Sebbene i LED SMD condividano i processi di montaggio superficiale con altri componenti (come resistenze o condensatori), la loro natura di dispositivi optoelettronici introduce sfide uniche; un assemblaggio non accurato non compromette solo il funzionamento elettrico, ma degrada irreversibilmente le prestazioni ottiche
I LED per lighting sono caratterizzati da dimensioni ridotte e alta potenza e richiedono particolari precauzioni nell’handling, nell’assemblaggio e nella saldatura. Quest’ultima in particolare deve assicurare dei giunti col minor numero possibile di void, uno dei principali impedimenti alla corretta dissipazione termica, perché la riduzione del carico termico alla giunzione influenza positivamente le prestazioni e la durata del LED. I LED moderni concentrano un'elevata densità di potenza in spazi microscopici, richiedendo saldature a rifusione precise per evitare la morte prematura del componente.
I void (bolle d'aria/vuoti) nello strato di saldatura tra il package e il PCB riducono drasticamente l'area di contatto, ostacolando la dissipazione termica.
Nella struttura tipica del package di un LED il chip è incollato mediante pasta termoconduttiva su un supporto (metallico o ceramico) e ricoperto con un incapsulante (resina siliconica, epossidica), il tutto protetto da un corpo in materiale plastico resistente al calore. La lente, posizionata sopra il chip è morbida e potrebbe danneggiarsi facilmente durante la manipolazione con pick-and-place, alterando la distribuzione della luce.
In base al tipo di package, i terminali dei LED tradizionali sono generalmente di tipo gull-wing o j-lead mentre nelle ultime generazioni sono anche di tipo BTC (Bottom Termination Components) per massimizzare il trasferimento termico direttamente attraverso la base.
Pur essendo i LED SMD compatibili con i processi SMT esistenti, fattori come la finitura dei terminali, la composizione della pasta saldante, il design dello stencil e il profilo di rifusione contribuiscono al risultato finale. Risultato influenzato dello stesso PCB e dal materiale di cui è costituito, dal design dei pad e dalla qualità delle finiture superficiali.
I LED sono estremamente sensibili all'umidità assorbita. Se non vengono conservati correttamente, durante l’operazione di saldatura l'umidità può espandersi violentemente (effetto "popcorn"), creando microfratture interne non visibili, ma fatali per la durata del componente. Pertanto, i LED sono confezionati in bobine che per lo stoccaggio e la spedizione sono inserite in buste barriera ESD sigillate sotto vuoto, con dei sali essiccanti e un indicatore di umidità all’interno. Al riguardo si seguono le procedure per i dispositivi sensibili all'umidità (MSD), regolate dallo standard IPC/JEDEC J-STD-033.
Una volta aperta la busta, il LED assorbe umidità. Se si supera la floor life (che varia in base alla classe MSL del componente), è necessario il "baking" (essiccazione in forno) prima della saldatura per evitare l'effetto popcorn durante la rifusione.
Le buste sono contrassegnate con codice a barre contenente informazioni sul prodotto col numero di lotto, la data, e la quantità contenuta. Le informazioni fanno anche riferimento alla classe di luminosità e colore (binning, fondamentale per i LED per garantire l'uniformità cromatica tra diversi lotti di produzione), alla classe ESD e di sensibilità all'umidità. La conservazione dei LED SMD nell’imballo sigillato è data usualmente per un massimo di 24 mesi (shelf life). Dall’apertura della confezione alla saldatura ogni famiglia di LED ha una sua specifica durata (floor life).
Essendo semiconduttori, sono molto vulnerabili alle scariche elettrostatiche. Un danno da ESD può non distruggere subito il LED, ma indebolirlo, portando a guasti prematuri nel tempo.
L’assemblaggio dei LED
Poiché il pad di saldatura interviene direttamente nella formazione del giunto, il suo design contribuisce in modo significativo nelle prestazioni della connessione: influisce sull'affidabilità meccanica ed elettrica, sull'autoallineamento del componente e nella dissipazione del calore.
Durante lo sviluppo dei circuiti è da prestare particolare attenzione alla posizione e all'orientamento del LED sul circuito, infatti in relazione alla sua posizione e al suo orientamento, lo stress meccanico può variare.
Per quanto riguarda l'effetto autocentrante va notato che i LED leggermente disallineati (meno di 0,15 mm) vengono automaticamente riposizionati durante la rifusione, ma se la precisione di piazzamento va oltre i 150 micron, potrebbero verificarsi cortocircuiti dovuti alla formazione di ponti di saldatura.
In generale è preferibile evitare la finitura HAL dei pad perché la sua superficie è più irregolare rispetto a OSP ed ENIG.
La stesura della pasta saldante avviene normalmente per serigrafia, un design appropriato dello stencil è suggerito nella scheda tecnica del LED. Dato che il volume da depositare e la qualità dei depositi sono determinati principalmente dal layout e dello spessore dello stencil, per le schede LED si consiglia l’uso di una lamina da 120 micron che dà come risultato uno spessore del giunto di saldatura mediamente compreso tra 40 e 75 micron.
Ovviamente lo spessore dello stencil potrebbe anche essere mediato dalla presenza di altri componenti SMD con esigenze differenti.
L’altezza dei giunti determina anche lo standoff dei componenti e la loro regolarità è indispensabile per avere una posizione planare dei LED, che diversamente diventerebbe un problema nel lighting.
Per questa ragione è bene che la serigrafica disponga a valle dell’ispezione SPI per valutare e controllare il processo, in particolare per piazzole molto piccole.
È necessario impostare correttamente la pick and place, assicurando l’utilizzo di un ugello dalla dimensione adeguata. Un ugello appropriato non solo garantisce un buon processo di prelievo e posizionamento, ma aiuta anche a prevenire danni al LED. I parametri di prelievo e di posa devono essere conformi alle caratteristiche del package, applicando la minima forza possibile.
La punta dell'ugello deve essere pulita e priva di contaminanti che potrebbero interferire con l'area ottica, la più delicata.
Per garantire un processo a zero difetti, e in particolare il piazzamento dei LED senza danni da parte dell'ugello, è buona norma ispezionare la superficie emittente del LED (con visore o microscopio) durante le fasi iniziali della produzione.
Le condizioni di saldatura sono indicate dai vari produttori per ciascun tipo di LED e sono riportate nelle rispettive schede tecniche.
Come punto di partenza si può utilizzare il profilo di temperatura consigliato dal produttore della pasta saldante, ma la temperatura massima specificata nella scheda tecnica del LED non deve essere superata. Anche nella saldatura dei LED l’utilizzo di azoto amplia la finestra di processo, con un contenuto di ossigeno inferiore a 500 ppm si ottengono buoni livelli di bagnabilità.
Dissipazione termica e void
L'elevata temperatura di giunzione nei LED, se non dissipata adeguatamente, porterebbe a problemi di affidabilità, dalla bassa efficienza e breve durata alle variazioni della lunghezza d'onda, per arrivare ai guasti catastrofici. Gli effetti di vari parametri, come le proprietà termiche dei substrati, i materiali dell'interfaccia termica e le caratteristiche dei dissipatori influiscono sulle prestazioni termiche del LED.
La temperatura di giunzione e le resistenze termiche (RT) per i moduli LED sono ottenute da misure dirette e simulazioni software. L’esperienza ha dimostrato come RT possa essere significativamente ridotta utilizzando buoni dissipatori di calore.
Giunti di saldatura e pad termici sono i percorsi attraverso cui il calore migra all’esterno del LED.
Nei componenti di tipo area array la presenza di vuoti dovrebbe essere inferiore al 25%, nei LED la soglia può sfiorare il 50% dell’area del pad termico in quanto è stato dimostrato che hanno un basso effetto sulla resistenza termica. La percentuale accettabile può comunque variare in base alle applicazioni e dipendere dalle prestazioni termiche totali del sistema, influenzate dai materiali utilizzati come interfaccia termica e dai substrati utilizzati.
La comprensione dei meccanismi sottesi alla creazione dei vuoti rimanda all’analisi di tutte le variabili di processo che si influenzano vicendevolmente. A livello di stencil al posto di una singola apertura di grosse dimensioni sono raccomandate più aperture di piccole dimensioni: questo facilita l’out-gassing. L’utilizzo della pasta saldante low voiding è preferibile come pure l’utilizzo dell’azoto in rifusione. Altro accorgimento deve essere preso nel programmare il profilo termico, per favorire la corretta evaporazione delle sostanze volatili contenute nella pasta saldante e in particolare il tempo sopra la temperatura di fusione (time above liquidus) dovrebbe essere sopra gli 80 secondi.
Electrical Over Stress
Esistono diversi motivi e modi in cui potrebbe verificarsi una EOS, ma esiste un solo risultato: il guasto del LED. L’EOS danneggia la struttura del chip, causando un guasto che ne riduce la durata di vita prevista.
Lo stress elettrico è causato da fonti esterne al LED; è dovuto a condizioni avverse presenti nell'ambiente di lavoro, come una procedura di test sbagliata o una scarica elettrostatica dovuta a un'interazione umana, oppure è conseguente a un problema di alimentazione difettosa o errata, ma la causa può essere anche un errato layout di progettazione o componenti difettosi che generano il passaggio di una corrente eccessiva attraverso il LED.
Quando la tensione o la corrente supera i valori nominali massimi tollerati dal componente, si verifica il fenomeno definito "stress". Per capire meglio perché si verifica un EOS (sia in un circuito aperto che in cortocircuito) e il tempo necessario allo stress per danneggiare il LED, è importante considerarne il suo contenuto energetico.
Ogni volta che viene applicato uno stress a un dispositivo di illuminazione a stato solido, crea una tensione e una corrente che fluiscono attraverso l'intera impedenza del circuito, questo significa che al LED viene applicato uno stress di potenza. Uno stress a bassa energia non genera danni significativi, mentre lo stress a media energia danneggia il LED, ma il guasto reale si manifesta solo nel tempo.
Un elevato stress energetico provoca la rottura immediata del LED: fondendo il legame di wire bonding o danneggiando il die saldato al solder pad. È importante notare che anche senza guasti immediati a seguito dello stress, ciò non significa che il LED non sia stato danneggiato. Le sollecitazioni a bassa e media energia potrebbero portare a micro-danni che non sono immediatamente visibili, ma che indebolendo il LED possono portare ad un guasto catastrofico dopo un certo numero di ore di lavoro. Questo è il motivo per cui ogni LED esposto a stress elettrico eccessivo deve essere considerato un dispositivo a rischio di guasto.
