La tendance à la miniaturisation dans le monde de l'électronique est en cours et est alimentée par une variété de facteurs, y compris le désir du consommateur de portabilité ainsi que l'amélioration de l'efficacité et la réduction des coûts. Au cours des dernières années, la technologie LED (Light Emitting Diode) en particulier, a connu une croissance considérable, principalement en raison de la révolution des marchés de l'éclairage et de l'éclairage général. Cet intérêt accru pour les LED s'est également étendu à une variété d'autres marchés, notamment la vision militaire, médicale et industrielle. Bien que les LED ne soient pas nouvelles sur ces marchés, leur demande pour des sources plus petites, à plus haute résolution et uniformes continue de croître. Il existe essentiellement trois catégories de base de composants dans l'environnement LED. Ce sont les trous traversants, les montages en surface et les COB (Chip-On-Board). Nous les passerons en revue pour aider à comprendre le processus de miniaturisation concernant la conception et l'utilisation des LED pour les applications sur ces marchés. Les LED à trou traversant sont disponibles dans le commerce depuis les années 1960. Ils viennent dans une variété de types de corps, mais leur taille varie généralement de 3 mm à 10 mm de diamètre (voir la figure 1).
FIGURE 1)
Ces appareils ont dominé les secteurs de l'optoélectronique et de la technologie pendant plus de 20 ans. Ils sont encore largement utilisés aujourd'hui dans une variété d'applications allant des grands affichages numériques et VMS (Variable Message Signs) aux indicateurs standard pour l'électronique grand public ou industrielle. Bien que ces types de LED soient de plus grande taille par rapport aux derniers développements technologiques, l'utilisation de dispositifs traversants tels que l'optique intégrée, la facilité de fabrication et le faible coût présentent toujours des avantages. De plus, de nombreuses applications d'affichage ou de type VMS ne nécessitent pas de graphiques haute résolution ou de mélanges de couleurs étendus pour une visualisation en couleur. Ce n'est que dans les années 80 et 90, lorsque les industries du téléphone portable et de l'informatique ont commencé leur escalade rapide dans les foyers de chaque consommateur, que la poussée pour la miniaturisation a commencé. Les composants à montage en surface, bien qu'en fait développés dans les années 1960, ont rapidement remplacé les dispositifs traversants à partir de la fin des années 1980. Cette technologie a non seulement permis des densités de circuits beaucoup plus élevées, réduisant ainsi considérablement la taille, mais elle a également rendu possible l'assemblage automatisé. La soudure à la main est devenue de moins en moins nécessaire. Les dispositifs à montage en surface permettent le montage de composants des deux côtés du PCB ou du circuit imprimé, par opposition à un seul côté. (Voir les figures 2A – 2B）
Figure (2A) - Face avant traversante peuplée, face arrière - à souder uniquement, aucun composant Figure (2B) - Composants à montage en surface à l'avant et à l'arrière du PCB Cela présentait à son tour d'autres avantages, notamment des coûts de fabrication réduits, des propriétés thermiques améliorées , une fiabilité accrue et un délai d'exécution plus rapide des assemblages. De plus, il était alors possible de créer des écrans haute résolution ainsi que des panneaux à messages variables en couleur utilisant des LED rouges, vertes et bleues. Les LED bleues sont également devenues commercialement viables dans les années 1990, ce qui coïncide très bien avec l'utilisation généralisée de composants à montage en surface. Les dispositifs à montage en surface sont aujourd'hui devenus la catégorie de produits de choix pour la plupart des applications de conception électronique et sont disponibles dans une variété de types et de tailles de boîtiers. La taille de certaines des LED les plus courantes dans le monde va de 0402, ce qui équivaut à 0,04″ x 0,02″, à 1210 ou 0,12″ x 0,10″ avec des tailles plus grandes pour les appareils à haute puissance. (Voir figure 3)
FIGURE 3)
À la fin des années 2000, une poussée pour une efficacité encore plus grande et une densité accrue pour les LED se produisait, une fois de plus, principalement tirée par le marché de l'éclairage et de l'éclairage général. Cela a entraîné l'introduction et l'utilisation généralisées de la technologie COB (Chip-On-Board). COB est une technologie de semi-conducteur dans laquelle la « puce », également appelée « puce », est montée directement sur la carte de circuit imprimé à l'aide d'une procédure appelée attache de puce ou liaison de puce. Les puces individuelles sont placées sur le PCB soit à l'aide d'une pâte conductrice, soit par soudure (eutectique), puis soudées par fil. (Voir figure 4) Cette technologie élimine pratiquement le besoin d'emballages supplémentaires tels que des grilles de connexion et des boîtiers, ce qui permet de meilleures qualités de dissipation thermique, une taille réduite et une densité LED accrue (si nécessaire).
FIGURE (4)
140 pièces d'une puce LED emballée dans une zone inférieure à 1 pouce carré L'utilisation de la technologie COB pose encore des défis, en particulier du point de vue de la fabrication. Certains d'entre eux comprennent ; (A) Dépenses en capital - L'équipement requis est souvent très spécialisé et coûteux (B) L'uniformité et la cohérence sont essentielles dans de nombreuses applications COB. Par conséquent, la matrice/puce nue doit être soigneusement sélectionnée et testée avant d'être placée sur le PCB. Ce procédé nécessite également un équipement très spécialisé et en plus, les rendements doivent être pris en compte pour maintenir un appareil rentable. (C) Re-Work des assemblages COB peut être difficile s'il est déjà encapsulé. Dans certains cas, le produit entier doit être jeté. Si le produit peut être retravaillé, il ne peut généralement être effectué qu'en usine. A l'inverse, si le dispositif n'est pas encapsulé, la reprise est relativement facile à effectuer par rapport à la technologie traversante et CMS et moins coûteuse. (D) La qualité, l'uniformité et le type de PCB sont essentiels pour assurer une fixation correcte des puces et l'intégrité de la liaison filaire. De l'or pur pouvant être soudé par fil est souvent nécessaire. La technologie COB est maintenant utilisée par presque tous les principaux fabricants de LED, principalement sur le marché de l'éclairage général et de l'éclairage. La demande croissante de solutions écoénergétiques pour les technologies incandescentes, halogènes et similaires obsolètes permet une croissance rapide dans le domaine des LED COB. Alors que cette technologie continue de s'améliorer et que les coûts diminuent, le marché de l'assemblage de LED COB devrait dépasser le marché global des LED standard au cours des prochaines années. Bien que la plupart des fabricants se concentrent sur des solutions écoénergétiques pour l'éclairage général, quelques fabricants de LED sélectionnés utilisent les nombreux avantages de la technologie COB dans des applications plus spécialisées et plus spécialisées telles que l'armée, la médecine, la vision industrielle et la sécurité. Les méthodes d'assemblage Direct Attach et Flip Chip sont une ramification de la technologie COB qui augmente encore l'efficacité et offre une opportunité encore plus grande de miniaturisation. Les deux méthodes ne nécessitent pas de câblage filaire, permettant ainsi un assemblage COB à profil inférieur tout en améliorant les performances. Actuellement, un nombre limité de fabricants de LED proposent ce type de structure de matrice. De plus, il existe un nombre encore plus réduit d'assembleurs capables de monter correctement ce type de matrice. L'un des principaux fournisseurs de puces DA est Cree, Inc. Un exemple d'une de leurs puces de type DA est illustré à la figure 5.
Figure (5) Vue de dessus et de dessous du DA
La technique Direct Attach utilise un processus de liaison eutectique par flux qui élimine le besoin de pâte à souder, de préformes ou d'adhésifs conducteurs. Un flux et un PCB appropriés sont tout ce qui est requis pour obtenir une liaison de haute qualité pendant le processus de refusion. Un exemple d'assemblage réalisé avec la technologie COB standard par rapport à la liaison DA est illustré aux figures 6A à 6B.
Figure (6A) Assemblage COB standard (connexion par fil requise)
Figure (6B) Assemblage à connexion directe (aucune connexion filaire requise)
La technologie Flip Chip retourne la LED dans une orientation face vers le bas et place les électrodes en contact direct avec le PCB. Comme le processus Direct Attach, cette technologie offre des avantages aux puces LED, notamment une plus grande zone d'émission de lumière, une meilleure dissipation de la chaleur, ainsi que l'élimination de l'étape de liaison filaire et de l'ombrage de la liaison filaire. La méthode de liaison de la puce flip chip utilise ce que l'on appelle des « bosses » de soudure. Le processus de fixation consiste à appliquer le type de flux approprié (comme dans la méthode DA) à ces zones de perles de soudure, puis à effectuer un processus de refusion. En raison de la non-concordance du CTE (coefficient de dilatation thermique) entre la puce retournée et le PCB, il n'est généralement pas recommandé d'utiliser un matériau FR-4 mais un PCB à substrat en céramique ou optimisé MC (Metal Core). Philips LumiLED est l'un des principaux fournisseurs de puces à puce retournée. (Voir Figure 7)
Figure (7) Vue de dessus, de dessous et de côté de la puce Flip Chip avec des bosses de soudure
Ces deux technologies sont relativement nouvelles pour les LED, mais commencent à faire de grandes percées dans l'éclairage général et les marchés de niche mentionnés précédemment. En plus de certains des avantages décrits précédemment, la réduction de la résistance thermique passant d'un dispositif traversant au COB (voir figure 8) entraînera des améliorations significatives de la durée de vie et des performances du produit.
Figure (8) Comparaison de la résistance thermique (jonction à la pastille)
Comme pour toute nouvelle technologie, il est essentiel de s'assurer que vous travaillez avec une organisation expérimentée dans le domaine de l'optoélectronique, consciente des avantages et des inconvénients des trous traversants, CMS ou COB et capable de fournir la meilleure option pour votre application. Vincent est directeur de la technologie de Marktech Optoelectronics à Latham, New York. Il œuvre dans le domaine de l'optoélectronique depuis près de 30 ans et est auteur ou co-auteur de plusieurs articles relatifs à la technologie LED. De nombreuses améliorations significatives apportées aux LED et à leurs applications ont directement résulté de l'apport et de l'expérience pratique de Vincent.
