表面実装型デバイスLED | ディスプレイ技術完全ガイド

SMD LEDは、プリント基板（PCB）表面に接続する外部はんだ接点を備えています。半導体チップはパッケージ内部に収められており、通常はディスプレイ基板上に直接配置される裸のチップではありません。

SMDとスルーホールは、異なる実装方法を指します。スルーホールLEDは、基板の穴を通してリード線を挿入します。SMDパッケージは表面パッドを使用し、自動実装とリフローはんだ付けに対応しています。どちらの実装方法も、単独では高効率、長寿命、または優れた放熱性を保証するものではありません。

パッケージは、発光ダイ、電気接続部、支持構造、および光学保護層を一体化したものです。以下の説明では一般的な構造を示しますが、セラミック、チップスケール、フリップチップ設計では、異なる材料を使用したり、一部の機能を省略したりする場合があります。

半導体チップは、接合部に電流が流れると発光する。一般的な材料系には以下のようなものがある。

• インジウムガリウム窒化物（InGaN）： 多くの青色および緑色発光体に使用されます。白色光は通常、波長変換または混合が必要です。
• アルミニウムガリウムインジウムリン（AlInGaP）： 多くの赤色、琥珀色、黄色の発光体に使用されます。

具体的な青色の例として、Kingbright社のAPG1608QBC/Gのデータシートには、InGaNソースが挙げられています。

多くのパッケージは金属製のリードフレームを使用していますが、他のパッケージは異なる基板を使用しています。その機能には以下が含まれます。

• ダイと外部接点間の電気的接続をサポートする。
• はんだ接合部やプリント基板への熱伝導経路を提供する。場合によっては専用のサーマルパッドを使用する。

実際の熱伝導経路は、パッケージの構造によって異なります。

ワイヤボンディングされたパッケージは、細いワイヤを使用してダイのコンタクトとパッケージの端子を接続します。金は使用可能な材料の一つですが、必須ではありません。フリップチップ設計の中にはワイヤボンディングを省略するものもあり、ams OSRAMのOSLON PURE 1010アプリケーションノートには、ワイヤボンディングを使用しない例が記載されています。

シリコーン封止は、ダイを保護し、光の分布を制御するのに役立ちます。パッケージには、ドーム型、平面型、エポキシ樹脂、またはその他の光学構造が使用される場合があります。シリコーンは損傷や経年劣化の影響を受けやすいため、製造元の取り扱い、洗浄、温度、および材料適合性に関する指示に従ってください。

多くの白色LEDは、青色発光体と、一部の光をより長い波長に変換する蛍光体を組み合わせて作られています。合成されたスペクトルは白色に見え、蛍光体の選択によって色温度と演色性が変わります。RGB LEDは、米国エネルギー省のLED基礎知識で説明されているように、複数の色を混合して白色を作り出すこともできます。

下のプロセス図は、個別にパッケージ化されたSMDエミッタをディスプレイ基板上にリフローする方式と、共通基板上に直接組み立てられるCOBダイを対比させたものです。これは簡略化された図であり、すべての設計でボンディングワイヤが使用されるわけではありません。

SMDパッケージングは​​、コンパクトなアセンブリと再現性の高い製造を可能にします。その利点は、選択する部品、PCB、ドライバ、光学系、および動作条件によって異なります。

表面実装はピックアンドプレース組立とリフローはんだ付けに対応しています。手作業による組立作業を削減できますが、回路部品の数を自動的に減らすわけではありません。ドライバ、電流制限、保護回路、および熱設計は、用途に合わせて調整する必要があります。

小型パッケージにより、発光体を密に配置することが可能になります。直視型ディスプレイでは、解像度はパッケージのラベルだけでなく、ピクセルピッチと画面寸法によって決まります。ピクセルピッチとは、隣接するピクセルの中心間の距離であり、LEDパッケージの物理的な幅とは異なります。

レンズまたは封止材は内部部品を保護し、出力の形状を整えますが、すべての物理的な損傷を防ぐことはできません。下の図は、チップ、蛍光体、ボンディングワイヤ、光学カバー、熱構造、およびPCBを備えた白色LEDを示しています。これは、すべてのSMD LEDの構造を表すものではなく、一つの構造例です。

視野角は部品やメーカーの測定基準によって異なります。例えば、Kingbright社はAPG1608QBC/Gについて、半分の輝度で130度の視野角を規定しています。部品の角度輝度曲線は、ディスプレイ全体で均一な色を保証するものではなく、拡散板や二次光学系が必要になる場合があります。

マルチダイパッケージには、RGBエミッタ、複数の白色エミッタ、またはその他の組み合わせを含めることができます。Cree LEDのCLY6D-FKCは、フルカラー看板向けに設計された3色SMDの例です。下の図は、COB光源と複数の独立したSMDエミッタを含む基板を比較したもので、1つのSMDパッケージ内に複数のチップが含まれていることは示していません。

LEDは可動部品なしで発光しますが、はんだ接合部、封止材、内部接続部は、衝撃、基板の屈曲、または熱サイクルによって損傷を受ける可能性があります。信頼性を確保するには、適切な組み立てと動作条件が必要です。

下記の図表に関する補足説明：この図表は、SMDコンポーネントではなく、モバイル広告フォーマットを比較したものです。具体的には、印刷されたトラックパネル、デジタルLEDトラックまたはトレーラー、牽引式看板、自転車/バックパックディスプレイ、ラッピング車両などが挙げられます。デジタルコンテンツは電子的に変更できますが、印刷されたグラフィックは物理的に交換する必要があります。図表の視認性、コストランキング、および税額に関する記述は一般的なものであり、SMDスクリーンの検証済みの仕様や価格を示すものではありません。

用途に合った発光体を選択してください。インジケータ、白色バックライト、RGBディスプレイピクセル、赤外線光源は、それぞれ表面実装方式を採用していても、異なる製品です。

スマートフォン：

• ステータスインジケーターは、それらを含むモデルに表示されます。
• カメラのフラッシュまたは懐中電灯の光。
• 液晶ディスプレイ搭載モデルにはバックライトが必要です。有機ELディスプレイ搭載モデルにはLEDバックライトは不要です。

テレビやモニター：多くのQLEDモデルを含むLEDバックライト液晶製品は、液晶パネルの背面にLEDを光源として使用しています。これは、直視型LEDビデオウォールとは異なります。

ウェアラブル：

• 指標。
• LCD設計においてバックライトが必要な場合。
• フィットネストラッカーにおける特定の光センシング機能用の発光体。

ゲーム： RGBライティングは以下のような場面で見られます。

• キーボード
• マウス。
• コンソール。
• PCコンポーネント。

園芸：メーカー各社は栽培用途向けにスペクトルオプションを提供しており、Lumileds社の園芸向け製品群には専用設計のパッケージが含まれています。

医療機器：特殊な放射器は、以下の用途で使用されることがあります。

• 手術用照明。
• 検査用照明。
• 専用設計の光線療法機器。

UV硬化：適切な紫外線光源は、以下のものを硬化させることができます。

• インク。
• 樹脂。
• 接着剤。

赤外線アプリケーション：

• カメラの照明。
• 遠隔制御信号。

波長、出力、およびデバイス要件は用途によって異なります。一般的なRGBディスプレイ用LEDは代替品としては使用できません。Lumiledsの専門製品概要では、カメラフラッシュ、ディスプレイ、赤外線、および紫外線製品を区別して紹介しています。

SMD LEDのサイズコードは有用な手がかりにはなりますが、完全な仕様ではありません。

多くの照明パッケージの名称では、公称寸法がミリメートルの10分の1単位で表記されています。一方、インチ単位のコードを使用する製品もあります。必ずパッケージの図面と推奨されるはんだパッドパターンを確認してください。外形寸法が一致していても、フットプリントや極性が互換性があるとは限りません。

一般的な指標の例は次のとおりです。

• 3528： 約3.5×2.8mm。
• 5050： 約5.0×5.0mm。
• 2016： 約2.0×1.6mm。

一方、インチベースの0603パッケージは、 Kingbright社の0603シリーズに示されているように、約1.6×0.8mmです。命名規則を確認せずに0.6×0.3mmと読み間違えないようにしてください。

カテゴリは重複する部分があり、トップエミッション型パッケージでも高出力であったり、複数のダイを内蔵している場合があります。エミッション方向、パッケージ材料、寸法、電気的定格によって、異なる特性が表されます。パッケージ化されたSMDデバイスとの比較のため、COBについても以下に示します。

標準的な上面発光型LEDは、基板から光を遠ざけるように発光します。プラスチックリード付きチップキャリア（PLCC）を使用するものもあれば、チップ型やセラミック構造を使用するものもあります。平面光学面も可能なので、SMD LEDとして機能させるためにドーム状の形状は必須ではありません。

「上面図」とは、プリント基板（PCB）に対する主要な放射方向を指します。すべての上面図パッケージが同じビームを生成すると仮定するのではなく、データシートの放射パターンを使用して角度出力を評価してください。

一般的なサイズと用途：

• 0201 / 0402 / 0603： 小型の指示器シリーズの場合、供給業者がインチベースのコードを使用しているかどうかを確認してください。
• 0805 / 1206： プロトタイプ作成時に扱いやすい、大型のチップ型インジケータ。
• 3528： 表示器や照明製品に使用されます。定格は製品によって異なります。
• 5050： RGBまたは白色のいずれかを選択できます。 ルミレッズ社のLUXEON 5050 これは白色光製品ファミリーなので、このコードは「3つのRGBチップ」を意味するものではありません。
• 5630： 照明の照射範囲。実際の出力と定格電流を比較してください。
• 5730： これは単なる足跡であり、5630よりも優れた有効性を示す証拠ではない。

掲載されている図は、2835、5730、3030、3535、および5050のパッケージを示すものであり、縮尺図や性能ランキングではありません。

側面発光型LEDは、主出力を基板に対してほぼ平行に照射するため、基板に対して垂直に照射するタイプとは異なります。その光学特性は、エッジ照明や制約のあるアセンブリに適しています。外部パッケージは、内部ダイの正確な向きを規定しません。

光の方向：

• ボード面に沿って、法線から約90度の角度で。
• エッジライト式ライトガイドに光を結合させる際に便利です。

サイズと種類：

• 寸法や部品コードは異なる場合があります。 QT Brightek社のQBLP615シリーズ これは、側面図として記録されている一例です。

アプリケーションが含まれます：

• 互換性のあるLCDバックライト設計。
• 電卓の照明。
• ダッシュボードのインジケーターまたはライトガイド。
• その他の小型電子機器。

側面放射は、必ずしも高出力を意味するものではなく、金属コア基板を必要とするものでもありません。基板とヒートシンクは、パッケージの放熱性、熱抵抗、周囲温度、および電流に基づいて選定してください。高出力設計の場合は、放射方向に関わらず熱評価が必要です。

光の方向：多くの高出力デバイスは上向きに光を放射します。二次光学系はオプションであり、用途によって異なります。

パッケージ化されたSMD LED

• 1つまたは複数のダイと専用のサーマルパッドが含まれている場合があります。
• パッケージコードでは電力クラスは規定されません。2835および3030シリーズには、中電力デバイスも含まれます。
• 適切なモデルは、照明器具や自動車用照明に使用されています。

COB（チップオンボード）

• 複数のダイが共通の基板上に組み立てられる。
• 白色照明用のCOBは、蛍光体で覆われた発光領域を共有していることが多いが、ディスプレイ用のCOBは異なる製品である。
• 光学設計と熱設計によって、使用可能なビームと出力が決定されます。

MCOB

• サプライヤーはこの用語を、マルチチップまたはマルチCOB構成を指す場合に使用します。
• これは、温度低下や眩しさ軽減を保証するものではありません。
• 実際の構造、熱データ、測光データを比較する。

簡単な比較のための概要表

下記の図解は、アクセス可能な表によってより明確化されています。表のカテゴリは重複しており、パッケージサイズだけでは電力や品質を特定することはできません。

データシートと動作条件に基づいて、表面実装型LEDデバイスを選択してください。ディスプレイ全体の性能を評価するには、モジュール、ドライバ、筐体、画像性能も考慮する必要があります。

• 光出力： 同じ電流と温度における光度（カンデラ）または光束（ルーメン）を比較してください。表示輝度（cd/m²）は、システムレベルの別の測定値です。
• 視野角： 必要な位置で、輝度曲線と画面色の一貫性を確認してください。
• 色： RGB波長を指定するか、白色照明の場合は色温度（CCT）と演色性の要件を指定します。
• 足跡： ディスプレイの寸法、極性、パッドレイアウト、ピクセルピッチを確認してください。
• 電気的および熱的限界： 順方向電圧、駆動電流、パルスデューティ比、および冷却状態を確認してください。 Cree LEDの熱管理に関するガイダンス 接合部から周囲への熱伝導経路を説明する。

EagerLED LEDディスプレイ製品を提供しています。完成品のスクリーンを選ぶことは、個々のLEDパッケージを購入することとは異なります。設置のご提案には、スクリーンの寸法、屋内または屋外での使用、視聴距離、サービスアクセス、およびコンテンツ要件をお知らせください。ご注文前にモジュールのサンプルとその仕様を比較してください。 SMDとCOBディスプレイガイド ビデオウォールのパッケージオプションについて説明します。

SMDパッケージは、コンパクトなRGBピクセルと自動組み立てに対応できるため、ディスプレイ分野で広く使用されています。しかし、これは市場シェアを独占するものではありません。COBなどの他の方式もディスプレイ用途に利用されており、適切な選択はピクセルピッチ、環境、取り扱い、メンテナンスの必要性によって異なります。

RGBパッケージは3つの色を近接して表示しますが、色の均一性はキャリブレーション、ビニング、ドライブ設定、光学設計によって決まります。画面は想定される視野角から評価してください。記載されている最大視野角は、視野角全体にわたって明るさと色が変わらないことを保証するものではありません。

自動配置は再現性の高い生産を可能にしますが、組み立て品質は依然として重要です。「鉛フリー」とは、電気端子がないことや振動に対する耐性を意味するのではなく、材料組成を指します。キングブライト社のSMDアプリケーションノートでは、湿気、はんだ付け、機械的ストレス、静電気放電に関する注意事項について解説しています。

パッケージサイズは設計に影響を与えるが、最終的な画面の厚さと重量は、筐体の奥行き、冷却システム、電源、およびメンテナンスアクセスによって決まる。LEDバックライト搭載の液晶テレビと直視型RGB LEDサインは、同じディスプレイアーキテクチャとして扱うべきではない。

SMDはLEDパッケージの取り付け方法を示し、データシートはそのLEDの性能を示します。

寸法、光出力、駆動条件、および熱要件を用途に合わせてください。広告用LEDスクリーンについては、LEDパッケージだけでなく、モジュールと筐体全体を評価してください。仕様についてはサプライヤーと確認し、パッケージコードだけで選定するのではなく、代表的なサンプルをテストしてください。