvide segamist. Alles 1980. ja 90. aastatel, kui mobiiltelefoni- ja arvutitööstus hakkas kiiresti levima iga tarbija kodudesse, algas miniaturiseerimise tung. Kuigi pinnale paigaldatavad komponendid töötati välja 1960. aastatel, asendasid need 1980. aastate lõpust kiiresti läbi auguga seadmeid. See tehnoloogia ei võimaldanud mitte ainult palju suuremat vooluringi tihedust, vähendades seega oluliselt suurust, vaid võimaldas ka automatiseeritud kokkupanekut. Käsijootmine muutus üha vähem vajalikuks. Pindkinnitusseadmed võimaldavad komponentide paigaldamist PCB või trükkplaadi mõlemale küljele, mitte ainult ühele küljele. (Vt jooniseid 2A–2B)
Joonis (2A) – läbiva auguga esikülg asustatud, tagakülg – ainult jootmine, komponentideta Joonis (2B) – pindpaigalduse komponendid PCB esi- ja tagaküljel Sellel omakorda oli muid eeliseid, sealhulgas väiksemad tootmiskulud ja paremad soojusomadused , suurem töökindlus ja sõlmede kiirem ümbertöötlemisaeg. Lisaks oli võimalik punaste, roheliste ja siniste LED-ide abil luua kõrge eraldusvõimega kuvasid ja täisvärvilisi muutuvaid teatesilte. Sinised LED-id muutusid 1990ndatel ka äriliselt elujõuliseks, mis langes väga hästi kokku pindmontaažikomponentide laialdase kasutamisega. Pindkinnitusseadmed on tänapäeval muutunud enamiku elektrooniliste disainirakenduste jaoks valitud tootekategooriaks ning neid on erinevat tüüpi ja erineva suurusega pakendites. Mõned LED-maailmas levinumad on vahemikus 0402, mis võrdub 0,04 x 0,02 tolli, kuni 1210 või 0,12 tolli x 0,10 tolli ja suuremate mõõtmetega suure võimsusega seadmete jaoks. (Vt joonist 3)
JOONIS (3)
2000. aastate lõpus hakati taas suurendama LED-ide tõhusust ja tihedust, peamiselt valgustuse ja üldvalgustuse turu tõttu. Selle tulemuseks oli COB (Chip-On-Board) tehnoloogia laialdane kasutuselevõtt ja kasutamine. COB on pooljuhttehnoloogia, mille puhul "kiip", mida nimetatakse ka "stantsiks", paigaldatakse otse trükkplaadile, kasutades protseduuri, mida nimetatakse stantside kinnitamiseks või stantsimiseks. Üksikud stantsid asetatakse PCB-le kas juhtiva pasta või jootmise (Eutektika) meetodil ja ühendatakse seejärel traadiga. (Vt joonist 4) See tehnoloogia välistab praktiliselt vajaduse täiendavate pakendite, näiteks pliiraamide ja korpuste järele, mis võimaldab paremat soojust hajutavat omadust, väiksemat suurust ja suuremat LED-i tihedust (vajadusel).
JOONIS (4)
140 tk LED-kiipi, mis on pakitud alla 1 ruuttollisele alale. COB-tehnoloogia kasutamisel on endiselt probleeme, eriti tootmise seisukohast. Mõned neist hõlmavad; (A) Kapitalikulu – nõutavad seadmed on sageli väga spetsiifilised ja kallid. (B) Ühtlus ja järjepidevus on paljude COB-rakenduste puhul kriitilise tähtsusega, seetõttu tuleb paljas stants/kiip enne PCB-le paigaldamist hoolikalt valida ja testida. See protsess nõuab ka väga spetsiifilisi seadmeid ja lisaks tuleb tasuva seadme säilitamiseks arvestada tootlusega. (C) COB-sõlmede ümbertöötamine võib olla keeruline, kui need on juba kapseldatud. Mõnel juhul tuleb kogu toode ära visata. Kui toodet on võimalik ümber töödelda, saab seda tavaliselt teha ainult tehases. Vastupidiselt, kui seade ei ole kapseldatud, on ümbertööd suhteliselt lihtne teostada võrreldes läbiva augu ja SMT tehnoloogiaga ning vähem kulukas. (D) PCB kvaliteet, ühtlus ja tüüp on stantsi õige kinnituse ja traadiühenduse terviklikkuse tagamiseks üliolulised. Sageli on vaja puhast traatsidemega kulda. COB-tehnoloogiat kasutavad nüüd peaaegu kõik suuremad LED-tootjad, peamiselt üldvalgustuse ja valgustuse turul. Kasvav nõudlus hõõglambi, halogeeni ja sarnaste vananenud tehnoloogiate energiatõhusate lahenduste järele võimaldab COB LED-areenil kiiresti kasvada. Kuna see tehnoloogia täiustub ja kulud vähenevad, ületab COB LED-komplektide turg järgmise paari aasta jooksul üldise standardse LED-turu. Kuigi enamik tootjaid on keskendunud üldvalgustuse energiatõhusatele lahendustele, on mõned LED-tootjad, kes kasutavad COB-tehnoloogia paljusid eeliseid niši- ja spetsiifilisemates rakendustes, nagu sõjavägi, meditsiin, masinnägemine ja turvalisus. COB-tehnoloogia järg, mis suurendab veelgi tõhusust ja annab veelgi suurema võimaluse miniatuurseks muutmiseks, on monteerimismeetodid Direct Attach ja Flip Chip. Mõlemad meetodid ei nõua traadi ühendamist, võimaldades seega madalama profiiliga COB-koostu, parandades samal ajal jõudlust. Praegu pakub seda tüüpi stantsikonstruktsioone piiratud arv LED-tootjaid. Lisaks on isegi väiksem arv kokkupanijaid, kes suudavad seda tüüpi stantse korralikult paigaldada. Peamine DA-vormingu tarnija on Cree, Inc. Ühe nende DA-tüüpi kiibi näide on näidatud joonisel 5.
Joonis (5) DA pealt- ja altvaade
Direct Attach tehnikas kasutatakse räbusti eutektilist sidumisprotsessi, mis välistab vajaduse jootepasta, eelvormide või juhtivate liimide järele. Kvaliteetse sideme saavutamiseks tagasivooluprotsessi ajal on vaja ainult sobivat räbusti ja PCB-d. Näide standardse COB-tehnoloogiaga valmistatud koostu ja DA-liimimisega on näidatud joonistel 6A–6B.
Joonis (6A) Standardne COB-koost (vajalik on traadi sidumine)
Joonis (6B) Otsekinnituse koost (traadi ühendamine pole vajalik)
Flip-chip-tehnoloogia pöörab LED-i ümber esiküljega allapoole ja asetab elektroodid otsekontakti PCB-ga. Nagu Direct Attach protsess, annab see tehnoloogia LED-kiipidele eeliseid, mis hõlmavad suuremat valgust kiirgavat ala, paremat soojuse hajumist ning traadi sidumisetapi ja traadi sideme varjutamise kõrvaldamist. Flip chip stantside liimimismeetodil kasutatakse nn jootemuhke. Kinnitusprotsess seisneb sobivat tüüpi räbusti (nagu DA-meetodi puhul) kandmises nendele jootepunktide aladele ja seejärel taasvoolamise protsessis. Flip-kiibi ja PCB vahelise CTE (soojuspaisumise koefitsiendi) mittevastavuse tõttu ei ole tavaliselt soovitatav kasutada FR-4 materjali, vaid keraamilist või optimeeritud MC (Metal Core) substraadi PCB-d. Peamine flip chip tüüpi stantside tarnija on Philips LumiLED. (Vt joonis 7)
Joonis (7) Flip Chip pealtvaade, altvaade ja külgvaade koos jootemuhkega
Mõlemad tehnoloogiad on LED-ide jaoks suhteliselt uued, kuid on hakanud tegema suuri edusamme eelnevalt mainitud üldvalgustuse ja turuniši jaoks. Lisaks mõnele eelnevalt kirjeldatud eelisele parandab soojustakistuse vähendamine läbiva avaga seadmelt COB-le (vt joonis 8) oluliselt toote kasutusiga ja jõudlust.
Joonis (8) Soojustakistuse võrdlus (ristmik padjaga)
Nagu iga uue tehnoloogia puhul, on oluline tagada, et töötate organisatsiooniga, mis on optoelektroonika alal kogenud, on teadlik läbiva augu, SMT või COB eelistest ja puudustest ning suudab pakkuda teie rakenduse jaoks parimat võimalust. Vincent on Marktech Optoelectronics tehnoloogiadirektor Lathamis, New Yorgis. Ta on optoelektroonika valdkonnas tegutsenud peaaegu 30 aastat ja mitmete LED-tehnoloogiaga seotud artiklite autor või kaasautor. Paljud olulised LED-ide ja nende rakenduste täiustused on otseselt tingitud Vincenti panusest ja praktilisest kogemusest.
