Светодиодные изделия: как их собрать качественно и недорого?

Относительная простота схемотехники и общей конструкции светильника в сочетании с государственной поддержкой так и манят производителей, желающих достичь быстрого успеха в нише инновационных светодиодных технологий. Помимо создания законодательной базы (примечателен Федеральный закон N 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», запрещающий с января 2011 года лампы накаливания мощностью 100 Вт) идет также финансовая и информационная поддержка.

На сайте www.rusnano.com обещают: «У нас к вам только два во- проса: чем вы лучше других и как вы это будете продавать? Если вы сможете на них ответить, через два месяца вы получите деньги и сделаете свое производство!». Также выявлена несомненная польза светодиодного освещения, по сравнению с люминесцентными лампами, для здоровья. В лучах твердотельных светильников люди легче переносят интенсивную умственную нагрузку, да и деятельность сердечнососудистой системы улучшается (http://www.rusnano.com/ Document.aspx/Download/26267). В таких благоприятных условиях отечественный рынок светодиодов динамично развивается, хотя и в два раза медленнее мирового. Рубеж в 200 млн. долларов США может быть взят уже в следующем, 2012 году (информация с сайта www.rusnano.com). Одной из ключевых особенностей светодиодных систем является длительный срок эксплуатации, а также ресурс светодиодных модулей в 100000 часов и даже более (www.gkst.org/business/6).

Расчеты экономической выгоды применения светодиодных систем освещения или отображения информации основываются именно на таком длительном сроке эксплуатации изделий. Но не стоит забывать, что заявленные десятки тысяч часов являются итогом ускоренных, а не натурных испытаний светодиодов. В условиях реальной эксплуатации отказ может наступить намного раньше декларированных 100000 часов. Примечательно, что в большинстве случаев гарантия на изделия из самых надежных светодиодов дается производителем на 1-3 года, что может быть даже меньше срока окупаемости.

В случае светодиодных светофоров отказы может заметить каждый внимательный пешеход или автолюбитель. На рисунке приведены фотографии светофора, установленного неподалеку от местожительства автора.

Цель данной статьи – разобраться, в чем причины отказов техники, призванной работать по 10-100 тыс. часов? Какие моменты следует учесть производителю, чтобы добиться высокой реальной, а не заявленной надежности, не завысив при этом себестоимость выше конкурентного уровня?

Причины отказа светодиодов могут быть различны, но, в конечном итоге, сводятся либо к ошибкам конструирования, либо бракованным комплектующим, либо ошибкам монтажа. Обсуждение ошибок проектирования и некачественных компонентов выходит за рамки данной статьи. Только заметим, что согласно дорожной карте «Использование нанотехнологий в производстве светодиодов» от РОСНАНО половина светодиодов в РФ имеет сомнительное проис- хождение (стр. 104-105 http://www.rusnano.com/Document. aspx/Download/27395).

Но, даже избегнув контрафакта и ошибок проектирования, многие отечественные производители не могут справиться с проблемами монтажа и технологическими дефектами. С точки зрения сборочно-монтажного производства качественная сборка светодиодного экрана или светильника не является такой уж заурядной задачей. Ниже перечислены некоторые моменты, на которые стоит обратить внимание цехового технолога и начальника сборочного участка. Размеры платы. Помещается ли плата в имеющиеся сборочные автоматы, печь оплавления, устройство нанесения паяльной пасты, конвейерную линию и т.д.

Вес платы. Платы с алюминиевым основанием могут быть тяжелыми. Например, вес листа Т-111 размером 480х600 мм и толщиной 1,5 мм равен 1,3 кг. На большие тяжелые платы сложно наносить паяльную пасту, проводить пайку оплавлением, ремонтировать. Блестящие алюминиевые платы могут быть проблемой для оптических датчиков конвейерной линии

Светодиод является классическим примером электронного компонента, чувствительного к электростатическому разряду. Помимо моментального выведения дорогостоящего компонента из строя, возможен худший вариант отказа, когда светодиод постепенно деградирует и отказывает уже в отпущенном заказчику изделии.

Для предотвращения таких отказов необходимо ввести на производстве систему ESD защиты, а также проводить ресурсные испытания готового печатного узла. Под системой антистатической защиты подразумевается именно комплекс мер, а не растянутый браслет на руке монтажника. Реализация такой ESD защиты, также как и ресурсных испытаний, требует дополнительных капиталовложений и зачастую рассматривается неохотно, а прорабатывается наспех.

Многие светодиоды чувствительны к влажности. Причем при относительной влажности более 70% и температурах более 25oC светодиод нужно смонтировать сразу после вскрытия упаковки. В таблице 1 показана зависимость предельно допустимого времени экспозиции светодиода Cree® XLamp® 4550.

Светодиоды, находившиеся в атмосфере сборочного участка дольше допустимого времени, требуется сушить 24 часа при 800С (уменьшать время сушки нельзя, так как сушить при большей температуре производитель запрещает). После сушки светодиод должен быть смонтирован (припаян) в течение часа. Таким образом, качественный монтаж светодиодов, чувствительных к влажности, требует хорошей организации производства, наличия шкафов сухого хранения, системы поддержания микроклимата на сборочном участке с ведением журнала влажности/температуры. На практике эти рекомендации часто игнорируются.

Светодиод с выпуклой линзой может вызвать затруднения при автоматической установке. Проблема состоит в том, что брать за линзу светодиод нельзя, а чтобы ухватить за периметр вокруг линзы, требуется специальный захват. Неудачное соотношение геометрии вакуумного захвата и светодиода приводит к потерям компонентов, неточной установке или повреждению линзы и отказам светодиодов.

Светодиод является изделием, наряду со сложными ПЛИС, процессорами, памятью, чувствительным к нарушениям температурного профиля пайки оплавлением. Слишком большие скорости нагрева или охлаждения, перегрев выводят светодиоды из строя или значительно снижают ресурс надежности.

Такая чувствительность светодиодов в сочетании с алюминиевыми основаниями печатных плат и размерами изделий приводит к ужесточению требований к монтажному оборудованию (печам оплавления). Данное утверждение справедливо, если речь идет о качественном монтаже светодиодов, призванном обеспечить полный рабочий ресурс изделия, а не о монтаже изделий ради сиюминутной выгоды или подтверждения «освоенности» бюджетных денег.

При монтаже определенных типов светодиодов возникают проблемы с контролем качества пайки. Проконтролировать качество пайки, содержание пустот в галтели паяных соединений, отсутствие шариков припоя между контактами без применения сложного оборудования рентгеновского контроля затруднительно.

Пустоты в пайке теплоотводящей площадки приводят к росту теплового сопротивления и перегреву светоизлучающего кристалла в светодиоде. При перегреве деградация светодиода многократно ускоряется, и изделие отказывает намного раньше положенного срока. Шарики припоя между выводами диода, провоцируют токи утечки и также снижают надежность изделия. Правильная постановка светодиодных изделий в производство сопряжена с тщательной проработкой проекта, несмотря на видимую простоту изделий.

Ниже перечислена часть факторов, влияющих на выход годных и надежность изделий:

• возможности конвейерного оборудования при работе с крупными, тяжелыми, блестящими платами;
• организация и культура производства, аккуратное обращение с чувствительными к статике и влажности компонентами;
• возможности автомата установки компонентов по установке светодиодов, особенно с выпуклыми линзами;
• возможность печи оплавления выдерживать рекомендованный производителем светодиодов температурный профиль;
• наличие грамотной технологической поддержки производства;
• возможность проведения ресурсных и других испытаний;
• наличие рентгеновской установки (для отдельных типов светодиодов).

Следующий вопрос, возникающий после проработки обозначенных выше особенностей, состоит в определении себестоимость сборки печатного узла. Конечно, для ряда изделий важно обеспечить надежность, пусть даже высокой ценой. Но для типового светодиодного печатного узла высокая себестоимость означает низкую конкурентоспособность. Кому нужен бытовой светильник по космической цене?

В мире вопрос себестоимости монтажа светодиодных изделий решается при помощи специализированного оборудования. Самая низкая стоимость монтажа одного светодиода достигается при использовании автоматического сборочно-монтажного оборудования. Среди автоматов, реализующих технологию поверхностного монтажа (устройство нанесения паяльной пасты, автомат установки компонентов, печь для пайки оплавлением), самым дорогим, как правило, является автомат, устанавливающий компоненты на плату. Он же является самым медленным звеном, определяющим производительность всего сборочного участка.

Поэтому основой низкой себестоимости монтажа является именно автомат-установщик. Рассмотрим подробнее требования, которые предъявляет к такому автомату и его конструктивным особенностям серийная установка светодиодов.

Разбиновка светодиодов. Излучаемый спектр, величина падения напряжения на переходе и светового потока являются важнейшими характеристиками светодиода и особенно существенны для систем освещения и отображения информации. При производстве светодиодов излучаемый диодом спектр и световой поток отличаются от партии к партии. Если не учитывать отклонения характеристик светодиодов, то в собранном изделии не удастся добиться однородного свечения диодов по всей поверхности печатного узла. При проектировании изделия, не учитывающем возможный разброс характеристик светодиодов по падению напряжения, может возникнуть ситуация, когда отдельные светодиоды перегружены по току, перегреваются и гораздо быстрее деградируют.

Для облегчения задач производителя поставщики светодиодов разбивают поставляемые компоненты на бины (они же ранги) – партии диодов с одинаковым спектром свечения. Разбиение регулируется специальными стандартами (посвященными колориметрии), в частности, стандартом ANSI C78.377A. Современные требования к однородности светодиодов по характеристикам становятся более жесткими, и производители светодиодов выделяют еще более мелкие бины.

Сортировка светодиодов требует дополнительных затрат, и покупка неразбинованных светодиодов экономически более выгодна. Но как быть с разбросом характеристик? Одним из вариантов решения является установка светодиодов на одном печатном узле из одной катушки, в которой все светодиоды практически одинаковы.

Требование установки светодиодов из одной катушки в сочетании с поставкой мощных светодиодов в широкой ленте 16 мм и более приводит к существенному снижению скорости установки светодиодов в реальных условиях.

Традиционные автоматы для установки компонентов поверхностного монтажа оказываются неэффективными. Поэтому производители автоматов для поверхностного монтажа попытались учесть специфические требования монтажа светодиодов в конструкции своих автоматов. К сожалению, очень часто заявленная специализация автомата под LED (светодиоды) означает всего лишь расширенную по размерам рабочую зону, позволяющую монтировать крупные платы, и ничего более.

Одним из действительно специализированных автоматов, доступных на отечественном рынке, является автомат SLM 110/120, Samsung Techwin. Целью создания автомата является удовлетворение внутренних потребностей по монтажу светодиодов на заводах Samsung Electronics. На мировой рынок SLM вышел только после внедрения на производстве самого Samsung.

При проектировании SLM были учтены следующие специфические особенности светодиодных изделий:

• эффективная установка светодиодов одного типа из одного питателя без потери производительности;
• установка компонентов по матрице с фиксированным шагом (расстояниями между компонентами);
• небольшое количество типономиналов компонентов;
• установка компонентов на большие (порядка метра) печатные платы;
• необходимость устанавливать достаточно крупные и высокие светодиоды из лент шириной 12, 16, 24 мм и более без значительной потери производительности;
• многие LED имеют светлый или прозрачный корпус, что может вызывать сложности в работе системы технического зрения (СТЗ) автомата;
• не применяются очень сложные микросхемы (QFP с шагом 0,5 мм и менее, BGA с размером корпуса 40х40 мм и т.д.), требующие прецизионного автомата.

И если название автомата не производит впечатления особой креативности и нестандартного подхода, то конструкция машины вызывает неподдельный технический интерес. На рисунке можно увидеть, что блок захватов перемещается не вдоль платы, а поперек платы, перпендикулярно движению конвейера. Такое решение позволяет осуществлять монтаж компонентов на платы длиной до 1200 мм.

Следующей «изюминкой» является конструкция питателя. Для того чтобы установка компонентов из одного питателя происходила без потери скорости, был разработан специальный питатель, позволяющий осуществлять захват сразу пяти светодиодов за одно движение.

В связи с тем, что шаг компонентов в ленте варьируется (кармашки со светодиодами могут повторяться через 4, 8, 12, 16 мм), расстояние между вакуумными захватами автомата сделали изменяемым. Эта же уникальная особенность конструкции позволяет осуществлять не только одновременный захват светодиодов, но и их одновременную установку.

Таким образом, учитывается матричное расположение диодов на плате и достигается резкий прирост производительности за счет раздвигаемых головок.

Еще одной «изюминкой» автомата является оптимизация процесса считывания реперных знаков. Платы светодиодных светильников могут состоять из множества отдельных линеек, и процесс считывания всех реперов занимает десятки секунд. Эта особенность светодиодных изделий учитывается в автомате за счет оптимизации перемещений.

Также полезными особенностями автомата являются такие важные в реальном производстве детали как распознавание кармашка компонента в ленте и проверка наличия компонента в нем. Такая оптическая проверка при помощи системы технического зрения (СТЗ) имеет преимущества перед традиционной проверкой уровня вакуума: ошибка, сообщающая об отсутствии компонента, будет выдана быстрее и в более ясной для оператора форме. Если появляется ошибка по вакууму, то проблема необязательно вызвана отсутствием компонента, в ней надо разбираться. Если же оператор видит изображение пустого кармашка ленты, то все однозначно, и в итоге SLM меньше простаивает.

Следующая особенность СТЗ состоит в распознавании перевернутых светодиодов.

Все перечисленные «изюминки» упакованы в компактный автомат, который можно установить даже на небольшом производственном участке.

Как видно на эскизе, питатели можно устанавливать в автомат только с одной (фронтальной) стороны. Для сборки изделий с небольшим количеством типономиналов, какими и являются типичные светодиодные изделия, больше и не надо. Искушенный читатель, несомненно, увидит на эскизе SLM сходство с другими автоматами серии SM от Samsung Techwin. Так и есть: SLM сделан на той же платформе SM, что и популярные в России автоматы SM-321, SM- 421, SM-411.

Еще одной конструктивной особенностью является система центрирования компонентов. В автомате SLM реализована система, которая распознает и центрирует компоненты во время их пролета над камерой. Центрирование происходит на постоянной скорости без остановки портала. Если провести бытовую аналогию, система центрирования работает как сканер, только перемещается не камера, а захваченные компоненты.

Такая система центрирования компонентов уже известна в других автоматах установки, в том числе и представленных на отечественном рынке. Её плюсом является возможность поднять реальную производительность автомата, убрав непроизводительную остановку на центрирование. Недостаток данного подхода является продолжением достоинства – центрирование «на пролете» не очень удачно при работе с крупными тяжелыми микросхемами типа BGA 45x45 мм или микросхемами, требующими особо высокого разрешения и точности – QFP с шагом 0,5 мм и менее. Такой необходимости нет при монтаже типовых светодиодных изделий, светильников, экранов.

В особо сложных случаях монтажа насыщенных печатных узлов предпочтительна совместная работа SLM с многофункциональной прецизионной машиной, например, SM-421.

Только применение автоматов, специально «заточенных» под установку светодиодов, позволяет минимизировать себестоимость монтажа светодиодных изделий. Важно наличие всего комплекта «изюминок» в одном автомате, только тогда специализированный автомат превзойдет типовой среднесерийный автомат.

Характеристики «типового автомата с рядным расположением захватов» - понятие абстрактное, являющееся собирательным образом таких моделей, как SM4xx, Paraquda, MYxxx, KE-20xx, Mх-xxx, MG-x, MC-x и других среднесерийных автоматов.

Идея таблицы – показать, что именно специализированный автомат, созданный под конкретную задачу, позволяет решать её с максимальной производительностью и минимальными затратами.

Универсальная же машина, при всех ее достоинствах, в специализированном деле установки светодиодов проявит себя хуже и позволит добиться минимальной себестоимости монтажа.

Надеемся, что рассмотренные в статье тонкости задач монтажа светодиодов будут учтены отечественными производителями и инноваторами, и они будут создавать качественные, надежные и недорогие отечественные светодиодные светильники, светофоры, табло, экраны и телевизоры.