Xu hướng thu nhỏ hóa trong thế giới điện tử đang diễn ra và được thúc đẩy bởi nhiều yếu tố bao gồm mong muốn của người tiêu dùng về tính di động cũng như cải thiện hiệu quả và giảm chi phí. Trong vài năm qua, công nghệ LED (Light Emitting Diode) đặc biệt, đã có sự phát triển vượt bậc, chủ yếu là do cuộc cách mạng trong thị trường chiếu sáng và chiếu sáng nói chung. Sự quan tâm ngày càng tăng đối với đèn LED cũng đã mở rộng sang nhiều thị trường khác bao gồm quân sự, y tế và thị giác máy. Mặc dù đèn LED không phải là mới đối với những thị trường này, nhưng nhu cầu của họ đối với các nguồn nhỏ hơn, độ phân giải cao hơn và đồng nhất vẫn tiếp tục tăng. Về cơ bản có ba loại thành phần cơ bản trong môi trường LED. Đó là Xuyên lỗ, Gắn kết bề mặt và COB (Chip-On-Board). Chúng tôi sẽ xem xét những điều này để giúp hiểu quá trình thu nhỏ liên quan đến thiết kế và sử dụng đèn LED cho các ứng dụng ở những thị trường này. Đèn LED xuyên lỗ đã được bán trên thị trường từ những năm 1960. Chúng có nhiều loại thân khác nhau nhưng thường có kích thước đường kính từ 3mm - 10mm (Xem hình 1).
HÌNH 1)
Những thiết bị này đã thống trị lĩnh vực quang điện tử và công nghệ trong hơn 20 năm. Chúng vẫn được sử dụng rộng rãi ngày nay trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ màn hình kỹ thuật số lớn và VMS (Dấu hiệu thông báo thay đổi) đến các chỉ báo tiêu chuẩn cho điện tử tiêu dùng hoặc công nghiệp. Mặc dù các loại LED này có kích thước lớn hơn so với sự phát triển công nghệ mới nhất, nhưng vẫn có những lợi thế khi sử dụng thiết bị xuyên lỗ như quang học tích hợp, dễ sản xuất và giá thành rẻ. Ngoài ra, nhiều ứng dụng hiển thị hoặc loại VMS không yêu cầu đồ họa có độ phân giải cao hoặc sự pha trộn màu rộng rãi để xem đầy đủ màu sắc. Cho đến những năm 1980 và 90 khi ngành công nghiệp điện thoại di động và máy tính bắt đầu leo thang nhanh chóng vào ngôi nhà của mọi người tiêu dùng, thì xu hướng thu nhỏ mới bắt đầu. Các thành phần gắn kết bề mặt, mặc dù thực sự được phát triển vào những năm 1960, nhưng đã nhanh chóng thay thế các thiết bị xuyên lỗ bắt đầu từ cuối những năm 1980. Công nghệ này không chỉ cho phép mật độ mạch cao hơn nhiều, do đó giảm đáng kể kích thước, mà còn giúp cho việc lắp ráp tự động có thể thực hiện được. Việc hàn tay ngày càng trở nên ít cần thiết hơn. Thiết bị gắn trên bề mặt cho phép gắn các thành phần trên cả hai mặt của PCB hoặc Bảng mạch in thay vì chỉ một mặt. (Xem Hình 2A - 2B）
Hình (2A) - Thông qua lỗ Mặt trước được phổ biến, Mặt sau - chỉ hàn, không có linh kiện Hình (2B) - Các thành phần gắn trên bề mặt ở mặt trước và mặt sau của PCB Điều này lại có những ưu điểm khác bao gồm giảm chi phí sản xuất, cải thiện tính chất nhiệt , tăng độ tin cậy và thời gian quay vòng của các cụm lắp ráp nhanh hơn. Ngoài ra, sau đó có thể tạo ra các màn hình có độ phân giải cao cũng như các dấu hiệu thông báo đủ màu bằng cách sử dụng đèn LED màu đỏ, xanh lá cây và xanh lam. Đèn LED xanh lam cũng trở nên khả thi về mặt thương mại vào những năm 1990 trùng hợp rất tốt với việc sử dụng rộng rãi các thành phần gắn kết bề mặt. Thiết bị gắn kết bề mặt ngày nay đã trở thành loại sản phẩm được lựa chọn cho hầu hết các ứng dụng thiết kế điện tử và có nhiều loại và kích cỡ gói khác nhau. Một số loại phổ biến nhất trong thế giới LED có kích thước từ 0402 tương đương với .04 "x .02", đến 1210 hoặc .12 "x .10" với kích thước lớn hơn cho các thiết bị công suất lớn. (Xem hình 3)
HÌNH (3)
Vào cuối những năm 2000, một lần nữa, sự thúc đẩy để đạt được hiệu quả cao hơn và tăng mật độ cho đèn LED, chủ yếu được thúc đẩy bởi thị trường chiếu sáng nói chung và chiếu sáng. Điều này dẫn đến việc giới thiệu và sử dụng rộng rãi công nghệ COB (Chip-On-Board). COB là một công nghệ bán dẫn trong đó “chip” còn được gọi là “khuôn” được gắn trực tiếp trên bảng mạch in bằng cách sử dụng một quy trình được gọi là gắn khuôn hoặc liên kết khuôn. Các khuôn riêng lẻ được đặt trên PCB bằng cách sử dụng phương pháp dán hoặc hàn dẫn điện (Eutectic) và sau đó được kết dính bằng dây. (Xem hình 4) Công nghệ này hầu như loại bỏ nhu cầu đóng gói bổ sung như khung và vỏ bọc chì, cho phép chất lượng tản nhiệt cao hơn, giảm kích thước và tăng mật độ LED (nếu cần).
HINH 4)
140 chiếc của một chip LED được đóng gói trong một diện tích nhỏ hơn 1 inch vuông Vẫn còn những thách thức với việc sử dụng công nghệ COB, đặc biệt là từ quan điểm sản xuất. Một số trong số này bao gồm; (A) Chi phí vốn - Thiết bị được yêu cầu thường rất chuyên dụng và đắt tiền (B) Tính đồng bộ và nhất quán là yếu tố quan trọng trong nhiều ứng dụng COB, do đó, Die / Chip trần phải được lựa chọn và thử nghiệm cẩn thận trước khi đưa vào PCB. Quá trình này cũng đòi hỏi thiết bị rất chuyên dụng và ngoài ra, sản lượng thu được phải được xem xét để duy trì một thiết bị hiệu quả về chi phí. (C) Việc làm lại các tập hợp COB có thể khó khăn nếu đã được đóng gói. Trong một số trường hợp, toàn bộ sản phẩm phải được loại bỏ. Nếu sản phẩm có thể được gia công lại, thông thường, nó chỉ có thể được thực hiện tại nhà máy. Ngược lại, nếu thiết bị không được đóng gói, việc chế tạo lại tương đối dễ thực hiện so với công nghệ xuyên lỗ và SMT và ít tốn kém hơn. (D) Chất lượng, tính đồng nhất và loại PCB là rất quan trọng để đảm bảo tính toàn vẹn của liên kết dây và khuôn dập thích hợp. Vàng nguyên chất, có thể kết dính bằng dây thường được yêu cầu. Công nghệ COB hiện đang được sử dụng bởi hầu hết các nhà sản xuất đèn LED lớn, chủ yếu trong thị trường chiếu sáng và chiếu sáng nói chung. Nhu cầu ngày càng tăng về các giải pháp tiết kiệm năng lượng cho các công nghệ sợi đốt, halogen và các công nghệ cổ tương tự đang cho phép phát triển nhanh chóng trong lĩnh vực LED COB. Khi công nghệ này tiếp tục được cải thiện và chi phí giảm, thị trường lắp ráp LED COB dự kiến sẽ vượt thị trường LED tiêu chuẩn tổng thể trong vài năm tới. Mặc dù hầu hết các nhà sản xuất đều tập trung vào các giải pháp tiết kiệm năng lượng để chiếu sáng chung, nhưng vẫn có một số nhà sản xuất đèn LED chọn lọc đang sử dụng nhiều ưu điểm của công nghệ COB trong các ứng dụng chuyên biệt hơn, thích hợp hơn như quân sự, y tế, thị giác máy và an ninh. Một nhánh của công nghệ COB giúp tăng hiệu quả hơn nữa và mang lại cơ hội thu nhỏ lớn hơn nữa là phương pháp lắp ráp Direct Attach và Flip Chip. Cả hai phương pháp không yêu cầu liên kết dây, do đó cho phép lắp ráp COB cấu hình thấp hơn trong khi cải thiện hiệu suất. Hiện tại, một số nhà sản xuất đèn LED đang cung cấp loại cấu trúc khuôn này. Ngoài ra, thậm chí còn có một số ít hơn các nhà lắp ráp có khả năng lắp loại khuôn này đúng cách. Một nhà cung cấp chính của khuôn DA là Cree, Inc. Ví dụ về một trong những loại chip DA của họ được thể hiện trong hình 5.
Hình (5) Hình chiếu trên và dưới DA
Kỹ thuật Đính kèm Trực tiếp sử dụng quy trình liên kết eutectic thông lượng giúp loại bỏ nhu cầu về chất hàn, phôi định hình hoặc chất kết dính dẫn điện. Một thông lượng thích hợp và PCB là tất cả những gì cần thiết để đạt được liên kết chất lượng cao trong quá trình tái dòng. Ví dụ về lắp ráp được thực hiện bằng công nghệ COB tiêu chuẩn so với liên kết DA được thể hiện trong hình 6A - 6B.
Hình (6A) Cụm COB tiêu chuẩn (Yêu cầu liên kết dây)
Hình (6B) Cụm gắn trực tiếp (Không yêu cầu liên kết dây)
Công nghệ chip lật lật trên đèn LED theo hướng úp xuống và đặt các điện cực tiếp xúc trực tiếp với PCB. Giống như quy trình Direct Attach, công nghệ này mang lại cho chip LED những ưu điểm bao gồm vùng phát sáng lớn hơn, tản nhiệt tốt hơn, đồng thời loại bỏ bước nối dây và bóng liên kết dây. Phương pháp liên kết cho khuôn chip lật sử dụng cái được gọi là "va đập" hàn. Quá trình gắn bao gồm việc áp dụng loại từ thông thích hợp (như trong phương pháp DA) vào các khu vực vết hàn này và sau đó thực hiện quá trình làm nóng lại. Do sự không khớp về CTE (Hệ số giãn nở nhiệt) giữa chip lật và PCB, nên thường không nên sử dụng vật liệu FR-4 mà sử dụng vật liệu gốm hoặc tấm nền MC (Metal Core) được tối ưu hóa. Một nhà cung cấp chính của khuôn loại chip lật là Philips LumiLED. (Xem Hình 7)
Hình (7) Mặt trên của Flip Chip, mặt dưới và mặt bên với các va đập hàn
Cả hai công nghệ này đều tương đối mới đối với đèn LED nhưng đang bắt đầu xâm nhập lớn vào thị trường chiếu sáng nói chung và thị trường ngách đã đề cập trước đây. Ngoài một số ưu điểm được mô tả trước đó, việc giảm điện trở nhiệt đi từ thiết bị xuyên lỗ xuống COB (xem hình 8) sẽ dẫn đến những cải tiến đáng kể trong tuổi thọ và hiệu suất của sản phẩm.
Hình (8) So sánh điện trở nhiệt (Mối nối với tấm đệm)
Như với bất kỳ công nghệ mới nào, điều quan trọng là phải đảm bảo rằng bạn đang làm việc với một tổ chức có kinh nghiệm trong lĩnh vực quang điện tử, nhận thức được những ưu điểm và nhược điểm của xuyên lỗ, SMT hoặc COB và có khả năng cung cấp lựa chọn tốt nhất cho ứng dụng của bạn. Vincent là Giám đốc Công nghệ của Marktech Optoelectronics ở Latham, New York. Ông đã làm việc trong lĩnh vực quang điện tử gần 30 năm và là tác giả hoặc đồng tác giả của một số bài báo liên quan đến công nghệ LED. Nhiều cải tiến đáng kể đối với đèn LED và các ứng dụng của chúng là kết quả trực tiếp từ kinh nghiệm đầu vào và thực hành của Vincent.
