Csipszintű tokozás – fényesebb ledek 

A tokozási technológia hatása a led tulajdonságaira

Az alig több mint fél évszázados találmányt, a ledet sokáig csak „pislákoló” jelzőfénynek használta az elektronikai ipar, az utóbbi években azonban viharos gyorsasággal válik a világítástechnikát forradalmasító fényforrássá. A korszerű tokozási módszerek egyre jobban kihasználják a led „működő részének” apró méreteit. Ez nem csak az árat és a helyigényt csökkenti, de fényesebben világító termékeket is eredményez.

Bevezetés

A ledek forradalmasították a modern világítástechnikát. Ahol még néhány éve is a fluoreszcens vagy fémhalogén elven működő fényforrások világították meg a munkahelyeket és az utcákat, de még a számítógépek LCD-képernyőit is, napjainkra szinte mindenütt a szilárdtest fényforrások vették át a szerepüket. A ledek ma már mindenütt jelen vannak az épületektől és az utaktól a mobilkészülékekig, és ennek jó oka van: kisebb a hőtermelésük és jobb az energiahasznosításuk, sőt gyakran még fényességükkel is felülmúlják a hagyományos fényforrásokat, amelyeknek a helyére lépnek.
A ledes világítástechnika napjainkban is folyamatos fejlődésen megy keresztül. Az olyan innovációk, mint a hordozólemezre közvetlenül ültetett csip (Chip on Board – CoB) és a „flip chip” néven ismert tokozás még hatékonyabb és tartósabb termékek gyártását tette lehetővé. A gyártók most tartanak ott, hogy új szintre lépjenek a csipszintű tokozás (Chip Scale Packaging – CSP) bevezetésével. Azzal, hogy a ledet a „meztelen csip” méretét alig meghaladó nagyságú tokba helyezik, a led helyigénye minimálisra csökken, kezelése kevesebb erőforrást igényel, termikus hatékonysága pedig javul.

1. ábra Knightbright gyártmányú led tipikus DIP tokozatban

A DIP-től az SMD-ig

Ahhoz, hogy megérthessük a CSP tokozású ledek hatékonyságának okait, át kell tekintenünk, hogyan és miért ment végbe a ledtokozatok evolúciója. Feltalálása idején, az 1960-as években a ledeket tipikusan párhuzamos huzalcsatlakozójú (Dual-In Line Package – DIL vagy DIP) tokozatba szerelve forgalmazták (1. ábra). A fénykibocsátó csipet egy átlátszó műanyag „lámpatestbe” szerelték, amelyből két – egymással párhuzamos – hosszú vezeték állt ki. Ez a megjelenés évtizedeken át „kitartott”, és még ma is, ahol a könnyű szerelhetőség és a tartósság a szempont, továbbra is használják ezt a megoldást a hobbielektronikától a közvilágítási lámpatestekig.
Azonban ennek a DIP-kialakításnak a „testessége” kikényszerítette a változást. A felületszerelt eszközökről (Surface Mounted Device – SMD) eltűntek a DIP-tokozatra jellemző, furatszerelésre alkalmas hosszú kivezetések. Ehelyett az SMD ledeket közvetlenül a NyÁK-felületre lehet ültetni, majd ezután forrasztani a villamos kapcsolat és a fizikai rögzítés létrehozására. A felületszerelt megközelítés számos előnnyel járt a ledek egyéb tulajdonságaira nézve is. A terjedelmes, gyenge hővezető képességű DIP műanyagtok kiküszöbölése, valamint az a tény, hogy a led így közelebb került a jó hővezető NyÁK-felülethez, az SMD-ledeket a DIP-tokozásúaknál nagyobb hőmennyiség elvezetésére tette képessé. Ezek a javított termikus tulajdonságok tették lehetővé, hogy az SMD ledeket nagyobb áramerősséggel lehessen meghajtani (amely egyben nagyobb fényáramot is eredményez az eszköz átlagos élettartamának csökkenése nélkül). Miközben a DIP ledek legnagyobb kiterjedése akár több cm is lehet a hosszú furatszerelt vezetékek miatt, a korszerű SMD ledek alapterülete csupán 1 mm². Az SMD ledek kis mérete miatt egyrészt több ledet lehet egy korlátozott térrészben elhelyezni, másrészt a kis méret miatt jól közelíti a pontszerű fényforrás tulajdonságait. Ez azt jelenti, hogy a világítástechnikai teljesítőképesség jobban kézben tartható a használni kívánt SMD ledek számának és típusának célszerű megválasztásával.

2. ábra A Philips CoB ledjei számos ledcsipet egyesítenek egyetlen, könnyen integrálható modullá

A hordozólemezre ültetett ledcsip-technológia

Az SMD led jelentős fejlődést jelentett a DIP-tokozáshoz képest a méret, az alkatrészsűrűség és a hatékonyság tekintetében, de még mindig nem érte el az optimálisnak tekinthető képességeket. Mivel a ledcsipek itt is egyenként vannak tokozva, aránylag munkaigényes feladat ezekből összetett fényforrásokat vagy világítótesteket összeszerelni. Minden egyes SMD led egyedi forrasztási pontokkal csatlakozik az áramkört hordozó kártyához, és mindegyiknek saját meghajtóáramkörre van szüksége. Végül, de nem utolsósorban az egyes SMD ledek színbeli egyezésének biztosítása is komoly kihívást jelentő feladat. A CoB ledek további fejlődést hoztak a felsorolt problémák kezelésében. Ahelyett, hogy az egyedileg tokozott SMD ledeket egyenként ültetnénk be a NyÁK lapra, a CoB ledekben több ledet integráltak egyetlen közös tokba (2. ábra), amelyet könnyű telepíteni és villamos szempontból is egyetlen egységként kezelhető.
Minden CoB ledet számos ledcsip alkotja, amelyek száma több tucat vagy akár több száz is lehet. Ezek a csipek közvetlenül a hordozólemezre vannak ültetve, és gyakran foszforeszkáló réteg is fedi őket, amely a sok SMD ledből kirakott többpontos megjelenés helyett egyetlen, kiterjedt felületű fényforrássá alakítja a CoB ledet. Mivel a CoB ledbe épített ledcsipek színre válogatottak, a világítás színe egységesebb, mintha több SMD ledből állították volna össze. Mivel a csipek közvetlenül a hordozóanyagra vannak szerelve, a működés közben termelődő hő elvezetése is hatékonyabb. Ugyanakkor a CoB ledek így is jelentős hőt termelnek – aminek az az egyszerű magyarázata, hogy több ledcsipet tartalmaznak kisebb helyen koncentrált elrendezésben –, ezért az alkalmazástól függően hűtőborda alkalmazása válhat szükségessé.
A CoB ledek jelentősen egyszerűsítik a ledes világítástechnikai eszközök tervezését és gyártását, mivel nem kell egyedi ledeket elhelyezni és forrasztani, valamint egyedi, alkalmazásspecifikus NyÁK-hordozólemezt gyártani. Ehelyett a CoB ledeket egyetlen modulként lehet meghajtani. Egy világítótest összeállításához ezért gyakran nem kell több, mint a CoB led, egyetlen meghajtóáramkör, hűtőborda, tokozat és a fény geometriai eloszlását kialakító optika. A gyártás is egyszerűbb: nincs szükség újraolvasztásos forrasztókemencére. Mindez azt jelenti, hogy a CoB ledek nagy hatásfokú, alacsony anyagköltségű világítástechnikai megoldások kialakítására alkalmasak, amelyek fénye egyenletesebb eloszlású a több SMD ledből összeállított eszközökénél.

Flip chip

A flip chip a tokozásnak egy újabb módszere, amely a CoB ledekhez képest is tovább növeli a termikus hatékonyságot és az optikai minőséget. Egy hagyományos CoB lednél a ledcsipek a hordozólemezre epoxi ragasztóval vannak rögzítve és a kivezetéseik felfelé állnak. Ezeket aztán termokompressziós huzalkötés csatlakoztatja az alaplemez fémezett huzalozásához. A fénykibocsátó réteg így a ledcsip alsó, ragasztott oldalához esik közelebb, és a csipek feletti huzalozás is rontja a fényhatásfokot, mivel a huzalok kitakarják a kilépő fény egy részét. Ugyanakkor az epoxi ragasztóanyag hőellenállása rontja a tokozat hőelvezető képességét.
Mindezekkel ellentétben a flip chip tokozású ledeknél a fénykibocsátó réteg a csip felső oldalához van közelebb, így jobb a fénykibocsátás hatásfoka. A csipek kivezetései is a CoB technológiával ellentétesen, alul helyezkednek el, így közvetlenül ráforraszthatók a hordozólemezre, tehát a bekötőhuzalok elmaradnak, és így nem okozhatnak árnyékhatást. Mivel a ragasztó epoxirétegre sincs tovább szükség, a ledcsip jobb hőcsatolásba kerül a hordozólemezzel, az pedig hatékonyabban vezeti el a megnövekedett hődisszipációt.
Az epoxiragasztás és a termokompressziós huzalkötés elmaradása csökkenti a flip chip tokozású ledek gyártási költségét, és az egyszerűbb technológia miatt jobb a gyártás kihozatala és a működési megbízhatóság. Kisebb az anyagigény, és végül jobb a termék ütés- és rázásállósága is. Ezenkívül a jobb hőelvezetés miatt is hatékonyabb a hagyományos CoB ledeknél.

3.  ábra Lumiled gyártmányú, flipchip tokozatú fehér led, amely a flipchip technológiát kombinálja a CSP tokozással, és ezzel maximalizálja a fénykibocsátó felületet, miközben a tokozott led helyfoglalása minimális

A CSP ledek

A CSP ledekben (3. ábra) folytatódik a ledtokozás további egyszerűsítésének trendje. A hagyományosabb technológiákban a félvezető szeleteket (wafer) egyedi ledcsipekre vágják fel, amelyeket később, egy másik technológiai eljárás keretében egyesítenek egy közös tokozatban. A CSP ledeknél viszont a tokozás a wafer szintjén történik ahelyett, hogy azt egyedi csipekre darabolnák szét. Ha a led fénykibocsátó elemet a wafer szintjén tokozzák, a kész led egyetlen elemi ledcsipre vonatkoztatott területe gyakorlatilag azonos magának az elemi ledcsipnek a helyfoglalásával. Az így keletkezett wafer-darab csatlakozási pontjai a többi SMD-alkatrésznél megszokott, szabványos kialakításúak. A ledcsipek minimális helyfoglalása alacsonyabb gyártási költségeket, jobb optikai tulajdonságokat, megnövelt hőelvezető képességet, valamint kisebb méretű kész ledet eredményez.
Ha a hagyományos SMD-ledek helyén alkalmazzuk, a CSP ledek ugyanakkora NyÁK-területen nagyobb világítófelületet kínálnak. A működési jellemzők is javulnak, mivel a fény a csip öt oldaláról érkezik, nem pedig csupán a felső lapjáról. Ráadásul a minimalista tokozás jobb hővezető képességet tesz lehetővé.
A kisebb hőellenállás pedig azt jelenti, hogy a CSP ledeket nagyobb árammal lehet meghajtani, ami intenzívebb fénykibocsátást tesz lehetővé az élettartamra gyakorolt kedvezőtlen hatások nélkül.

A ledvilágítás jövője

Bár a jelenkor ledjei máris elég fényesek, a jövőjük méginkább az. A CoB led-tokozástechnika felemelkedése máris jelentősen csökkentette a korszerű, energiahatékony ledvilágítás költségeit. Azzal, hogy a CoB ledekben számos egyedi ledet integráltak egyetlen közös hordozólapkára, nem csak kiváló fénykibocsátási tulajdonságok és nagyobb energiahatékonyság, hanem könnyű integrálhatóság is együtt járt. A ledvilágítás minőségének javulása ma még a lassulás jeleit sem mutatja, amit az olyan új technológiák gyors elterjedése is mutat, mint a flip chip és CSP. Ezek újraírják a fénykibocsátás és az energiahatékonyság értékkategóriáit, és egyben a minimalista tokozások bevezetésével csökkentik az árszintet.

Szerző: Mark Patrick – Mouser Electronics

Magyar nyelvű kapcsolat:
a Mouser hivatalos partnere
Maus Electronics Kft.
1034 Budapest, Bécsi út 100.
Tel.: +36 1 244 8412
Mobil: +36 20 777 1080
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.

www.mausel.eu

hu.mouser.com