A tendência de miniaturização no mundo da eletrônica está em andamento e é alimentada por uma variedade de fatores, incluindo o desejo do consumidor por portabilidade, bem como maior eficiência e redução de custos. Nos últimos anos, a tecnologia LED (Light Emitting Diode), especificamente, tem visto um tremendo crescimento, principalmente devido à revolução nos mercados de iluminação e iluminação geral. Este crescente interesse em LEDs também se estendeu a uma variedade de outros mercados, incluindo militar, médico e visão de máquina. Embora os LEDs não sejam uma novidade nesses mercados, sua demanda por fontes menores, de maior resolução e uniformes continua a crescer. Essencialmente, existem três categorias básicas de componentes no ambiente de LED. Estes são Through-Hole, Surface Mount e COB (Chip-On-Board). Iremos revisá-los para ajudar a entender o processo de miniaturização em relação ao projeto e uso de LEDs para aplicações nesses mercados. LEDs passantes estão disponíveis comercialmente desde 1960. Eles vêm em uma variedade de tipos de corpo, mas normalmente variam em tamanho de 3 mm a 10 mm de diâmetro (consulte a figura 1).
FIGURA 1)
Esses dispositivos dominaram os setores de optoeletrônica e tecnologia por mais de 20 anos. Eles ainda são amplamente usados hoje em uma variedade de aplicações, desde grandes visores digitais e VMS (sinais de mensagem variável) a indicadores padrão para produtos eletrônicos de consumo ou industriais. Embora esses tipos de LED sejam maiores em tamanho em comparação com os mais recentes desenvolvimentos tecnológicos, ainda existem vantagens em usar dispositivos de orifício de passagem, como óptica integrada, facilidade de fabricação e baixo custo. Além disso, muitos monitores ou aplicativos do tipo VMS não requerem gráficos de alta resolução ou extensa mistura de cores para visualização em cores. Somente nas décadas de 1980 e 90, quando as indústrias de telefones celulares e computadores começaram sua rápida escalada para as casas de todos os consumidores, o impulso para a miniaturização começou. Os componentes de montagem em superfície, embora realmente desenvolvidos na década de 1960, estavam substituindo rapidamente os dispositivos de orifício passantes a partir do final da década de 1980. Essa tecnologia não apenas permitiu densidades de circuito muito mais altas, reduzindo significativamente o tamanho, mas também tornou possível a montagem automatizada. A soldagem manual tornou-se cada vez menos necessária. Dispositivos de montagem em superfície permitem a montagem de componentes em ambos os lados da PCB ou placa de circuito impresso, em oposição a apenas um lado. (Veja as Figuras 2A - 2B）
Figura (2A) - Lado frontal através do orifício preenchido, lado traseiro - soldagem apenas, sem componentes Figura (2B) - Componentes de montagem em superfície na parte frontal e traseira da placa de circuito impresso. , maior confiabilidade e tempo de execução mais rápido das montagens. Além disso, foi possível criar telas de alta resolução, bem como sinais de mensagem variáveis em cores utilizando LEDs vermelho, verde e azul. Os LEDs azuis também se tornaram comercialmente viáveis na década de 1990, coincidindo muito bem com o amplo uso de componentes de montagem em superfície. Dispositivos de montagem em superfície tornaram-se hoje a categoria de produto preferida para a maioria das aplicações de design eletrônico e vêm em uma variedade de tipos e tamanhos de embalagens. Alguns dos mais comuns no mundo do LED variam em tamanho de 0402, que equivale a 0,04 ″ x 0,02 ″, a 1210 ou 0,12 ″ x 0,10 ″ com tamanhos maiores para dispositivos de alta potência. (Veja a figura 3)
FIGURA 3)
No final dos anos 2000, um impulso para uma eficiência ainda maior e maior densidade para os LEDs estava ocorrendo, mais uma vez, impulsionado principalmente pelo mercado de iluminação e iluminação geral. Isso resultou na introdução e uso generalizado da tecnologia COB (Chip-On-Board). COB é uma tecnologia de semicondutor em que o “chip” também conhecido como “matriz” é montado diretamente na placa de circuito impresso usando um procedimento denominado fixação de matriz ou união de matriz. As matrizes individuais são colocadas no PCB usando uma pasta condutora ou método de soldagem (eutética) e, em seguida, ligadas por fio. (Veja a figura 4) Esta tecnologia elimina virtualmente a necessidade de embalagens adicionais, como quadros e caixas de chumbo, que permitem maiores qualidades de dissipação térmica, tamanho reduzido e densidade de LED aumentada (se necessário).
FIGURA (4)
140 unidades de um chip de LED embalado em uma área menor que 1 polegada quadrada Ainda existem desafios com o uso da tecnologia COB, especialmente do ponto de vista da fabricação. Alguns deles incluem; (A) Despesa de capital - O equipamento necessário é freqüentemente muito especializado e caro (B) Uniformidade e consistência são críticas em muitas aplicações COB, portanto, o Die / Chip vazio deve ser cuidadosamente selecionado e testado antes de ser colocado no PCB. Este processo também requer equipamentos muito especializados e, além disso, os rendimentos devem ser considerados para manter um dispositivo com boa relação custo-benefício. (C) O retrabalho de conjuntos COB pode ser difícil se já estiver encapsulado. Em alguns casos, todo o produto deve ser descartado. Se o produto puder ser retrabalhado, normalmente, ele só poderá ser executado na fábrica. Por outro lado, se o dispositivo não for encapsulado, o retrabalho é relativamente fácil de realizar em comparação com a tecnologia de orifício e SMT e menos dispendiosa. (D) A qualidade, uniformidade e tipo de PCB são essenciais para garantir a conexão adequada da matriz e a integridade da ligação do fio. Ouro puro, ligado por fio, é frequentemente necessário. A tecnologia COB agora está sendo usada por quase todos os principais fabricantes de LED, principalmente no mercado de iluminação geral e iluminação. A crescente demanda por soluções de eficiência energética para lâmpadas incandescentes, halógenas e tecnologias antiquadas semelhantes está permitindo um rápido crescimento na arena de LED COB. Como esta tecnologia continua a melhorar e os custos diminuem, o mercado de montagem de LED COB deve exceder o mercado de LED padrão geral nos próximos anos. Embora a maioria dos fabricantes esteja focada em soluções de eficiência energética para iluminação geral, existem alguns fabricantes de LED selecionados que estão usando as muitas vantagens da tecnologia COB em mais nichos e aplicações altamente especializadas, como militares, médicos, visão de máquina e segurança. Um desdobramento da tecnologia COB que aumenta ainda mais a eficiência e oferece uma oportunidade ainda maior de miniaturização são os métodos de montagem Direct Attach e Flip Chip. Ambos os métodos não requerem ligação de fio, permitindo assim uma montagem COB de perfil inferior, melhorando o desempenho. Atualmente, um número limitado de fabricantes de LED está fornecendo esse tipo de estrutura de matriz. Além disso, existe um número ainda menor de montadores que são capazes de montar adequadamente esse tipo de matriz. Um dos principais fornecedores de dados DA é a Cree, Inc. Um exemplo de um de seus chips do tipo DA é mostrado na figura 5.
Figura (5) vista superior e inferior do DA
A técnica Direct Attach usa um processo de ligação eutética de fluxo que elimina a necessidade de pasta de solda, pré-formas ou adesivos condutores. Um fluxo apropriado e PCB é tudo o que é necessário para obter uma ligação de alta qualidade durante o processo de refluxo. Um exemplo de um conjunto feito com tecnologia COB padrão versus ligação DA é mostrado nas figuras 6A - 6B.
Figura (6A) Conjunto COB padrão (ligação de fio necessária)
Figura (6B) Conjunto de conexão direta (sem ligação de fio necessária)
A tecnologia flip chip inverte o LED em uma orientação voltada para baixo e coloca os eletrodos em contato direto com o PCB. Como o processo Direct Attach, essa tecnologia oferece vantagens aos chips de LED que incluem uma área de emissão de luz maior, melhor dissipação de calor, além de eliminar a etapa de ligação do fio e o sombreamento da ligação do fio. O método de ligação para molde flip chip usa o que é chamado de “saliências” de solda. O processo de fixação consiste em aplicar o tipo apropriado de fluxo (como no método DA) a essas áreas de relevo da solda e, em seguida, realizar um processo de refluxo. Devido à incompatibilidade CTE (Coeficiente de expansão térmica) entre o chip flip e o PCB, normalmente não é recomendado usar o material FR-4, mas um substrato de cerâmica ou MC otimizado (núcleo metálico) PCB. Um dos principais fornecedores de matrizes do tipo flip chip é a Philips LumiLED. (Veja a Figura 7)
Figura (7) Vista superior do Flip Chip, vista inferior e vista lateral com saliências de solda
Ambas as tecnologias são relativamente novas para os LEDs, mas estão começando a fazer grandes incursões na iluminação geral e nos nichos de mercado mencionados anteriormente. Além de algumas das vantagens descritas anteriormente, a redução na resistência térmica passando de um dispositivo de orifício para COB (consulte a figura 8) resultará em melhorias significativas na vida útil e no desempenho do produto.
Figura (8) Comparação de resistência térmica (junção com almofada)
Como acontece com qualquer nova tecnologia, é fundamental garantir que você esteja trabalhando com uma organização com experiência em optoeletrônica, que esteja ciente das vantagens e desvantagens do through-hole, SMT ou COB e seja capaz de fornecer a melhor opção para sua aplicação. Vincent é Diretor de Tecnologia da Marktech Optoelectronics em Latham, Nova York. Ele está no campo da optoeletrônica há quase 30 anos e é autor ou co-autor de vários artigos relacionados à tecnologia LED. Muitos aprimoramentos significativos para LEDs e suas aplicações resultaram diretamente da experiência prática e de entrada de Vincent.
