La tendencia hacia la miniaturización en el mundo de la electrónica está en curso y está impulsada por una variedad de factores, incluido el deseo del consumidor de portabilidad, así como una mayor eficiencia y reducciones en los costos. En los últimos años, la tecnología LED (diodo emisor de luz) específicamente, ha experimentado un tremendo crecimiento, principalmente debido a la revolución en los mercados de iluminación e iluminación general. Este mayor interés en los LED también se ha extendido a una variedad de otros mercados, incluidos los militares, médicos y de visión artificial. Aunque los LED no son nuevos en estos mercados, su demanda de fuentes más pequeñas, de mayor resolución y uniformes continúa creciendo. Esencialmente, hay tres categorías básicas de componentes en el entorno LED. Estos son Through-Hole, Surface Mount y COB (Chip-On-Board). Los revisaremos para ayudar a comprender el proceso de miniaturización con respecto al diseño y uso de LED para aplicaciones en estos mercados. Los LED de orificio pasante han estado disponibles comercialmente desde la década de 1960. Vienen en una variedad de tipos de cuerpo, pero generalmente varían en tamaño de 3 mm a 10 mm de diámetro (ver figura 1).
FIGURA (1)
Estos dispositivos dominaron los sectores de optoelectrónica y tecnología durante más de 20 años. Todavía se utilizan ampliamente hoy en día en una variedad de aplicaciones que van desde grandes pantallas digitales y VMS (signos de mensaje variable) hasta indicadores estándar para electrónica de consumo o industrial. Aunque estos tipos de LED son más grandes en tamaño en comparación con los últimos desarrollos tecnológicos, todavía hay ventajas en el uso de dispositivos de orificio pasante como la óptica integrada, la facilidad de fabricación y el bajo costo. Además, muchas aplicaciones de tipo display o VMS no requieren gráficos de alta resolución o una amplia mezcla de colores para una visualización a todo color. No fue hasta las décadas de 1980 y 90, cuando las industrias de teléfonos celulares e informática comenzaron su rápida escalada en los hogares de todos los consumidores, que comenzó el impulso para la miniaturización. Los componentes de montaje en superficie, aunque en realidad se desarrollaron en la década de 1960, reemplazaron rápidamente a los dispositivos de orificio pasante a partir de finales de la década de 1980. Esta tecnología no solo permitió densidades de circuito mucho más altas, lo que redujo significativamente el tamaño, sino que también hizo posible el ensamblaje automatizado. La soldadura manual se hizo cada vez menos necesaria. Los dispositivos de montaje en superficie permitían el montaje de componentes en ambos lados de la PCB o la placa de circuito impreso en lugar de solo un lado. (Ver Figuras 2A – 2B)
Figura (2A) – Lado frontal de orificio pasante poblado, Lado posterior - solo soldadura, sin componentes Figura (2B) - Componentes de montaje en superficie en la parte delantera y posterior de la PCB Esto a su vez tenía otras ventajas que incluían costos de fabricación reducidos, propiedades térmicas mejoradas, mayor confiabilidad y tiempo de respuesta más rápido de los ensamblajes. Además, fue posible crear pantallas de alta resolución, así como señales de mensaje variable a todo color utilizando LED rojos, verdes y azules. Los LED azules también se hicieron comercialmente viables en la década de 1990, coincidiendo muy bien con el amplio uso de componentes de montaje en superficie. Los dispositivos de montaje en superficie se han convertido hoy en día en la categoría de producto de elección para la mayoría de las aplicaciones de diseño electrónico y vienen en una variedad de tipos y tamaños de paquetes. Algunos de los más comunes en el mundo LED varían en tamaño desde 0402 que equivale a .04 "x .02", hasta 1210 o .12 "x .10" con tamaños más grandes para dispositivos de alta potencia. (Ver figura 3)
FIGURA (3)
A finales de la década de 2000, se estaba produciendo un impulso para una eficiencia aún mayor y una mayor densidad para los LED, una vez más, impulsado principalmente por el mercado de la iluminación y la iluminación general. Esto resultó en la introducción y el uso generalizados de la tecnología COB (Chip-On-Board). COB es una tecnología de semiconductores donde el "chip" también conocido como el "troquel" se monta directamente en la placa de circuito impreso utilizando un procedimiento llamado unión de troquel o unión de troquel. El troquel individual se coloca en la PCB utilizando una pasta conductora o un método de soldadura (Eutéctico) y luego se unen con alambre. (Ver figura 4) Esta tecnología prácticamente elimina la necesidad de embalaje adicional, como marcos y carcasas de plomo, lo que permite mayores cualidades disipativas térmicas, un tamaño reducido y una mayor densidad de LED (si es necesario).
FIGURA (4)
140pcs de un chip LED empaquetado en un área de menos de 1 pulgada cuadrada Todavía hay desafíos con el uso de la tecnología COB, especialmente desde el punto de vista de la fabricación. Algunos de estos incluyen; (A) Gastos de capital: el equipo requerido es a menudo muy especializado y costoso (B) La uniformidad y la consistencia son críticas en muchas aplicaciones COB, por lo tanto, el troquel / chip desnudo debe seleccionarse y probarse cuidadosamente antes de su colocación en la PCB. Este proceso también requiere equipos muy especializados y, además, se deben considerar los rendimientos para mantener un dispositivo rentable. (C) El re-trabajo de los ensamblajes COB puede ser difícil si ya están encapsulados. En algunos casos, todo el producto debe ser desechado. Si el producto puede volver a trabajarse, por lo general, solo se puede realizar en la fábrica. Por el contrario, si el dispositivo no está encapsulado, el retrabajo es relativamente fácil de realizar en comparación con la tecnología de orificio pasante y SMT y menos costoso. (D) La calidad, la uniformidad y el tipo de PCB son fundamentales para asegurar la fijación adecuada de la matriz y la integridad de la unión del alambre. A menudo se requiere oro puro y unible con alambre. La tecnología COB ahora está siendo utilizada por casi todos los principales fabricantes de LED, principalmente en el mercado de iluminación e iluminación general. La creciente demanda de soluciones de eficiencia energética para tecnologías incandescentes, halógenas y anticuadas similares está permitiendo un rápido crecimiento en el ámbito de los LED COB. A medida que esta tecnología continúa mejorando y los costos disminuyen, se espera que el mercado de ensamblaje de LED COB supere el mercado general de LED estándar en los próximos años. Aunque la mayoría de los fabricantes se centran en soluciones de eficiencia energética para la iluminación general, hay algunos fabricantes de LED seleccionados que están utilizando las muchas ventajas de la tecnología COB en aplicaciones más especializadas y de nicho, como militares, médicas, de visión artificial y seguridad. Una rama de la tecnología COB que aumenta aún más la eficiencia y proporciona una oportunidad aún mayor para la miniaturización son los métodos de ensamblaje Direct Attach y Flip Chip. Ambos métodos no requieren unión de alambre, lo que permite un ensamblaje COB de perfil más bajo al tiempo que mejora el rendimiento. Actualmente, un número limitado de fabricantes de LED están proporcionando este tipo de estructura de matriz. Además, hay incluso un número menor de ensambladores que son capaces de montar correctamente este tipo de troquel. Un importante proveedor de troqueles DA es Cree, Inc. Un ejemplo de uno de sus chips de tipo DA se muestra en la figura 5.
Figura (5) Vista superior e inferior de DA
La técnica Direct Attach utiliza un proceso de unión eutéctica de flujo que elimina la necesidad de pasta de soldadura, preformas o adhesivos conductores. Un flujo y PCB apropiados es todo lo que se requiere para lograr una unión de alta calidad durante el proceso de reflujo. Un ejemplo de un ensamblaje hecho con tecnología COB estándar versus unión DA se muestra en las figuras 6A – 6B.
Figura (6A) Conjunto COB estándar (se requiere unión de alambre)
Figura (6B) Conjunto de conexión directa (no se requiere unión de alambre)
La tecnología Flip chip gira sobre el LED en una orientación boca abajo y coloca los electrodos en contacto directo con la PCB. Al igual que el proceso de conexión directa, esta tecnología brinda a los chips LED ventajas que incluyen un área emisora de luz más grande, una mejor disipación de calor, junto con la eliminación del paso de unión de alambre y el sombreado de enlace de cable. El método de unión para el troquel flip chip utiliza lo que se llaman "golpes" de soldadura. El proceso de fijación consiste en aplicar el tipo apropiado de flujo (como en el método DA) a estas áreas de protuberancias de soldadura y luego realizar un proceso de reflujo. Debido al desajuste CTE (Coeficiente de Expansión Térmica) entre el chip giratorio y la PCB, generalmente no se recomienda usar material FR-4, sino una PCB de sustrato MC (Núcleo metálico) de cerámica u optimizada. Un importante proveedor de troqueles tipo flip chip es Philips LumiLED. (Ver Figura 7)
Figura (7) Vista superior de Flip Chip, vista inferior y vista lateral con protuberancias de soldadura
Ambas tecnologías son relativamente nuevas para los LED, pero están comenzando a hacer grandes incursiones en la iluminación general y los mercados de nicho mencionados anteriormente. Además de algunas de las ventajas descritas anteriormente, la reducción de la resistencia térmica que pasa de un dispositivo de orificio pasante a COB (ver figura 8) dará como resultado mejoras significativas en la vida útil y el rendimiento del producto.
Figura (8) Comparación de resistencia térmica (unión a almohadilla)
Al igual que con cualquier nueva tecnología, es fundamental asegurarse de que está trabajando con una organización que tiene experiencia en optoelectrónica, es consciente de las ventajas y desventajas de via-hole, SMT o COB y es capaz de proporcionar la mejor opción para su aplicación. Vincent es Director de Tecnología de Marktech Optoelectronics en Latham, Nueva York. Ha estado en el campo de la optoelectrónica durante casi 30 años y es autor o coautor de varios artículos relacionados con la tecnología LED. Muchas mejoras significativas en los LED y sus aplicaciones han resultado directamente de la entrada y la experiencia práctica de Vincent.
