Elsőként kidolgoztunk egy szerelési módot, amely mind poliimid, mind PET-alapú hordozókon használható. Annak érdekében, hogy igazoljuk a PET-hordozó mint poliimid alternatíva használhatóságát, elektromos, zárványosodási és hőciklusteszteket végeztünk. A feldolgozhatósági és hosszú távú megbízhatósági tesztek eredményeire alapozva mutatjuk be az alacsony hőmérsékletű forrasz (SnBi-alapú SBX02 ötvözet) PET-hordozón való használatával kapott eredményeket az elterjedt SAC 305 ötvözet poliimid hordozón való felhasználásának eredményeivel szemben.
A LED-eszközök napjainkban egyre terjedőben vannak, és mind szélesebb körben használjuk őket számos alkalmazásban, úgymint az autóipari világítástechnika, közösségi és beltéri világítástechnika. További költségcsökkentés érhető el a következők szélesebb körű bevezetésével:
- LED-tokozás költségének csökkentése innovatív tokozástervezéssel és nagy kapacitású, nagy sorozatú gyártással.
- A hordozó költségének csökkentése az anyag összetevőinek és a rajzolat kialakításának fejlesztésével, a folyamatrugalmasság növelésével és a gyártási költség csökkentésével.
A poliimid (PI) a legáltalánosabban alkalmazott hajlékony hordozó, amelyet SAC-alapú forraszpasztákkal (218 °C körüli olvadási hőmérséklet) szerelnek. A polietilén-tereftalát [köznapi gyűjtőnevén poliészter (PET)] hajlékonyhordozó-technológia fejlődésével és alacsony forrasztási hőmérséklettel szerelt LED-ekkel további rendszerköltség-csökkentések válnak lehetségessé új tervezési és méretezési lehetőségek mellett.
Jelen tanulmány célja, hogy felmérje a PET hajlékony hordozók használatának megvalósíthatóságát alacsony hőmérsékletű forraszpasztával szilárdtest-világítástechnikai alkalmazásokban (Solid State Lighting – SSL).
Szerelési anyagok és alkatrészek
Közepes teljesítményű LED
1. ábra. Közepes teljesítményű LED-tokozás rajza [1]Poliimid (PI) és polietilén-tereftalát (PET) hordozók
A LED-alkatrészeket kétfajta alaplemezre, poliimid (PI) és polietilén-tereftalát (PET) anyagúra ültettük. Mindkét hordozónak hasonló vastagsága és szerkezete volt, réz-alumínium kompozitmegoldással. Mindkét anyagú 18"×12" teszthordozón 9×7-es LED-mátrixot helyeztünk el. Összesen tehát 63 LED-alkatrészt szereltünk a tesztáramkörökre. Egy PI-hordozó keresztmetszete a 2. ábrán látható.
2. ábra. A hajlékony hordozó keresztmetszeti rajza (poliimid) [2]Forraszpaszta
Vizsgálatainkban Alpha® Lumet™ P53 anyagot – egy alacsony hőmérsékleten használható, SnBi-alapú ötvözetet (SBX02) tartalmazó forraszpasztát – alkalmaztunk, amely lehetővé tette a LED-tokozások 175 °C alatti hőmérsékleten történő beforrasztását. Ezenkívül egy SAC305 ötvözetű forraszpasztát is használtunk az összehasonlítás alapjaként. [3], [4], [5]
Folyamat és szerelési részletek
Tesztmátrix
A kiválasztott tokozás, hordozó és szerelési anyagok tükrében három szerelési kombinációt használtunk. A 3. ábra mutatja be ezeket. Először poliimid hordozóra forrasztottunk SAC305 forraszpasztával, a jelenlegi ipari gyakorlatot követve. A második kombináció ismét poliimid hordozó alkalmazásával, de alacsony hőmérsékletű SBX02 ötvözetű forraszpasztával készült. Ez az együttes a hagyományos hordozó alacsony hőmérsékleten használható forraszpasztával való összeférhetőségét mutatja be. Végül PET-hordozót alkalmaztunk alacsony forrasztási hőmérsékletű forraszpasztával (SBX02 ötvözet).
3. ábra. A hajlékony hordozón megvalósított LED-áramkörök háromlépcsős kombinációjaFolyamat-paraméterek
Szokványos SMT berendezéseket használtunk a LED-tokozások beszerelésére mindhárom kombinációban.
Forraszpaszta-nyomtatás
A forraszpaszták nyomtatása stencilnyomtatóval történt, 5 mil (130 mikron) vastag, lézervágott acélstencillel 1:1 apertúra-forraszfelület méretaránnyal. Minden panel/paszta kombinációhoz szokásos nyomtatási paramétereket használtunk.
Reflow-forrasztás
7 fűtőzónás és 2 hűtőzónás reflow-kemencét alkalmaztunk a reflow-folyamatban. Minden panelt levegő-atmoszférában forrasztottunk a következő hőmérséklet/páratartalom-tartományokban: 20,4–25,2 °C / 16–47% RH. Minden hordozót elő-hőkezeltünk (kisütöttünk) a reflow-folyamat előtt. A 4. ábra összefoglalja a reflow-folyamat-paramétereket mindkét forraszpasztához.
4. ábra. Reflow-profil SAC305 és SBX02 ötvözethezEredmények és következtetések
Az utolsó szerelési változat elkészítése után a következő teszteket végeztük:
- Zárványosodási vizsgálat készült röntgenanalízissel, hogy a SAC305 és SBX02 ötvözetek viselkedését összehasonlítsuk PET- és poliimid hordozón.
- A tanulmányban kiértékeltük mindegyik szerelvény megbízhatóságát úgy, hogy minden kombinációt hőciklusterhelésnek tettünk ki. „Bekapcsolt állapotú" árammérések, majd csiszolatvizsgálatok készültek 250 és 1000 hőciklustartományban. A hőciklustesztelés -40 °C és +85 °C közötti váltásokat jelentett 30 perc hőntartási idővel.
Zárványosodási mérések és eredményeik
A zárványok csökkenthetik a teljes hőátbocsátást a LED-tokozás és a panel között. Ez a hővezetési hatékonyságcsökkenés a LED-eszközök öregedésének drámai gyorsulásához vezethet.
A zárványlefedettség százalékos értékét (a forrasztott kötés felületének arányában) röntgenberendezéssel határoztuk meg. Összesen 40 véletlenszerűen választott kötést vizsgáltunk minden forraszpaszta- és paneltípus-kombinációban.
Az 5. ábra dobozábrán jeleníti meg a zárványmennyiségeket a három paszta/hordozó kombinációra. Azt láthatjuk, hogy minden megoldás 10% alatti zárványmennyiséget adott. A PET-hordozó az Alpha® Lumet™ P53 SBX02 ötvözetű forraszpasztával hozta a legkedvezőbb eredményt.
5. ábra. Dobozábra (Box Plot) a zárványok mennyiségéről a teljes terület százalékábanAz átlagos zárványarány mindhárom kombinációban 10% alatt maradt. A legnagyobb egyedi zárványméret a méretszórás figyelembevételével bármely kombinációban 10,89% alattinak adódott.
Hőciklusmérések és -eredmények
A LED-eszközök, -modulok és -rendszerek megbízhatósága fontos szempont. Ahhoz, hogy megérthessük minden kombináció megbízhatósági teljesítményét, a kész mintákat hőciklusterhelésnek tettük ki. Minden panel- és pasztakombinációt hőcikluskamrába helyeztünk, és -40 C és +85 °C közötti hőingadozásnak tettünk ki, 30 perces hőntartási idővel. Minden kombinációt bekapcsolt állapotban vizsgáltunk, és a rajtuk átfolyó áramot mértük (6. ábra).
6. ábra. Átfolyó áram a mintaáramkörökön minden panel/paszta kombinációban 250–1000 hőciklus-tartományban [-40 °C–85 °C]
Összesen 5 áramkört mértünk minden panel/paszta kombinációban 25 V állandó bemeneti feszültség mellett 250-től 1000 ciklusig. Az ANOVA-vizsgálat azt mutatja, hogy az átlagos mért áramok eltérése a statisztikai szórás nagyságrendjébe esik (a P-érték 0,61) a forrasztás után mért áramok középértékéhez képest (31 mA), amely a kiindulási értéknek számít (T0). Az 1000 hőciklus utáni eredmények nem mutatnak szignifikáns eltérést a kombinációk között az áramértékeket illetően.
Összefoglalás
- PET-hordozó Alpha® Lumet™ P53 forraszpasztával, SBX02 ötvözettel használható a poliimid hordozójú SAC305 alapú forraszpasztával készült termékek reális alternatívájaként LED-es termékekben, egyes szilárdtest-világítási alkalmazásokban.
- Minden tesztáramkör megfelelt a „bekapcsolt állapotú" áramvizsgálaton, ami azt jelzi, hogy a forraszkötésben, a LED-tokozáson belül, illetve a szerelt panel áramkörében nincsenek kritikus hibák.
- A röntgenes vizsgálatok minimális zárványosodást mutattak, amelyek elérik vagy túlszárnyalják a tipikus SSL-alkalmazásokkal szembeni ipari elvárások szintjét.
- Minden paszta/panel kombináció közepes teljesítményű LED-alkatrészek használata mellett „túlélte" a -40 °C és +85 °C közötti, 30 perces hőntartási idő melletti 1000 hőciklust.
Összefoglalhatjuk, hogy PET-hordozón, alacsony olvadáspontú forraszpasztával készített LED-áramkörök számos előnyt hordozhatnak:
- Lehetővé tehetik a rendszerköltség csökkentését alacsony költségű panelstruktúra és anyagok használata révén.
- Csökkenthetik a felhasznált energia mennyiségét és költségét az alacsonyabb forrasztási hőmérsékletnek köszönhetően.
- Alkalmazhatóvá tehetik a LED-chipek forrasztása számára a SAC forraszanyagokat.
Szerzők:
Amit Patel, Rahul Raut, Ranjit Pandher, Ph.D., Ramazan Soydan, Westin Bent and Ravi Bhatkal, Ph.D., Alpha, an Alent plc Company
Brent Sweitzer, James Toonen, Bob Hanson, Multek
Irodalomjegyzék
[1] „LUXEON 3535L, Assembly and Handling Information – AB203"
[2] „Multek Q-Prime® Product Bulletin REV B"
[3] Morgana Ribas, Sujatha Chegudi, Anil Kumar, Ranjit Pandher, Rahul Raut, Sutapa Mukherjee, Siuli Sarkar, Bawa Singh „Development of Low-Temperature Drop Shock Resistant Solder Alloys for Handheld Devices"
[4] Ribas Morgana, Chegudi Sujatha, Kumar Anil1, Pandher Ranjit, Mukherjee Sutapa, Sarkar Siuli1,Raut Rahul and Singh Bawa „Low Temperature Alloy Development for Electronics Assembly"
[5] Morgana Ribas, Ph.D., Sujatha Chegudi, Anil Kumar, Sutapa Mukherjee, Siuli Sarkar, Ph.D. Ranjit Pandher, Ph.D., Rahul Raut, Bawa Singh, PhD, „Low Temperature Alloy Development for Electronics Assembly – Part II SMTAI-2013"
