A fénykibocsátó diódák (LED-ek) mint félvezető fényforrások már az 1960-as évek óta jelen vannak a gyakorlati alkalmazásban, és számos elektronikai eszközben megtalálhatóak. A nagyobb hatásfokú, áramerősségű és fényerejű LED-ek iránti kereslettel párhuzamosan nőtt az igény az új kötéstechnológiák és egyedi hővezető anyagok kifejlesztésére és bevezetésére az elektronikai piacon. Általános probléma, hogy a LED-ek és a PCB hordozók eltérő hőtágulási együtthatóval rendelkeznek, amely kedvezőtlen tulajdonságot a NanoBond kötéstechnológiájával csökkenteni lehet

1. ábra. Osram LED-tokozás és a NanoFoil

A cikk egy OSRAM (Golden Dragon) típusú LED-tokozás felületszerelését mutatja be fém-bevonatú PCB (MCPCB) hordozón. Az eredmények felhasználhatók és könnyedén átültethetők bármilyen más, forrasztható felülettel rendelkező LED és PCB hordozó szerelésére is.

NanoBond-technológia 2. ábra. Illusztráció a kötés kialakításáról A NanoFoil reaktív, többrétegű fólia lokalizált és kontrollálható hőforrásként viselkedik, amellyel az alkatrészek minimális felmelegedése mellett tehermentesített forrasztott kötés hozható létre. A NanoFoil két fő gyártott formája a standard és az ónbevonatú fólia. Az ónnal bevont változat az ezüst-, arany-, autokatalitikus (electroless) nikkel- és immerziós aranybevonatú felületekhez alkalmazható. A következő kísérletben a NanoFoil-technológia került felhasználásra OSRAM LED-tokozások MCPCB hordozóhoz történő forrasztásához. Ahogy az a 2. ábrán mutatott illusztráción látható, a kötés három felületen jön létre a LED-tok és a hordozó között. A 4 mm-es központi mag az elsődleges hőleadó eleme a tokozásnak, míg a két oldalsó kapcsolat az elektromos árammal való ellátásában játszik szerepet. A standard fólia esetében mind a LED-tokozás, mind a hordozóréteg ón, míg az ónbevonatú fólia alkalmazása során a felületek ezüstbevonatot kaptak.

A forrasztott kötés kialakítása
Elsőként az előre gyártott fólia kerül közbeiktatásra a hordozó és az ónvagy ezüstbevonatú LED-felületek közé. Ezután kellően nagy nyomás alá kell helyezni a rétegeket. A nyomás mértéke általában 5 és 50 PSI (0,3 … 34 bar) között változhat, attól függően, hogy mennyire egyenletesek a kötésben szerepet játszó felületek fóliával érintkező síkjai. Végül egy elektromos impulzus segítségével a NanoFoil-reakció aktiválható, így beindítva az ohmikus hőfejlődés folyamatát. Az aktiválással olyan öngerjesztő folyamat indul be, amellyel a fólia közel 1250 J/g energiát termel, így megolvasztván a vele érintkező forraszanyagot. A lehűlés során az ónrétegek megszilárdulnak, és a rétegek között kialakul a fémes kötés.

Megbízhatósági vizsgálat
A standard és az ónbevonatú fóliával készült forrasztott kötések szigorú vizsgálatokon estek át, melyek során az üregképződés mértékét röntgensugár és pásztázó akusztikus mikroszkóp (továbbiakban: SAM) segítségével határozták meg. A tesztek során egy kötés hibásnak minősült, amennyiben a szemrevételezés során a kötésben részt vevő rétegek szemmel láthatóan különváltak, vagy az üregképződés mértéke meghaladta az 5%-ot.

Kiértékelés röntgensugár és SAM segítségével

3. ábra. Keresztmetszeti kép a NanoBond-technológiával készültt Osram LED-ről A 3. ábrán látható kapcsolat a NanoBond-kötéstechnológia standard fóliájával készült. A kinagyított keresztmetszeten látható a NanoFoil, mindkét oldalán forraszanyaggal érintkezve. Ezen a kapcsolati részen az üregképződés közel 0% volt, és amint látható, a forraszanyag újraömlesztése végbement, és sikerrel létrejött az intermetallikus rétegződés.

4. ábra. Röntgenkép a LED központi magjáról és egyik lábáról A röntgensugár alkalmazása egyfelől indokolt volt az üregesedés vizsgálatánál, másrészt összehasonlítási alapot nyújtott a szabványos vizsgálatokhoz. Egy tipikus forrasztási kötés rétegződésével ellentétben, a NanoBond-technológia esetében egy extra réteg került közbeiktatásra, egyedi szerkezeti kialakítással, amely különbözik a széles körben alkalmazott forrasztási eljárásoktól.

5. ábra. Pásztázó akusztikus mikroszkóppal készült kép a LED-ről A SAM-vizsgálattal a kötésben létrejött anyagfolytonossági hibák meghatározása ultrahanghullámokkal történt. Az anyagban lévő eltérő akusztikus impedanciájú rétegek eltérő módon verik vissza a kibocsátott ultrahanghullámokat. A nagyobb impedancia-különbségek olyan rétegződésekre utalhatnak, mint pl. fém és levegő találkozása, ami zárvány jelenlétére utalhat.

NanoFoil vs. „Reflow”

6. ábra. NanoFoil vs. Reflow

A további tesztek célja volt meghatározni, hogy a hagyományos újraömlesztéses és a NanoFoil forrasztási eljárással gyártott LED-világítótestek hullámhossza és fényintenzitása milyen mértékben különbözik egymástól. A hullámhossz és a fényintenzitás a leginkább meghatározó fizikai tulajdonságok a LED-ek funkcióját tekintve, és épp ezért kerültek górcső alá a tesztek során. A kritikus fizikai paraméterek meghatározása rámutatott, hogy a NanoFoil-technológiának nincs negatív hatása a LED-ek teljesítményére.

Összegzés
A NanoBond-eljárás egy kiforrott technológia, amellyel különböző hőtágulási együtthatókkal rendelkező anyagok egyszerűbb és megbízhatóbb kötését lehet létrehozni. A megbízhatósági vizsgálatok bizonyították, hogy a NanoFoil-kötéstechnológiával gyártott LED-világítótestek nem csak a szigorú szabványokban előírt teszteknek felelnek meg, de képesek ugyanazt a kimeneti hullámhosszt és fényintenzitást produkálni, mint a hagyományos SMT-gyártástechnológiával készített társaik.

Források: [1] Scalzo, M., „Room Temperature LED and D-Pak Type Component-Attach and Reliability Testing” – Indium Corporation, 2010.

Fordította és átdolgozta: Kállai Miklós

Az E-Tronics Kft. honlapja