המגמה למזעור בעולם האלקטרוניקה נמשכת וניזונה ממגוון גורמים לרבות הרצון של הצרכן לניידות וכן שיפור היעילות והוזלת העלויות. במהלך השנים האחרונות, טכנולוגיית LED (Light Emitting Diode) באופן ספציפי, ראתה צמיחה אדירה, בעיקר בשל המהפכה בשוק התאורה והתאורה הכללית. העניין המוגבר הזה בנוריות LED התרחב גם למגוון שווקים אחרים כולל צבא, רפואי וראייה מכונות. למרות שנוריות LED אינן חדשות בשווקים הללו, הדרישה שלהן למקורות קטנים יותר ברזולוציה גבוהה יותר ומקורות אחידים ממשיכה לגדול. בעיקרון ישנן שלוש קטגוריות בסיסיות של רכיבים בסביבת LED. אלה הם Through-Hole, Surface Mount ו-COB (Chip-On-Board). נסקור אותם כדי לעזור להבין את תהליך המזעור לגבי העיצוב והשימוש של נוריות לד עבור יישומים בשווקים אלה. נוריות LED חוצות זמינות מסחרית מאז שנות ה-60. הם מגיעים במגוון סוגי גוף, אך בדרך כלל בגודלם נע בין 3 מ"מ לקוטר 10 מ"מ (ראה איור 1).
איור 1)
מכשירים אלה שלטו במגזרי האלקטרוניקה האופטו והטכנולוגיה במשך יותר מ-20 שנה. הם עדיין נמצאים בשימוש נרחב כיום במגוון יישומים, החל מצגים דיגיטליים גדולים ו-VMS (סימני הודעות משתנים) ועד מחוונים סטנדרטיים לאלקטרוניקה צרכנית או תעשייתית. למרות שסוגי הלד הללו גדולים יותר בגודלם בהשוואה לפיתוחים הטכנולוגיים העדכניים ביותר, ישנם עדיין יתרונות לשימוש במכשירים דרך חורים כגון אופטיקה משולבת, קלות ייצור ועלות נמוכה. בנוסף, יישומים רבים מסוג תצוגה או VMS אינם דורשים גרפיקה ברזולוציה גבוהה או ערבוב צבעים נרחב לצפייה בצבע מלא. רק בשנות ה-80 וה-90, כאשר תעשיית הטלפונים הסלולריים והמחשבים החלו את ההסלמה המהירה אל בתי כל צרכן, החלה הדחיפה למזעור. רכיבי הרכבה על פני השטח, למרות שפותחו בפועל בשנות ה-60, החליפו במהירות התקני דרך החל משנות ה-80 המאוחרות. טכנולוגיה זו לא רק אפשרה צפיפות מעגלים גבוהה בהרבה, ובכך הקטינה משמעותית את הגודל, אלא היא גם אפשרה הרכבה אוטומטית. הלחמה ידנית נעשתה פחות ופחות נחוצה. התקני הרכבה על פני השטח אפשרו הרכבה של רכיבים משני צידי ה-PCB או המעגל המודפס, בניגוד לצד אחד בלבד. (ראה איורים 2A - 2B)
איור (2A) - צד קדמי מאוכלס עם חור דרך, צד אחורי - הלחמה בלבד, ללא רכיבים איור (2B) - רכיבי הרכבה על פני השטח בחלק הקדמי והאחורי של ה-PCB. , אמינות מוגברת וזמן אחזור מהיר יותר של מכלולים. בנוסף, אז ניתן היה ליצור צגים ברזולוציה גבוהה כמו גם שלטי הודעות משתנים בצבע מלא תוך שימוש בנורות LED אדומות, ירוקות וכחולות. נוריות LED כחולות הפכו גם לבעלות קיימא מסחרית בשנות ה-90, בקנה אחד עם השימוש הרחב ברכיבי הרכבה על פני השטח. התקני הרכבה על פני השטח הפכו היום לקטגוריית המוצרים הנבחרים עבור רוב יישומי העיצוב האלקטרוני ומגיעים במגוון סוגי אריזה וגדלים. חלק מהנפוצים ביותר בעולם ה-LED נעים בגודלם בין 0402 שמשתווה ל-.04 אינץ' x .02 אינץ', ל-1210 או .12 אינץ' x .10 אינץ' עם גדלים גדולים יותר עבור מכשירים בעלי עוצמה גבוהה. (ראה איור 3)
איור 3)
בסוף שנות ה-2000, התרחשה דחיפה ליעילות רבה עוד יותר וצפיפות מוגברת עבור נוריות LED, שוב, מונעת בעיקר על ידי שוק התאורה והתאורה הכללית. זה הביא להקדמה ולשימוש נרחב בטכנולוגיית COB (Chip-On-Board). COB היא טכנולוגיית מוליכים למחצה שבה ה"שבב" המכונה גם "המת" מותקן ישירות על המעגל המודפס באמצעות הליך שנקרא die attach or die bonding. התבנית הבודדת מונחות על ה-PCB על ידי שימוש במשחה מוליכה או בשיטת הלחמה (Eutectic) ולאחר מכן מחוברת חוט. (ראה איור 4) טכנולוגיה זו למעשה מבטלת את הצורך באריזה נוספת כגון מסגרות עופרת וביתונים המאפשרים איכויות פיזור תרמיות גדולות יותר, גודל מופחת וצפיפות LED מוגברת (במידת הצורך).
איור (4)
140 יחידות של שבב LED ארוז בשטח של פחות מ-1 אינץ' מרובע יש עדיין אתגרים בשימוש בטכנולוגיית COB במיוחד מנקודת מבט ייצור. חלקם כוללים; (א) הוצאות הון - הציוד הנדרש הוא לעתים קרובות מאוד מיוחד ויקר. תהליך זה דורש גם ציוד מאוד מיוחד ובנוסף, יש להתייחס לתשואות כדי לשמור על מכשיר חסכוני. (ג) עבודה מחדש של מכלולי COB יכולה להיות קשה אם כבר מובלעת. במקרים מסוימים, יש להשליך את המוצר כולו. אם ניתן לעבד את המוצר מחדש, בדרך כלל, ניתן לבצע אותו רק במפעל. לעומת זאת, אם המכשיר אינו מכוסה, העבודה המחודשת קלה יחסית לביצוע בהשוואה לטכנולוגיית חור דרך ו-SMT ופחות יקרה. (ד) האיכות, האחידות וסוג ה-PCB הם קריטיים כדי להבטיח חיבור תקין של קוביות וחיבור חוט. לעתים קרובות נדרש זהב טהור הניתן לחיבור חוט. טכנולוגיית COB נמצאת כעת בשימוש על ידי כמעט כל יצרן LED גדול, בעיקר בשוק התאורה והתאורה הכללית. הביקוש הגובר לפתרונות יעילים באנרגיה לטכנולוגיות ליבון, הלוגן וטכנולוגיות מיושנות דומות מאפשר צמיחה מהירה בזירת ה-COB LED. מכיוון שטכנולוגיה זו ממשיכה להשתפר והעלויות יורדות, שוק הרכבת ה-COB LED צפוי לחרוג משוק ה-LED הסטנדרטי הכולל בשנים הקרובות. למרות שרוב היצרנים מתמקדים בפתרונות יעילים באנרגיה לתאורה כללית, ישנם כמה יצרני LED נבחרים שמשתמשים ביתרונות הרבים של טכנולוגיית COB ביישומים נישה יותר, מיוחדים במיוחד כמו צבא, רפואי, ראיית מכונה ואבטחה. שלוחה של טכנולוגיית COB אשר מגבירה עוד יותר את היעילות ומספקת הזדמנות גדולה עוד יותר למזעור הן שיטות ההרכבה Direct Attach ו-Flip Chip. שתי השיטות אינן דורשות חיבור חוט ובכך מאפשרות הרכבת COB בפרופיל נמוך יותר תוך שיפור הביצועים. נכון לעכשיו, מספר מצומצם של יצרני LED מספקים סוג זה של מבנה למות. בנוסף, יש אפילו מספר קטן יותר של מרכיבים המסוגלים להרכיב כראוי סוג זה של קוביות. ספק מרכזי של קוביות DA היא Cree, Inc. דוגמה לאחד מהשבבים מסוג DA שלהם מוצגת באיור 5.
איור (5) תצוגת DA מלמעלה ולמטה
טכניקת ה-Direct Attach משתמשת בתהליך הדבקה אוטקטי של שטף אשר מבטל את הצורך במשחת הלחמה, פריפורמים או דבקים מוליכים. שטף מתאים ו-PCB הוא כל מה שנדרש כדי להשיג קשר באיכות גבוהה במהלך תהליך הזרימה מחדש. דוגמה למכלול שנעשה בטכנולוגיית COB סטנדרטית לעומת הדבקה DA מוצגת באיורים 6A - 6B.
איור (6א) מכלול COB סטנדרטי (נדרש הדבקת חוטים)
איור (6B) מכלול חיבור ישיר (אין צורך בהדבקת חוט)
טכנולוגיית Flip chip הופכת את ה-LED בכיוון כלפי מטה וממקמת את האלקטרודות במגע ישיר עם ה-PCB. בדומה לתהליך ה-Direct Attach, טכנולוגיה זו מעניקה לשבבי LED יתרונות הכוללים אזור פולט אור גדול יותר, פיזור חום טוב יותר, יחד עם ביטול שלב החיבור החוט והצללה של קשר חוט. שיטת ההדבקה של קוביית שבב הפוך משתמשת במה שנקרא "גבשושיות" של הלחמה. תהליך ההצמדה מורכב מהחלת סוג השטף המתאים (כמו בשיטת DA) על אזורי בליטות הלחמה אלו ולאחר מכן ביצוע תהליך זרימה חוזרת. בשל חוסר ההתאמה של CTE (מקדם התרחבות תרמית) בין שבב היפוך ל-PCB, בדרך כלל לא מומלץ להשתמש בחומר FR-4 אלא ב-PCB של מצע MC (Metal Core) קרמי או אופטימלי. ספק מרכזי של קוביות מסוג שבב הפוך הוא Philips LumiLED. (ראה איור 7)
איור (7) Flip Chip מבט מלמעלה, מבט מלמטה ומבט צד עם בליטות הלחמה
שתי הטכנולוגיות הללו הן חדשות יחסית לנוריות ה-LED, אך הן מתחילות לעשות פריצות גדולות לתוך שוק ההארה הכללי והנישתי שהוזכרו קודם לכן. בנוסף לחלק מהיתרונות שתוארו קודם לכן, ההפחתה בהתנגדות התרמית העוברת מהתקן חודר ל-COB (ראה איור 8) תגרום לשיפורים משמעותיים לאורך החיים והביצועים של המוצר.
איור (8) השוואת התנגדות תרמית (צומת לרפידה)
כמו בכל טכנולוגיה חדשה, חשוב לוודא שאתה עובד עם ארגון המנוסה באלקטרוניקה אופטו, מודע ליתרונות ולחסרונות של דרך חור, SMT או COB ומסוגל לספק את האפשרות הטובה ביותר עבור היישום שלך. וינסנט הוא קצין טכנולוגיה ראשי של Marktech Optoelectronics בלטהאם, ניו יורק. הוא עוסק בתחום האופטואלקטרוניקה כבר כמעט 30 שנה וחיבר או שותף למספר מאמרים הקשורים לטכנולוגיית LED. שיפורים משמעותיים רבים לנורות ה-LED והיישומים שלהם נבעו ישירות מהקלט והניסיון המעשי של וינסנט.
