技術ブログ

LED実装が終わったので後は光らせるだけです。

こちらが、秋月電子さんで販売されているHT16K33を使ったLEDドライバ基板。

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簡単に入手できるのが良い点ですが、仕様書を見てもLED電流がどれくらい流れるのか、電流量を設定できるのかどうかがよくわかりません。ちゃんとしたLED評価には向かないICかと思います。
全体の明るさは16段階で変更できますが、LED一個ずつの明るさを変更することはできません。

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LEDを実装する基板、ウラにこの基板が載るようになっています。
また、ICはI2Cで制御し、ジャンパー設定で8個までアドレス設定ができますので、最大8枚の基板を並べて動かすこともできます。

並べて動かすことを想定し、基板には電源とI2Cのラインを簡単に半田付けできるようにしてあります。
上の写真は2枚の基板を並べた状態。SCL, SDA, VDD, GNDと書かれたところが隣り合う基板同士接続できるようになっています。

まずは1枚を接続。
HT16K33基板を半田付けし、マイコンボードのI2Cとも半田接続します。

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点灯させるプログラムを作製し、書き込んで点灯の確認を行います。

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このICはホビー用にもたくさん使われているようで、動作させるためのヒントがたくさんあり簡単に動かすことができました。

写真では下から3行目が暗くなっていますが、時分割駆動とシャッタースピードの関係でこのように見えるだけで実際は全面が均一に発光しています。

いよいよこの基板をたくさん並べて、弊社のもう一つの技術「貼合」技術を使って完成を目指します。

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さて、完成したLED実装基板にLEDを実装します。

弊社保有のminiLED実装機は、基板周辺などにアライメントマークが必要です。今回は、下の写真のように、基板四隅と長辺中央部に配置しました。アライメントマーク周辺とLED実装部はレジストを形成することができず、真っ白の基板というわけにはいきません。
このアライメントマークを使って、±25um(3σ)の位置精度でLEDを搭載します。そのため、アライメントマークの真円度が悪かったり傷がついていたりすると実装エラーが起きてしまうことがあります。
±25umというとかなりの位置精度なんですが、LEDチップ自体が100～200umだったり、接続PADが100umギャップもなかったりするため、チップによってはこれ以上精度が悪いと接続できない場合も出てきてしまいます。当然、基板のパターン精度も高いものが要求されます。デモ機では安価なFR-4基板でも対応できるよう、パターン設計を工夫しています。

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LED搭載部の拡大です。
ベアチップのLEDがレジスト開口部に搭載されていることがわかるかと思います。

このLEDでサイズは0.2×0.38mm。肉眼では少し離れるとほどんど見えなくなります。LEDサイズに比べて基板の銅箔のギャップやスルーホールの大きさが目立ちますね。

LEDと基板の接続は特殊なはんだ材料を使っています。一般的なクリームはんだと同じように印刷してその上にチップを乗せます。半田印刷量が多いとチップを乗せたときに滑ってしまうため、塗布量のコントロールも重要です。

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5mmピッチで実装されたLEDを少し離れたところから写したのが下の写真です。
今回は基板メーカさんの標準仕様ということでレジストは1回塗布でした。写真をよく見ると、銅箔のない部分の白さと、銅箔の上の白色は違いがあって、銅箔の上は少しピンク色になっています。白さをより求める場合は、レジストを2回印刷するなど、対応が必要になりそうです。

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作った基板は128チップ/基板と搭載数としては少なく、お手軽です。
そのため、作製した基板を使って新しくミニLED実装機を扱うエンジニアの練習にも使ってもらうことができました。
基板裏面のアノード端子とカソード端子に電源を繋ぎ、点灯することを確認。マトリクス接続されているので、適当にプローブを当てることでどこかが光ります。

次はいよいよ全体の点灯です。

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営業技術グループのRです。

miniLEDの主な用途はバックライトとディスプレイだと思われます。
バックライトはiPad Proで採用されたことで特に有名になりましたね。そんなバックライト用の光源をイメージしたデモ機が弊社にもあったのですが、長年(?)の活動により破損してしまいました。

そこで、新たなバックライト光源をイメージしたデモ機を作ることにしました。

主な目標は次の通りです。

1. LEDはマトリクス配置されて、ある程度自由に点灯制御できること。
2. あとからピッチ違いの基板を起こしたくなった時にも対応できること。
3. 4辺ともLEDと基板端の距離をハーフピッチにしてタイリングできるようにすること。
4. なるべく安価(重要！)で、壊れにくいこと。

色々調べていくと、LEDのコントロールには、8x16個の制御ができるHT16K33 というICを使えば良さそうということになりました。
気になる点はDimming機能で全体まとめての明るさコントロールはできますが、中間調表示ができないことと、流れる電流が少し多そう、という点でした。メリットは、簡単に取り扱えそうなことと、専用の基板が秋月電子さんでたくさん売られていることです。しかも一枚250円。
中間調表示ができないのはデモ機のため割り切り、電流については電流がある程度流せるものを選ぶことにしました。弊社取り扱い実績のある最小サイズ(0.1mm×0.2mm)が使えないのは残念です。

で、完成した基板がこちら。

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LEDは5mmピッチで、8行16列の128個が一枚の基板の上に乗せられるようになっています。
4辺のLEDまでの距離は2.5mmとしたので、この基板を並べるとタイリング表示ができるようになるはずです。制御プログラムは大変そうですけど。

基板は一般的なFR-4基板。デモ機としてある程度扱いやすいように、1.2mmという厚めの基板を使っています。

この基板の工夫した点としては、

1. 秋月電子さんで売られているHT16K33基板をはんだ付けして使えるようにした。
2. ミニLED実装時に基板裏に部品が載っていると受け台の作成が必要なので、LED実装後にLEDドライバを実装するようにした。この構造だと、ピッチ違いの基板でも対応ができる。
3. タイリング時に隣の基板と電源・信号ラインを接続できるようにして、組み立てやすくした。
4. 他のICでも制御できるように、16ピンのアノード×8ピンのカソードのLEDマトリクスとして配線を引き出せるようにした。

などがあります。

次回はこの基板にLEDを実装し、点灯させてみたいと思います。

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LED実装の技術を応用し、バーサライタを作製してみました。海外ではPersistence of Vision (PoV)の方が一般的かもしれません。

回転体にセンサーを取り付け、位置に応じた発光を制御することで画像を出す、というものです。

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営業技術グループのRです。

今回は、透明FPCにミニLEDを実装した例をご紹介します。

ミニLEDはそのサイズ(0.1mm角～)から、LED単体ではほとんど視認できません。そのため、透明な基板の上に実装したら、非点灯時には透明な表示体ができるのではないかと考えました。
まずは作成したデモ品の動作の様子をご覧ください。

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作成した透明FPCは、パターン幅0.04mm(40μm)の配線を使っています。
40μmの配線というのは、人間の髪の毛の太さ(50～100μm)よりも細い配線となります。

理想は「視認できない配線」ですが、FPCを作成する上では通常はこの程度の配線幅が限界となります。
静電容量タッチパネルでは、今回のFPCより1桁細い4μm程度の配線が使われる例があります。さらに銅の色を目立たなくするため、黒化処理がなされる場合もあり、そういった技術でパネルを作成すれば配線はほとんど見えなくなります。ただし、あまり細い配線では、電流を流すこともできなくなるため、視認性と電流容量のバランスをとる必要があるかもしれません。
今回作成したパネルも、マトリクス駆動のコモン電極は18個のLEDの電流が集中するため、40μm幅の配線を3本並列に接続しています。

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FPCに実装したLEDは、むき出しのままだと外力で簡単に取れてしまいます。
チップサイズがあまりに小さいために接続面積が小さく、強度はどうしても低くなってしまいます。
そのため、チップを保護するため、少し厚めのOCAと透明フィルムでLEDをカバーしました。LEDチップ自体は0.1mm程度の厚さで、チップの周りを確実にOCAで埋めることと、外力がかからないようにするため、厚さ1.0mmの柔らかいOCAを使用しました。

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FPC、保護フィルム、どちらも曲げられる素材のため、写真のように曲げられる透明ディスプレイを作製することができました。

通常、硬いLEDチップをFPCに実装しても、実装部を曲げることは実装部が破壊してしまうため、避けたほうが良いです。ミニLEDの場合、チップサイズが小さいため、FPCを曲げてもチップ部の変位は大きくなく、保護フィルムと厚めのOCAも手伝って簡単には剥離しないようです。

もっと大きな基板にたくさんのLEDを並べて透明電光掲示板を作ってみたいのですが、デモ品作製の予算もありまして、この規模となっています。
ミニLEDの搭載自体は30cm角の基板への搭載まで対応していますので、大きな基板への搭載も可能です。また、タイリングすればさらに大きなディスプレイも作製可能です。ご興味のあるお客様はぜひお声がけください。

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営業技術のRです。

0.1mmクラスのサイズのLEDという、なかなか見る機会のないミニLEDについて、一灯ずつ点灯させて見た目を確認できるデモセットを作製してみましたので、ご紹介します。

作ったものが、こちら。

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ミニLED単灯デモセット作製 の続きを読む

営業技術のRです。

新型コロナウイルス対策で、あちこちにアクリル板や透明なフィルムのカーテンを見かけるようになりました。

防沫のためには物理的な仕切りが一番ですが、接客業においてはお客様との距離感を近くするため、視覚的な支障はできる限りゼロにするのが望ましいのではないでしょうか。

というわけで、弊社の貼合技術のご紹介も兼ねて、アクリル板に低反射フィルム(ARフィルム)を貼り合わせたサンプルを作ってみました。

まずは、ARフィルム無しの状態から。

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アクリル板へのARフィルム貼り付け の続きを読む

(前回の続き)

完成した4枚のFPCを横一列に並べます。
LEDとLEDの間は0.1mmしかないため、FPC同士の接続も0.1mm以下でFPCを切断し、つなぎ合わせなければいけません。

顕微鏡を覗き込みながら慎重にカット、接続を行いました。

それを透明アクリル板に貼り付け、デモセットの完成です！

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mini LED 点灯基板 その7 の続きを読む

(前回の続き)

制御基板、FPCが完成したので、次はいよいよLEDの実装です。

今回はACF実装を選択しました。FPCにACFを貼り付けたのち、FPCに弊社保有のmini LEDボンダーを使ってミニLEDを搭載します。ボンダーの搭載精度は25um(3σ)で等ピッチに並べるだけですから精度よく搭載することができます。

そして圧着。
圧着ヘッドでLEDを上から押さえます。

出来上がりが下の写真。(後から撮ったので異物がたくさん付いていますが、もちろん完成直後はもっときれいです)

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小さくて軽いLEDのため、ACF圧着時に押されて左右にずれが発生しているようです。
0.2mmピッチで並べているので、0.1mmの間隔になりますが、微妙にばらついているのがわかります。

今回は手持ちのACFを使ったのですが、より高精度に圧着するにはACF材料や条件の最適化が必要になりそうです。

そして、点灯確認！
LEDドライバICの評価基板に中継ボードを使って点灯させます。

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mini LED 点灯基板 その6 の続きを読む

(前回の続き)

PCBに実装できたため、次はFPCの上に実装に挑戦です。

完成後の写真を紹介します。一色のLEDを密に並べたデモです。

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mini LED 点灯基板 その5 の続きを読む

前回の続きです。

LEDの実装を行いました。

まず、接合材料は、異方性はんだとすることにしました。異方性はんだは熱硬化性樹脂の中に半田粒子が分散している材料で、加熱処理を行うことで半田粒子が凝集・溶融することで電気的な接続が行われ、同時に樹脂が硬化して機械的な固定も行われる材料です。

まずはペースト状の異方性はんだ材料を塗布します。

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評価用LED実装 その2 の続きを読む

営業技術グループのRです。今回は、作ってみたシリーズではなく、文章だけです。

5Gのサービスが始まり、徐々にサービスエリアが広がっているようです。
5Gといえば、高速・低遅延・多端末が特徴のようですが、高い周波数まで使われるのも大きな特徴ですね。
日本では現在のところ、Sub6(サブシックス)の3.6GHz～4.6GHzの範囲と、ミリ波の27GHz～29.5GHzが5Gに使われている電波の周波数帯のようです。
ちなみに4G(LTE)は700MHz～3.6GHzの各バンドが使われており、それより高い周波数を使うことになります。

5Gでは、使う周波数が高いため、アンテナのサイズも小さくなります。4GHzの1波長は7.5cm、ミリ波の30GHzでは1波長が1cmとなります。アンテナは1/10～1λくらいのサイズのものが多いですから、数ミリから数センチのアンテナを使うことになりそうです。

周波数が高い電波はより光に近い特性を持つようになり、建物などの障害物を回り込んで電波が届かなくなります。そのため、5Gではアンテナ技術が重要になると言われています。

一方で、題名にも書きました「メタマテリアル」。
「メタ」は「超越した」といった意味があり、自然界には存在しない特性を持つ材料・素材のことを差します。比誘電率や比透磁率は真空が1で、それ以上小さい物質は存在しないのですが、適切に材料設計をおこなうことで、特定の周波数の電波に対して、これらの値が1より小さく、マイナスになる場合もあるようなものが作り出せるそうです(浅学の私には付いていけない領域です)。
そうなるとどうなるかというと、電波を完全に反射したり、ロスなく回折させたりといったことが可能になるとのことで、このメタマテリアルによって5Gの電波を広い範囲に届けられないか、とぼんやり思っていますが、きっとそこら中で研究・開発されていることと思います。

メタマテリアルは狙った波長の長さから数分の1のサイズくらいの金属の構造を作る必要があります。棒だったりリングだったり、いろいろ研究されているようですね。
この「波長より小さいサイズ」、光だとナノメートルサイズの構造になってしまって大変そうですが、5Gの周波数くらいだと数mm～10数mmくらい。印刷などで十分作れる範囲ではないでしょうか。
印刷で平面上に並べたメタマテリアル構造、これを積層したりすると様々な特性が得られるようになるのではないでしょうか。

ここでようやく(本当にようやく)、弊社の出番です。
アンテナや反射板は、存在感がないほうが良いでしょうから、透明なフィルムやガラスにパターンを作りこむことがあるかと思います。
こういった部材を位置精度高く、多層で、様々な素材間で貼り合わせを行う、といったことは弊社の貼合加工の得意とする分野となります。高周波の損失を抑えるために、基材や貼合材料は特殊なものになることもあるかと思います。新規開発の材料評価に弊社の設備をご利用いただくこともできます。
変わった貼合、材料は(少なくとも営業的には)大歓迎ですので、ぜひお声がけいただければと思います。

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評価用LED実装 その1 の続きを読む

前回の続きです。

完成した2枚の基板、Lumissilの評価ボードのLED基板と差し替えできるようにしているので、載せ替えて完成です。

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mini LED 点灯基板 その4 の続きを読む

前回の続き。

『Lumissil のLEDドライバIC用評価ボードに使われているLEDマトリクス基板の置き換え基板』(長い)、完成したものが次の写真です。

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ノウハウに関わる部分のため、あまり詳細に紹介できませんが、写真はすでにLEDが実装されている基板となります。

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mini LED 点灯基板 その3 の続きを読む

前回の続きです。

LEDドライバIC、調べてみると、各社さんからいろいろなものが出ているようです。

その中でデモ機用に選択したのはISSI(現Lumissil)さんのIS31FL3743B。選んだ理由は次の通りです。

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mini LED 点灯基板 その2 の続きを読む

技術ブログをはじめました。

イングスシナノの技術を使った、具体的な実施例を紹介できればと思います。

が、弊社は基本的には受託加工業者で、日々作業を行っている製品は、お客様の機密となるため、そのままご紹介することができません。
そのため、展示会用に作製した展示サンプルや、内部評価用に実施した加工の中から、開示できる範囲でご紹介していきたいと思います。

まず最初は、ミニLEDの展示に使った点灯基板と、ミニLEDの実装例をご紹介します。

下のような展示品の解説となります。

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mini LED 点灯基板 その1 の続きを読む