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Verarbeitung von LEDs in der Elektronikfertigung

1. Fachforum in Zusammenarbeit mit Osram: LED meets SMT
Verarbeitung von LEDs in der Elektronikfertigung

LEDs bieten durch ihre verschiedensten Anwendungen nahezu unendliche Möglichkeiten an Licht. Doch die Herstellung birgt einige Stolpersteine, denen die Veranstaltung auf die Spur ging und mit Experten aus der Baugruppenfertigung diskutierte. Grundlegende Herausforderungen in der LED-Verarbeitung finden sich unter anderem im präzisen Lotpastendruck, der hohen Bestückgenauigkeit, Vermeidung von Voids in den Lötstellen sowie der sehr genauen Einhaltung aller Toleranzgrenzen.

Leuchtdioden verdrängen die herkömmliche Lichttechnik und der LED-Markt wächst überdurchschnittlich. Weil auch bei LEDs ein großer Anteil der elektrischen Leistung als Wärme abgegeben wird, sind bei der Bestückung Erfahrung und Know-how gefragt. Dass das Wärmemanagement als beherrschbare Herausforderung gilt, war eine der Messages, die die Teilnehmer am Ende des von der EPP organisierten 1. Fachforums LED meets SMT mitnehmen konnten. .

Keynote: Kurt-Jürgen Lang, OSRAM Opto Semiconductors GmbH

LEDs im SMT Verarbeitungsprozess

Die Package-Technologien der LEDs – ob im Bereich High Power, OFN oder Miniaturisierung – entwickeln sich ständig weiter, dementsprechend auch der Verarbeitungsprozess. Genügt heute noch ein Standard SMT Prozess oder wird ein Advanced Prozess benötigt? Dieser Frage wurde im Vortrag nachgegangen und Lösungen für die einzelnen Prozessschritte aufgezeigt. Am Beispiel Oslon, eine keramik-basierte LED für Anwendungen in Fahrzeugscheinwerfern mit innovativem thermischen Verhalten durch ein elektrisch isoliertes thermisches Pad, wurde ein optimales Lötpaddesign aufgezeigt. Das Pad benötigt einen geeigneten Weg, um Wärme aus dem Bauteil abführen und auf der Leiterplattenoberfläche spreizen zu können. Als Empfehlung und um konkrete Aussagen machen zu können, sollte jedes Lötpaddesign selbst erprobt werden. Der Redner ging näher auf das Half Solder Mask Defined Paddesign ein, um Toleranzen, die im ursprünglichen Leiterplattenprozess entstehen könnten, weitmöglichst im Design auszugrenzen. Zum Thema Lötstopplack wurden Lösungen für die Bauteilhersteller präsentiert, um den Einschwimmeffekt und damit einhergehend die Zuverlässigkeit zu verbessern und am Beispiel der erfolgreichen Oslon black flat untermauert. Zum Bereich Schablonenöffnung wurde die LED Oslon Compact hinzugezogen mit der klaren Herstellerempfehlung, dass je kleiner das Lötpad ist, umso wichtiger eine planare Oberfläche wäre. Die nächste Herausforderung stellt sich nach einem sauberen Design und der Bedruckung des Bauteils dann beim Bestückprozess. Denn hier benötigen speziell neue Bauteile mit Silikonoberflächen durch ihre Klebrigkeit besondere Beachtung und Vorgehensweisen. Bereits dann, wenn sich ein Entwickler auf eine bestimmte LED festgelegt hat, ist ein Augenmerk auf das Leiterplattendesign zu legen. Als nächster Prozessschritt wurde das Löten betrachtet. Bei hohen Stückzahlen eignet sich besonders das Konvektionsreflowlöten als gängigster Prozess, wobei die besten und sichersten Lötstellen unter Stickstoffatmosphäre zu erlangen sind. Der JEDEC Standard J-STD 020D.01 liefert den Bauteilherstellern Parameter zur Messung des Reflowtemperaturprofils, um eine Bauteilschädigung auszuschließen. Auftretende Cobra Cracks in Verbindung mit der Bauteillagerung in feuchter Umgebung oder Abrisse des Bonddrahts könnten zur optischen Beeinträchtigung der LEDs führen. Abschließend verwies der Redner auf die ständig überarbeiteten Application Notes für LEDs des Unternehmens als Unterstützung für einen optimalen Prozess und gab einen Trendausblick: Die Reise geht zu noch kleineren Bauteilen. Das Osram SMT-Labor ermöglicht durch eigene Trial-and-Error-Methode, dem Kunden die beste Startempfehlung für einen optimalen Prozess mitzugeben. Die nicht vernetzte Linie mit Standard Drucker, Bestücksystem, Vakuum-Reflowlötofen in Verbindung mit AOI, SPI und Röntgen bietet Möglichkeiten, den Prozess zu begleiten, auszuprobieren und zu verstehen.

www.osram.de

Ferdinand Lutschounig, AT&S AG

Cool Concepts – Thermal Conductive PCB meets LED

Der Vortrag machte deutlich, dass beim Einsatz von thermischen Leiterplatten einwandfrei ausgeführte Lösungen zwingend notwendig sind und brachte die Funktion der Leiterplatte als Wärmemanagementkomponente beim Einsatz von LEDs näher. Der thermische Widerstand ist beeinflussbar über eine möglichst hohe Leitfähigkeit bzw. möglichst große Flächen sowie die Veränderung der Leitungslänge. Die zwei führenden Werkstoffe sind Kupfer ohne dielektrische Funktion und dielektrisches Material bzw. das Isoliermaterial zwischen den leitenden Schichten. Als machbarer Weg wurden neben den Thermal Vias die Verkürzung der Leitungslänge und thermisch leitfähige Leiterplatten auf IMS Basis präsentiert. Der Vorteil von Leiterplatten mit isolierten Metallsubstraten zeigt sich in der hohen Wärmeleitfähigkeit. Zur Sprache kam auch die 2,5D Leiterplattentechnologie, wo Kavitäten in der Leiterplatte zur Positionierung elektronischer Komponenten für eine dünnerer Struktur genutzt werden. Durch Verwendung eines Hybridaufbaus besteht großes Potenzial für die Miniaturisierung. Am Beispiel der LED Oslon Square wurden die Vor- und Nachteile der verschiedenen Wege abschließend demonstriert. Zusammenfassend war auch hier zu hören, dass je eher eine Kommunikation stattfindet, desto schneller findet man gemeinsam eine Lösung im Bereich der hochwertigen Anforderungen.

www.ats.net

Jörg Trodler, Heraeus Deutschland GmbH & Co.KG

Materialien und Materialkombinationen zur präzisen Positioniergenauigkeit

Mittels Machbarkeitsstudie und einem In-situ Röntgenverfahren der TU Dresden wurden fünf SMT Kleber sowie sechs Lotpasten mit unterschiedlichen Eigenschaften auf die bestmögliche Kombination hin untersucht. Festgestellt wurde, dass es zwei mögliche Technologien bzw. Kombinationen aus Kleber und Lotpaste gibt. Es empfiehlt sich ein Überdrucken der Paste, um eine größtmögliche Anbindung zur Erfüllung der thermischen Anforderungen zu erzielen, wobei nicht jede Paste die notwendigen Kriterien erfüllt. Ohne SMT-Kleber müssen noch diverse einschränkende Faktoren berücksichtigt werden. Unter anderen sollte erarbeitet werden, wieviel Stickstoff für das Löten verwendet werden darf und ab welcher Bestückgenauigkeit des Chips eine Korrektur zwischen Bauteil-Metallisierung und Pad benötigt wird. Als weitere Schritte sollten die technologischen Grenzen beim alleinigen Einsatz der Lotpaste erarbeitet, und mit einer internen Studie nachgewiesen werden, wieviel Restsauerstoff zur Vermeidung eines Selbstzentrierungseffekts notwendig ist, bzw. wieviel Stickstoff eingesetzt werden darf, auch unter der Prämisse, dass noch andere Bauteile wie z. B. passive Bauteile, Kondensatoren oder Widerstände dabei sind. Im nächsten Schritt soll die Machbarkeitsstudie durch eine statistische Auswertung untermauert werden. Letztendlich wurde bemerkt, dass sowohl Kleber als auch Lotpaste bereits im industriellen Einsatz sind.

www.heraeus.com

Harald Grumm, Ersa GmbH

LEDs mit Lotpastendruck richtig anbinden

Die Flächenlötung unter dem Bauteil ist durch kurze Kontaktabstände für die Entwärmung günstig, stellt jedoch an die Löt-Technologie hohe Anforderungen. Dies macht Prozesse erforderlich, über die sich die für ein Schablonenlayout erforderlichen Mengen an Lot sicherstellen lassen. Am Beispiel der Osram Blue Linetm Hype TopLED wurde gezeigt, wie sich das benötigte Lotvolumen berechnet. Da die Lotpaste nur zu 50 % ihres Volumens aus Metall besteht, wird für das berechnete Lotvolumen das doppelte an Lotpaste benötigt. Das Öffnungsdesign der Schablone sollte für leichtes Drucken so groß wie möglich bei einem zu berücksichtigten Flächenverhältnis sein, gleichzeitig so klein wie nötig zur Vermeidung von Ausschöpfen sowie zur Reduzierung von Bauraum. Durch Verifizierung des gedruckten Volumens kann die Paste auf dem Pad, Kurzschlüsse, Druckversatz Verschmierungen auf der Schablonenunterseite oder eine Schablonenverstopfung, rechtzeitig erkannt werden. So ist eine einfache Fehlerkorrektur mit geringen Kosten realisierbar, zukünftig verdeckte Lötverbindungen noch voll sichtbar, so dass eine automatische Druckoffsetkorrektur und Reinigungsaktivierung über das Inspektionsergebnis möglich sind. Eine 3D-Druckinspektion im Drucker garantiert eine sichere Bewertung kritischer Depotgrößen sowie Volumeninformationen zu jedem Lotpastendepot.

www.ersa.de

Norbert Heilmann, ASM Assembly Systems GmbH & Co.KG

Präzisionsbestückung von LEDs

Bei LED-Chips weichen herstellungsbedingt Komponentenmittelpunkt und optischer Mittelpunkt voneinander ab. Bereits der kleinste Chip-Versatz führt zu massiven Verschiebungen der Lichtachsen, was bei der LED-Herstellung neuartige Methoden bei der Positionierung von LED im Fahrzeugscheinwerfer erfordern. Anhand LED Centering wurde die Möglichkeit einer perfekt nach dem LED-Chip ausgerichteten und bestückten LED demonstriert. Ein hochpräzises Bestücken von LEDs nach ihrem optischen Mittelpunkt ist unter der Voraussetzung realisierbar, dass sowohl die exakten Werte des Datenblatts der verwendeten LED als auch die CAD-Daten der Leiterplatte eingehalten werden. Des Weiteren sollte die Leiterplatte in guter Qualität vorliegen, d. h. die gefrästen Montagebohrungen müssen scharfe Konturen aufweisen, die Passmarken exakt senkrecht in die Leiterplatte mit klaren Kanten gebohrt, und die Öffnungen frei von Lötstoppmasken sein. Die Leiterplatte darf keine Verwindungen aufweisen und das Leiterplattendesign sollte so gestaltet sein, dass aus den Referenzmarken für die LED eine Mitte bzw. Winkellage exakt bestimmbar ist. Vorteilhaft sind ein kontrastreicher Verguss der verwendeten LED Bauteile mit genügend Abstand zum Rand des Bauteilkörpers, auf die LED abgestimmte Pipetten sowie Kleberauftrag zur Verhinderung einer Selbstzentrierung.

www.asm-smt.com

Axel Wolff, Asscon Systemtechnik-Elektronik GmbH

Auswirkung einer Vakuumfertigung

Bei Automotive- bzw. Power Applikationen ist ein voidfreies Löten Voraussetzung für hohe Lebensdauer sowie uneingeschränkte Leistung der Bauteile. Lunker reduzieren nicht nur die Festigkeit von Lötstellen, sie sorgen für eine eingeschränkte Wärmeabfuhr der Bauteile und für Leistungseinschränkungen bei Hochfrequenzanwendungen. Eine Reduzierung von Lunkern ergibt sich durch Optimierung der vor dem Löten stattfindenden Fertigungsschritte sowie durch Einsatz von Vakuumtechnik. Beim Produktdesign muss schon in der Entwicklungsphase der Grundstein für eine problemlose Produktion unter Vakuum gelegt werden: Vias sind in oder direkt neben Pads zu pluggen, die Pads sollten möglichst klein in Relation zum Bauteilanschluss sein, Lotpaste sparsam verwendet, und bei großflächigen zu verlötenden Strukturen ausreichend Ausgasungsöffnungen vorsehen werden. Als vorteilhaft für LEDs erweist sich der physikalische Prozess des Dampfphasenlötens, da hierbei eine Überhitzung der Bauelemente ausgeschlossen ist und eine gleichmäßige Erwärmung der gesamten Baugruppe sowie ein oxydationsfreier Lötprozess ohne zusätzlichen Einsatz von Schutzgasen stattfindet. Somit wirkt sich dieser Lötprozess positiv auf die Lebensdauer und auch Leuchtkraft der LEDs aus.

www.asscon.de

Wolfgang Runte, Koh Young Europe GmbH

Qualitätsansprüche aus der Welt des Lichts

Der Redner zeigte auf, wie die Voraussetzungen an die Fertigung von LEDs drastisch steigen und damit einhergehend die Anforderungen an die mechanische Verarbeitung auf der Leiterplatte. Hat man in der Vergangenheit die Fehler festgestellt, analysiert und die Ursachen anschließend abgestellt, steht heute die Fehlerprävention im Vordergrund. Insofern ist eine 100%ige Messdatenerfassung ein absolutes Muss für eine qualitätshohe Fertigung von LEDs. Dabei ist das auf der Leiterplatte befindliche Bauteil mit einer bestimmten Höhe rekonstruierbar, um daraus Schlüsse für die Fertigung ziehen zu können. Heute geht es nicht mehr darum, schlechte Bauteile aufzufinden, sondern Daten zu sammeln, Fehler zu vermeiden und den Prozess zu verbessern. Mit dem 3D-Rekonstruktionssystem der patentierten Moire-Analyse lassen sich neben der Höhe einer Lötstelle auch die Höhe des Bauteils sowie die Platzierung eines Bauteiles messen. Dabei sorgen nicht nur die Position eines Bauelements oder die Abstände und Winkel der Komponenten für besondere Herausforderungen, sondern auch die zunehmende Miniaturisierung. Mit Critical Distance Measurement und Brightness Optimization wurden innovative Tools vorgestellt, welche die LED-Inspektion weiter optimieren.

www.kohyoung.com

Dr. Hans Bell, Rehm Thermal Systems GmbH

LED Vakuumlöten – Möglichkeiten und Grenzen

Die Ursachen von Voids bzw. Poren in Lötstellen sind vielfältiger Natur und wurde durch Schliffbilder einer LED 0402 sowie einer Dragon LED demonstriert. Die Quellen der Porenbildung finden sich in chemischen Prozessen durch Interaktion auf der Leiterplatte, als Finish auf Bauteilen oder in der Lotpaste. Bei High-Power/High-Brightness-LEDs mit hoher Verlustleistung spielt das Management der Applikation eine wichtige Rolle. Um innerhalb einer Lötstelle das Voiding zu vermeiden, bietet sich das Vakuumlöten an. Obwohl Vakuum gerade 1 bar Druckunterschied ist, führt die Druckerhöhung zur Volumenzunahme und so zu weniger Gasblasen. Voidfrei im Sprachgebrauch bedeutet lediglich die Reduzierung der Voidrate auf ein Niveau, um für die Applikation eine hohe Lebensdauer zu garantieren und die internationalen Anforderungen an eine gute Lötstelle zu erfüllen. Am Beispiel der VisionXP+ Vac wurde gezeigt, dass Einflüsse wie Lotpastentyp, Vakuumlevel oder Peaktemperatur auf das Voiding beim Löten von LEDs einwirken. Mainstream SAC-Lote zeigen die Tendenz, dass Löten mit Vakuum die Lebensdauer und Zuverlässigkeit eines Produkts steigert. Thermisch sensitive Bauteile wie LEDs benötigen ein möglichst geringes Voiding. Der Arbeitskreis DKE/AK 682.0.7 wurde mit den Zielen gegründet, eine Normung zu Voids mit ihren Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit und die ionische Verunreinigung von Baugruppen, zu erreichen.

www.rehm-group.com

Andreas Gladis, Viscom AG

Röntgeninspektion von LEDs in der SMT-Fertigung

Zwar lässt sich die genaue Position der LED mit AOI prüfen, doch bei teilweise oder komplett verdeckten Merkmalen reicht dies nicht aus. Nachdem im Automotive-Bereich Fertigung und Kontrolle der mit LEDs bestückten Leiterplatten oft bei EMS-Dienstleistern angesiedelt ist, wurden deren typische Anforderungen als Beispiel gewählt. So dürfen u. a. maximal 25 % Poren bei nicht mehr als 6 Lotperlen mit ≦150 µm Durchmesser vorhanden sein. Poren und Lotabdeckung können sicher mit 3D-AXI erkannt werden, doch sollte eine 3D-Bildaufnahme zur Bestimmung verwendet werden, um Störstrukturen zu vermeiden. Lotperlen sind mittels 2D-Bild gut außerhalb der LED zu erkennen, innerhalb der LED kann nur eine 3D-Bildaufnahme für sichere Ergebnisse sorgen. Als wichtiger Zusatznutzen zur reinen Röntgeninspektion ist die Prozessoptimierung mittels der Prüfergebnisse zu nennen. Hier führt man im Idealfall die Inspektionsdaten der 3D-SPI, 3D-AOI und 3D-AXI Inspektionssysteme zusammen und erhält dann an der Verifikationsstation alle relevanten Daten, die für eine sichere Klassifizierung nötig sind. Zur Erfüllung der hohen Anforderungen an Qualität und Zuverlässigkeit von LEDs ist eine 3D-Röntgeninspektion zwingend erforderlich. So sind alle verdeckten Merkmale der LED mit 3D-AXI prüfbar, während die sichtbaren Merkmale mit 2D, 2.5D sowie 3D-AOI geprüft werden können. (dj)

www.viscom.de

Die abschließende Führung durch das SMT-Labor bei OSRAM rundete den informativen Tag rund um die LED-Fertigung ab. (dj)

www.epp-online.de/led-meets-smt/


Das 2. Fachforum LED meets SMT in Zusammenarbeit mit OSRAM findet am
24. Oktober 2019 in Regensburg statt.


Mehr zum Thema

Hier finden Sie die Experteninterviews
zur Veranstaltung:

https://epp.industrie.de/led-meets-smt/interviews-led/



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