エレクトロニクスの世界では小型化の流れが続いており、その背景には、持ち運びやすさを求める消費者のニーズ、効率の向上、コスト削減など、さまざまな要因があります。特にLED（発光ダイオード）技術はここ数年で大きく成長しました。その主な要因は、照明・一般照明市場における変革です。LEDへの関心の高まりは、軍事、医療、マシンビジョンなど、ほかのさまざまな市場にも広がっています。これらの市場にとってLEDは新しいものではありませんが、より小型で高解像度、かつ均一な光源への需要は増え続けています。
FIGURE (1)
LEDの分野における部品は、基本的に「スルーホール」「表面実装」「COB（チップ・オン・ボード）」の3つに分類されます。ここでは、これらの市場向けのアプリケーションにおけるLEDの設計と使用に関して、小型化がどのように進んできたかを理解するために、それぞれを見ていきます。
スルーホールLEDは1960年代から市販されています。外形にはさまざまな種類がありますが、一般的な大きさは直径3mm～10mmです（図1参照）。
これらのデバイスは、20年以上にわたってオプトエレクトロニクスおよび技術分野の主流でした。現在でも、大型デジタルディスプレイやVMS（可変情報表示板）から、民生機器や産業機器の標準的なインジケーターまで、さまざまな用途で広く使われています。最新の技術と比べると外形は大きいものの、スルーホールデバイスには、光学系を一体化できる、製造しやすい、低コストといった利点が今もあります。また、ディスプレイやVMSなどの用途の多くは、高解像度のグラフィックやフルカラー表示のための複雑な混色を必要としません。
小型化の流れが始まったのは、1980年代から90年代にかけて携帯電話とコンピューターが急速に家庭へ普及してからのことです。表面実装部品は、実際には1960年代に開発されていましたが、1980年代後半からスルーホールデバイスに急速に置き換わっていきました。この技術によって回路の実装密度が大幅に高まり、サイズが大きく縮小されただけでなく、組立の自動化も可能になりました。手作業でのはんだ付けは次第に不要になりました。表面実装デバイス（SMD）では、PCB（プリント基板）の片面だけでなく両面に部品を実装できます（図2A～2B参照）。
図（2A）：スルーホール。表面に部品を実装し、裏面ははんだ付けのみで部品なし
図（2B）：PCBの表面と裏面に実装した表面実装部品
これにより、製造コストの削減、熱特性の改善、信頼性の向上、組立品の納期短縮といった利点も生まれました。さらに、赤・緑・青のLEDを使った高解像度ディスプレイやフルカラーの可変情報表示板も実現できるようになりました。青色LEDも1990年代に実用化され、表面実装部品の普及とちょうど重なりました。現在では、表面実装デバイスはほとんどの電子設計で第一の選択肢となっており、さまざまなパッケージの種類とサイズがあります。LEDで最も一般的なサイズは、0402（0.04インチ×0.02インチ）から1210（0.12インチ×0.10インチ）までで、ハイパワー品にはさらに大きなサイズもあります（図3参照）。
図（3）
図（4）
2000年代後半には、主に照明・一般照明市場がけん引役となり、LEDのさらなる効率向上と高密度化が求められるようになりました。その結果、COB（チップ・オン・ボード）技術が広く導入され、使われるようになりました。COBは、「ダイ」とも呼ばれる「チップ」を、ダイアタッチまたはダイボンディングと呼ばれる工程でプリント基板に直接実装する半導体技術です。個々のダイは、導電性ペーストまたははんだ付け（共晶）によってPCB上に配置され、その後ワイヤーボンディングされます（図4参照）。この技術ではリードフレームやハウジングなどの追加のパッケージがほぼ不要になるため、放熱性の向上、小型化、LEDの高密度化（必要な場合）が可能になります。
1平方インチ未満の面積に140個のLEDチップを実装
COB技術には、特に製造面で今も課題があります。たとえば次のようなものです。（A）設備投資：必要な装置は非常に特殊で高価な場合が多い。（B）多くのCOB用途では均一性と一貫性が重要なため、ベアダイ／チップはPCBに配置する前に慎重に選別・検査する必要がある。この工程にも非常に特殊な装置が必要で、コスト効率の高いデバイスにするには歩留まりも考慮しなければならない。（C）封止済みのCOB組立品は、リワークが難しい場合がある。製品全体を廃棄しなければならないこともある。リワークできる場合も、通常は工場でしか対応できない。逆に、封止していない場合は、スルーホールやSMTの技術に比べてリワークが比較的容易で、コストも抑えられる。（D）適切なダイアタッチとワイヤーボンドの信頼性を確保するには、PCBの品質、均一性、種類が重要である。ワイヤーボンディング可能な純金めっきが必要になることも多い。
現在、COB技術は主要なLEDメーカーのほぼすべてが採用しており、主に一般照明・照明市場で使われています。白熱電球やハロゲン電球など旧来の技術に代わる省エネルギーのソリューションへの需要が高まり、COB LEDの分野は急速に成長しています。この技術の改良とコスト低減が進むにつれて、COB LED組立品の市場は今後数年で標準LED市場全体を上回ると予想されています。多くのメーカーは一般照明向けの省エネルギーソリューションに注力していますが、一部のLEDメーカーは、COB技術の多くの利点を、軍事、医療、マシンビジョン、セキュリティなど、ニッチで高度に専門的な用途に生かしています。
COB技術から派生し、効率をさらに高め、より一層の小型化を可能にするのが、ダイレクトアタッチ（DA）とフリップチップの組立方式です。どちらの方式もワイヤーボンディングが不要なため、COB組立品を薄型化しながら性能を向上させることができます。現在、このタイプのダイ構造を提供しているLEDメーカーは限られています。さらに、このタイプのダイを適切に実装できる組立メーカーはさらに少数です。DAダイの主要サプライヤーはCree, Inc.で、同社のDAタイプのチップの例を図5に示します。
図（5）DAチップの上面図と底面図
1平方インチ未満の面積に140個のLEDチップを実装
COB技術には、特に製造面で今も課題があります。たとえば次のようなものです。（A）設備投資：必要な装置は非常に特殊で高価な場合が多い。（B）多くのCOB用途では均一性と一貫性が重要なため、ベアダイ／チップはPCBに配置する前に慎重に選別・検査する必要がある。この工程にも非常に特殊な装置が必要で、コスト効率の高いデバイスにするには歩留まりも考慮しなければならない。（C）封止済みのCOB組立品は、リワークが難しい場合がある。製品全体を廃棄しなければならないこともある。リワークできる場合も、通常は工場でしか対応できない。逆に、封止していない場合は、スルーホールやSMTの技術に比べてリワークが比較的容易で、コストも抑えられる。（D）適切なダイアタッチとワイヤーボンドの信頼性を確保するには、PCBの品質、均一性、種類が重要である。ワイヤーボンディング可能な純金めっきが必要になることも多い。
現在、COB技術は主要なLEDメーカーのほぼすべてが採用しており、主に一般照明・照明市場で使われています。白熱電球やハロゲン電球など旧来の技術に代わる省エネルギーのソリューションへの需要が高まり、COB LEDの分野は急速に成長しています。この技術の改良とコスト低減が進むにつれて、COB LED組立品の市場は今後数年で標準LED市場全体を上回ると予想されています。多くのメーカーは一般照明向けの省エネルギーソリューションに注力していますが、一部のLEDメーカーは、COB技術の多くの利点を、軍事、医療、マシンビジョン、セキュリティなど、ニッチで高度に専門的な用途に生かしています。
COB技術から派生し、効率をさらに高め、より一層の小型化を可能にするのが、ダイレクトアタッチ（DA）とフリップチップの組立方式です。どちらの方式もワイヤーボンディングが不要なため、COB組立品を薄型化しながら性能を向上させることができます。現在、このタイプのダイ構造を提供しているLEDメーカーは限られています。さらに、このタイプのダイを適切に実装できる組立メーカーはさらに少数です。DAダイの主要サプライヤーはCree, Inc.で、同社のDAタイプのチップの例を図5に示します。
ダイレクトアタッチ方式では、フラックスを用いた共晶接合プロセスを使うため、はんだペースト、プリフォーム、導電性接着剤が不要です。リフロー工程で高品質な接合を得るのに必要なのは、適切なフラックスとPCBだけです。標準的なCOB技術による組立品とDA接合による組立品の例を図6A～6Bに示します。
図（6A）
ダイレクトアタッチ組立品（ワイヤーボンディングが必要）
図（6B）
ダイレクトアタッチ組立品（ワイヤーボンディングが不要）
ダイレクトアタッチ方式では、フラックスを用いた共晶接合プロセスを使うため、はんだペースト、プリフォーム、導電性接着剤が不要です。リフロー工程で高品質な接合を得るのに必要なのは、適切なフラックスとPCBだけです。標準的なCOB技術による組立品とDA接合による組立品の例を図6A～6Bに示します。
フリップチップ技術では、LEDを裏返して下向きに配置し、電極をPCBに直接接触させます。ダイレクトアタッチ方式と同様に、この技術には、発光面積が広い、放熱性が高い、ワイヤーボンディング工程とワイヤーボンドによる影が不要になる、といった利点があります。フリップチップダイの接合には、はんだ「バンプ」と呼ばれるものを使います。実装工程では、これらのはんだバンプ部に（DA方式と同様に）適切なフラックスを塗布し、リフローを行います。フリップチップとPCBのCTE（熱膨張係数）の差があるため、通常はFR-4材ではなく、セラミック基板または最適化したMC（メタルコア）基板のPCBを使うことが推奨されます。フリップチップタイプのダイの主要サプライヤーはPhilips Lumiledsです（図7参照）。
図（7）
フリップチップの上面図、底面図、はんだバンプ付きの側面図
これらの技術はどちらもLEDではまだ比較的新しいものですが、前述の一般照明市場やニッチ市場で大きく広がり始めています。前述の利点に加え、スルーホールデバイスからCOBに移行することで熱抵抗が下がるため（図8参照）、製品の寿命と性能が大きく向上します。
図（8）
熱抵抗の比較（ジャンクション・パッド間）
新しい技術ではいつもそうですが、オプトエレクトロニクスの経験が豊富で、スルーホール、SMT、COBそれぞれの長所と短所を把握し、お客様の用途に最適な選択肢を提案できる企業と取り組むことが重要です。
Vincentは、ニューヨーク州レイサムのMarktech Optoelectronicsで最高技術責任者（CTO）を務めています。オプトエレクトロニクス分野で40年近い経験を持ち、LED技術に関する記事を単独または共同で多数執筆しています。LEDとその用途における多くの重要な改良は、Vincentの知見と実務経験から直接生まれたものです。