elektronikJOURNAL

Lichtquellen
Keramiksubstrate
Bild 5: Der Riss in
einer Multi-Chip-
LED verläuft in
derselben Richtung
wie ein Spalt im
Keramiksubstrat.
Richtung und sind linear angeordnet (Bild 5). Würde man eine solche
Spalte im Substrat verlängern, liefe sie bis zum LED-Chip weiter.
Dies ist ein Indiz dafür, dass die Risse in den LED-Halbleitern
durch Sprünge im darunterliegenden Keramiksubstrat hervorgerufen
wurden.
■ Die Risse in den LED-Chips beziehungsweise dem Substrat verlaufen
im rechten Winkel zur Biegerichtung der Leiterplatte: Dieses
Phänomen tritt bei Boards auf, auf denen eine gerade Anzahl
von Schrauben vorhanden ist, wie zwei oder vier (Bild 7).
■ Die Spalten im LED-Chip treten in Form eines Bogens auf:
Wird eine ungerade Zahl von Schrauben verwendet, um das LED-
Modul mit dem PCB zu verbinden, sind teilweise kurvenförmige
Risse im LED-IC festzustellen. Sie verlaufen in entgegengesetzter
Richtung des Biegeradius der Leiterplatte (Bild 6).
Infokasten
Referenzen
Bild 6: Ein bogenförmiger
Riss bei
einer Leuchte. Die
Fixierung der LED-
Platine am Kühlkörper
erfolgte mit
einer ungeraden
Anzahl von
Schrauben.
[1] Kemet Engineering Bulletin F-2111, Ceramic Chip Capacitors
„Flex Cracks“ Understanding & Solutions, January, 1998. Jim
Bergenthal.
[2] Kemet Engineering Bulletin F-2110, Capacitance Monitoring
While Flex Testing, June, 1995. Jim Bergenthal und John D.
Prymak.
[3] Safer Technology, Ltd., Application Note AN0005, Mechanical Cracking,
The Major Cause for Multilayer Ceramic Capacitor Failures.
Bild 7: Wird zur Befestigung des LED-Boards am Kühlkörper eine gerade Zahl
von Schrauben verwendet, treten die Risse im rechten Winkel zur Verbindungslinie
zwischen den Schrauben auf.
Grundsätzliche Beobachtungen
Bei den Analysen von Cree ergab sich, dass die Risse im LED-Chip
selbst oder dem Substrat, die durch das Biegen von Platinen auftraten,
die Hauptfehlerursache bei LEDs auf Basis von Keramiksubstrat
sind. Häufig treten die beschriebenen Fehler bei MR16- und
GU10-LED-Strahlern auf.
Alle Hersteller von Beleuchtungssystemen, die über Probleme
berichteten, verwendeten neben Wärmeleitpaste und Thermotransferband
eine oder mehrere Schrauben, um eine Platine mit
einer oder mehreren LEDs auf Keramiksubstrat mit dem Kühlkörper
zu verbinden. Dies erfolgte entweder von Hand mithilfe eines
Schraubendrehers oder mit einem Automaten, der ein vorgegebenes
Drehmoment verwendete.
Zusammengefasst ergibt sich: Risse treten ausschließlich bei
Leuchtdioden auf, bei denen ein Keramiksubstrat verwendet wurde.
Nicht betroffen sind Versionen mit einer Metallfassung. Brüche
in LED-Chips verlaufen in derselben Richtung wie Risse im Substrat.
Je größer die LED-Komponente, desto höher ist auch das Risiko,
dass tatsächlich Risse auftreten. Keinen Einfluss hat hingegen
die Verwendung von Single- oder Multi-Chip-Komponenten.
Praxistipps: Ausfallraten reduzieren
Beim Bestücken von Leiterplatten lässt es sich das Biegen der PCBs
kaum vermeiden. Es gibt jedoch Maßnahmen, mit denen sich negative
Effekte auf LED-Leuchten verringern lassen:
■ Die Schrauben beim Verbinden des LED-Boards mit dem
Kühlkörper nicht zu fest anziehen.
■ Drehmoment-Schraubendreher einsetzen (bei manueller Montage)
oder automatische Systeme mit Drehmoment-Regelung.
■ Sparsam mit Wärmeleitpaste umgehen. Keine zu dicken Pads
und Thermotransferbänder verwenden.
■ Wärmeleitpaste nicht manuell auftragen, sondern kontrollierte
Dosierverfahren verwenden.
■ Wärmeleitpaste und Thermobänder großflächig aufbringen,
nicht nur unter einzelnen Komponenten wie der LED. Das verringert
die Gefahr, dass sich beim Befestigen von Komponenten das
Board durchdrückt.
■ LEDs nicht auf unebenen, konvexen oder verzogenen Oberflächen
montieren. Beim Aufbringen der LED auf dem PCB sparsam
mit Lötpaste umgehen.
■ Beim Design von LED-Boards dem Punkt Beachtung widmen,
dass die verwendeten Materialien einen ähnlichen Wärmeausdehnungs-Koeffizienten
haben.
■ Auch nach Abschluss des Bestückungsvorgangs sicherstellen,
dass die Platinen keinen mechanischen Belastungen ausgesetzt
sind, die ein Durchbiegen zur Folge haben.
■ Die Boards vor dem Trennen in einer stabilen Halterung fixieren.
Bereits beim Design einer LED-Platine darauf achten, dass
man die Leuchtdioden entsprechend ihrem Gewicht und ihrer
Größe gleichmäßig auf dem Board verteilt. Dieses Vorgehen reduziert
die Gefahr, dass sich das PCB durch Temperatureinwirkung
verzieht. (rao)
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Der Autor: Mitch Sayers ist Field Application Engineer
bei Cree Europe in Unterschleißheim.
38 elektronikJOURNAL 04 / 2013
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