แนวโน้มของการย่อขนาดในโลกอิเล็กทรอนิกส์กำลังดำเนินอยู่และเกิดจากปัจจัยหลายประการ รวมถึงความต้องการของผู้บริโภคในการพกพา ตลอดจนประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นและลดต้นทุน ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เทคโนโลยี LED (Light Emitting Diode) โดยเฉพาะมีการเติบโตอย่างมาก สาเหตุหลักมาจากการปฏิวัติในตลาดแสงสว่างและการส่องสว่างทั่วไป ความสนใจที่เพิ่มขึ้นใน LED นี้ได้ขยายไปสู่ตลาดอื่น ๆ ที่หลากหลาย รวมทั้งการทหาร การแพทย์ และแมชชีนวิชัน แม้ว่าไฟ LED จะไม่ใช่ของใหม่สำหรับตลาดเหล่านี้ แต่ความต้องการของพวกเขาสำหรับแหล่งที่มีขนาดเล็กกว่า ความละเอียดที่สูงขึ้น และแหล่งที่มาที่สม่ำเสมอยังคงเติบโต โดยพื้นฐานแล้วมีส่วนประกอบพื้นฐานสามประเภทในสภาพแวดล้อม LED ได้แก่ รูทะลุ ตัวยึดพื้นผิว และซัง (ชิปออนบอร์ด) เราจะตรวจสอบสิ่งเหล่านี้เพื่อช่วยให้เข้าใจกระบวนการย่อขนาดเกี่ยวกับการออกแบบและการใช้ LED สำหรับการใช้งานในตลาดเหล่านี้ LED แบบเจาะรูมีจำหน่ายในท้องตลาดตั้งแต่ช่วงทศวรรษที่ 1960 มีหลากหลายประเภท แต่โดยทั่วไปจะมีขนาดตั้งแต่ 3 มม. - 10 มม. (ดูรูปที่ 1)
รูปที่ 1)
อุปกรณ์เหล่านี้ครองตลาดออปโตอิเล็กทรอนิกส์และเทคโนโลยีมานานกว่า 20 ปี ทุกวันนี้ยังคงใช้กันอย่างแพร่หลายในแอพพลิเคชั่นต่างๆ ตั้งแต่จอแสดงผลดิจิตอลขนาดใหญ่และ VMS (Variable Message Signs) ไปจนถึงตัวบ่งชี้มาตรฐานสำหรับผู้บริโภคหรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อุตสาหกรรม แม้ว่า LED ประเภทนี้จะมีขนาดใหญ่กว่าเมื่อเทียบกับการพัฒนาทางเทคโนโลยีล่าสุด แต่ก็ยังมีข้อดีสำหรับการใช้อุปกรณ์เจาะรู เช่น ออปติกในตัว ความง่ายในการผลิต และต้นทุนต่ำ นอกจากนี้ แอปพลิเคชันประเภทจอแสดงผลหรือ VMS จำนวนมากไม่ต้องการกราฟิกความละเอียดสูงหรือการผสมสีจำนวนมากเพื่อการรับชมสีเต็มรูปแบบ จนกระทั่งช่วงทศวรรษ 1980 และ 1990 ที่อุตสาหกรรมโทรศัพท์มือถือและคอมพิวเตอร์เริ่มขยายตัวอย่างรวดเร็วในบ้านของผู้บริโภคทุกราย การผลักดันให้ย่อขนาดเริ่มต้นขึ้น ส่วนประกอบยึดพื้นผิว แม้จะพัฒนาจริงในทศวรรษ 1960 แต่ได้เปลี่ยนอุปกรณ์เจาะรูอย่างรวดเร็วโดยเริ่มตั้งแต่ช่วงปลายทศวรรษ 1980 เทคโนโลยีนี้ไม่เพียงแต่อนุญาตให้มีความหนาแน่นของวงจรสูงขึ้นมากเท่านั้น จึงลดขนาดลงได้อย่างมาก แต่ยังทำให้การประกอบอัตโนมัติเป็นไปได้ด้วย การบัดกรีด้วยมือมีความจำเป็นน้อยลงเรื่อยๆ Surface Mount Devices อนุญาตให้ติดตั้งส่วนประกอบบนทั้งสองด้านของ PCB หรือแผงวงจรพิมพ์ ซึ่งต่างจากด้านเดียวเท่านั้น (ดูรูปที่ 2A – 2B)
รูปที่ (2A) – ช่องเติมด้านหน้าช่องด้านหน้า, ด้านหลัง – บัดกรีเท่านั้น, ไม่มีส่วนประกอบ รูปที่ (2B) – ส่วนประกอบยึดพื้นผิวที่ด้านหน้าและด้านหลังของ PCB ส่วนนี้มีข้อดีอื่นๆ ซึ่งรวมถึงต้นทุนการผลิตที่ลดลง ปรับปรุงคุณสมบัติทางความร้อน ความน่าเชื่อถือที่เพิ่มขึ้นและเวลาในการประกอบที่รวดเร็วขึ้น นอกจากนี้ ยังสามารถสร้างจอแสดงผลที่มีความละเอียดสูงและป้ายข้อความแบบเปลี่ยนสีได้โดยใช้ไฟ LED สีแดง สีเขียว และสีน้ำเงิน ไฟ LED สีฟ้ายังสามารถใช้งานได้ในเชิงพาณิชย์ในช่วงทศวรรษ 1990 ซึ่งสอดคล้องกันเป็นอย่างดีกับการใช้ส่วนประกอบยึดพื้นผิวในวงกว้าง ปัจจุบัน อุปกรณ์ยึดพื้นผิวได้กลายเป็นหมวดผลิตภัณฑ์ที่ได้รับเลือกสำหรับการใช้งานด้านการออกแบบอิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่ และมีบรรจุภัณฑ์หลายประเภทและหลายขนาด หลอดไฟ LED ที่พบมากที่สุดในโลกมีขนาดตั้งแต่ 0402 ซึ่งเท่ากับ .04″ x .02″ ถึง 1210 หรือ .12″ x .10″ โดยมีขนาดที่ใหญ่กว่าสำหรับอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานสูง (ดูรูปที่ 3)
รูป (3)
ในช่วงปลายทศวรรษ 2000 การผลักดันให้เกิดประสิทธิภาพและความหนาแน่นที่เพิ่มขึ้นสำหรับ LED ได้เกิดขึ้นอีกครั้ง โดยได้รับแรงหนุนหลักจากตลาดแสงสว่างและการส่องสว่างทั่วไป ส่งผลให้มีการแนะนำและใช้เทคโนโลยี COB (Chip-On-Board) อย่างกว้างขวาง COB เป็นเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ที่ "ชิป" หรือที่เรียกว่า "ดาย" ติดตั้งโดยตรงบนแผงวงจรพิมพ์โดยใช้ขั้นตอนที่เรียกว่าการยึดติดหรือการยึดเกาะของแม่พิมพ์ แม่พิมพ์แต่ละชิ้นจะถูกวางบน PCB โดยใช้วิธีการวางแบบนำไฟฟ้าหรือวิธีการบัดกรี (ยูเทคติก) แล้วจึงต่อด้วยลวด (ดูรูปที่ 4) เทคโนโลยีนี้แทบไม่จำเป็นต้องมีบรรจุภัณฑ์เพิ่มเติม เช่น โครงตะกั่วและตัวเรือน ซึ่งช่วยให้มีคุณสมบัติในการระบายความร้อนได้ดียิ่งขึ้น ขนาดลดลง และเพิ่มความหนาแน่นของ LED (หากจำเป็น)
รูป (4)
ชิป LED จำนวน 140 ชิ้นบรรจุอยู่ในพื้นที่น้อยกว่า 1 ตารางนิ้ว ยังมีความท้าทายในการใช้เทคโนโลยี COB โดยเฉพาะจากจุดยืนด้านการผลิต สิ่งเหล่านี้รวมถึง; (A) ค่าใช้จ่ายด้านทุน – อุปกรณ์ที่ต้องใช้มักจะมีความเชี่ยวชาญสูงและมีราคาแพง (B) ความสม่ำเสมอและความสม่ำเสมอเป็นสิ่งสำคัญในการใช้งาน COB จำนวนมาก ดังนั้นต้องเลือกและทดสอบ Die / Chip เปล่าอย่างระมัดระวังก่อนวางบน PCB กระบวนการนี้ยังต้องใช้อุปกรณ์ที่เชี่ยวชาญเป็นพิเศษ และนอกจากนี้ จะต้องพิจารณาผลตอบแทนเพื่อบำรุงรักษาอุปกรณ์ที่คุ้มค่า (C) การประกอบซ้ำของ COB อาจเป็นเรื่องยากหากห่อหุ้มไว้แล้ว ในบางกรณี ต้องทิ้งผลิตภัณฑ์ทั้งหมด หากผลิตภัณฑ์สามารถนำกลับมาทำใหม่ได้ โดยปกติแล้ว สามารถทำได้ที่โรงงานเท่านั้น ในทางกลับกัน หากอุปกรณ์ไม่ได้รับการห่อหุ้ม การทำงานซ้ำนั้นค่อนข้างง่ายเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีการเจาะทะลุและเทคโนโลยี SMT และมีค่าใช้จ่ายน้อยกว่า (D) คุณภาพ ความสม่ำเสมอ และประเภทของ PCB มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการประกันการยึดแม่พิมพ์และความสมบูรณ์ของลวดเชื่อม มักต้องใช้ทองคำบริสุทธิ์ที่สามารถผูกมัดได้ ผู้ผลิต LED รายใหญ่เกือบทุกรายกำลังใช้เทคโนโลยี COB โดยส่วนใหญ่ในตลาดแสงสว่างและแสงสว่างทั่วไป ความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับโซลูชันที่ประหยัดพลังงานสำหรับเทคโนโลยีหลอดไส้ ฮาโลเจน และเทคโนโลยีที่ล้าสมัยที่คล้ายคลึงกันช่วยให้มีการเติบโตอย่างรวดเร็วในเวที COB LED เนื่องจากเทคโนโลยีนี้พัฒนาอย่างต่อเนื่องและลดต้นทุน ตลาดการประกอบ LED ของ COB คาดว่าจะเกินตลาด LED มาตรฐานโดยรวมในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า แม้ว่าผู้ผลิตส่วนใหญ่จะมุ่งเน้นไปที่โซลูชันประหยัดพลังงานสำหรับการส่องสว่างทั่วไป แต่ก็มีผู้ผลิต LED ที่ได้รับการคัดเลือกเพียงไม่กี่รายที่ใช้ประโยชน์จากข้อดีหลายประการของเทคโนโลยี COB ในการใช้งานเฉพาะกลุ่มที่มีความเชี่ยวชาญสูง เช่น ทางการทหาร การแพทย์ การมองเห็นด้วยเครื่องจักร และการรักษาความปลอดภัย หน่อของเทคโนโลยี COB ซึ่งเพิ่มประสิทธิภาพและให้โอกาสที่ดียิ่งขึ้นในการย่อขนาดคือวิธีการประกอบ Direct Attach และ Flip Chip ทั้งสองวิธีไม่ต้องการการยึดติดด้วยลวด จึงสามารถประกอบ COB โปรไฟล์ที่ต่ำกว่าในขณะที่ปรับปรุงประสิทธิภาพ ปัจจุบัน ผู้ผลิต LED ในจำนวนที่จำกัดกำลังจัดหาโครงสร้างแม่พิมพ์ประเภทนี้ นอกจากนี้ยังมีแอสเซมเบลอร์จำนวนน้อยที่สามารถติดตั้งแม่พิมพ์ประเภทนี้ได้อย่างเหมาะสม ซัพพลายเออร์รายใหญ่ของ DA die คือ Cree, Inc. ตัวอย่างของชิปประเภท DA ของพวกเขาแสดงอยู่ใน รูปที่ 5
รูปที่ (5) DA มุมมองด้านบนและด้านล่าง
เทคนิค Direct Attach ใช้กระบวนการพันธะแบบฟลักซ์ยูเทคติก ซึ่งช่วยลดความจำเป็นในการบัดกรี พรีฟอร์ม หรือกาวนำไฟฟ้า ฟลักซ์และ PCB ที่เหมาะสมเป็นสิ่งที่จำเป็นเพื่อให้ได้พันธะคุณภาพสูงในระหว่างกระบวนการไหลซ้ำ ตัวอย่างของการประกอบที่ใช้เทคโนโลยี COB มาตรฐานกับการยึดติด DA แสดงไว้ในรูปที่ 6A – 6B
รูป (6A) การประกอบ COB มาตรฐาน (จำเป็นต้องมีการต่อลวด)
รูป (6B) การประกอบโดยตรง (ไม่จำเป็นต้องต่อสาย)
เทคโนโลยีฟลิปชิปพลิกไฟ LED โดยคว่ำหน้าและวางอิเล็กโทรดให้สัมผัสโดยตรงกับ PCB เช่นเดียวกับกระบวนการ Direct Attach เทคโนโลยีนี้ให้ข้อดีของชิป LED ซึ่งรวมถึงพื้นที่เปล่งแสงที่ใหญ่ขึ้น การกระจายความร้อนที่ดีขึ้น พร้อมกับขจัดขั้นตอนการต่อสายและการแรเงาของลวดเชื่อม วิธีการติดสำหรับแม่พิมพ์ฟลิปชิปใช้สิ่งที่เรียกว่า "การกระแทก" ของบัดกรี กระบวนการแนบประกอบด้วยการใช้ฟลักซ์ประเภทที่เหมาะสม (เช่นเดียวกับในวิธี DA) กับพื้นที่กระแทกของบัดกรี จากนั้นจึงดำเนินการตามกระบวนการรีโฟลว์ เนื่องจาก CTE (สัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน) ไม่ตรงกันระหว่างฟลิปชิปและ PCB โดยทั่วไปไม่แนะนำให้ใช้วัสดุ FR-4 แต่เป็น PCB เซรามิกหรือ MC (แกนโลหะ) ที่ปรับให้เหมาะสม ซัพพลายเออร์รายใหญ่ของแม่พิมพ์แบบพลิกชิปคือ Philips LumiLED (ดูรูปที่ 7)
รูปที่ (7) Flip Chip มุมมองด้านบน มุมมองด้านล่าง และมุมมองด้านข้างพร้อมการกระแทกแบบบัดกรี
เทคโนโลยีทั้งสองนี้ค่อนข้างใหม่สำหรับ LED แต่กำลังเริ่มรุกเข้าสู่ตลาดแสงสว่างทั่วไปและเฉพาะกลุ่มที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้ นอกจากข้อดีบางประการที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้แล้ว การลดความต้านทานความร้อนที่เปลี่ยนจากอุปกรณ์เจาะรูเป็น COB (ดูรูปที่ 8) จะส่งผลให้อายุการใช้งานและประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ดีขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ
รูปที่ (8) การเปรียบเทียบความต้านทานความร้อน (ทางแยกกับแผ่นรอง)
เช่นเดียวกับเทคโนโลยีใหม่อื่นๆ สิ่งสำคัญคือต้องประกันว่าคุณกำลังทำงานร่วมกับองค์กรที่มีประสบการณ์ด้านออปโตอิเล็กทรอนิกส์ ตระหนักถึงข้อดีและข้อเสียของรูทะลุ, SMT หรือ COB และสามารถให้ตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับการใช้งานของคุณ Vincent เป็นประธานเจ้าหน้าที่ฝ่ายเทคโนโลยีของ Marktech Optoelectronics ในเมือง Latham รัฐนิวยอร์ก เขาทำงานด้านออปโตอิเล็กทรอนิกส์มาเกือบ 30 ปีแล้ว และได้เขียนหรือร่วมเขียนบทความหลายเรื่องเกี่ยวกับเทคโนโลยี LED การปรับปรุงที่สำคัญหลายประการสำหรับ LED และแอพพลิเคชั่นนั้นเป็นผลโดยตรงจากการป้อนข้อมูลและประสบการณ์จริงของ Vincent
