Lichtemittierende Dioden (LEDs) sind längst zum festen Bestandteil unseres Lebens geworden – ob als Kfz-Leuchtmittel, Leuchtanzeigen oder Displays. Langlebiges Licht erfordert die richtige Anbindung an die Baugruppe – mit der integrierten 3D-Zeilenkamera des Schablonendruckers VERSAPRINT 2 Ultra3 lässt sich das Druckergebnis dreidimensional bewerten.

Fachbeitrag | Erschienen in: EPP 10 / 2018
Autor: Harald Grumm

Licht emittierende Dioden, kurz LEDs, haben seit ihrer Erfindung im Jahre 1962 Einzug in alle Bereiche unsers Lebens gehalten. Sie leuchten am Kraftfahrzeug unseren Fahrweg aus, informieren in Form von Leuchtanzeigen, warnen mit ihrer Leuchtkraft vor Gefahren und zeigen uns die Welt auf großen Displays. Durch ihre hohe Effizienz haben sie heute viele andere Leuchtmittel verdrängt.

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Doch schon Goethe lässt seinen Götz von Berlichingen sagen: „Wo viel Licht ist, ist starker Schatten.“ Dieser Spruch gilt auch heute noch und besonders für die LED.
Sie gibt uns ihr langlebiges Licht nur mit der richtigen Anbindung an die Baugruppe. Hier spielt die Entwärmung eine große Rolle. Gerade durch die Miniaturisierung der LEDs entstehen hohe Leistungsdichten auf kleinen Flächen. Es werden hochwertige Lötverbindungen benötigt, um die gewünschte Wärmeableitung sicher zu stellen. Dünne Lotspalte und wenige Voids sind hier das Ziel. Denn auch die effizientesten LEDs verwandeln mehr als die Hälfte der eingespeisten Energie in Wärme, die abgeführt werden muss damit die LED keinen Schaden nimmt. Im Vergleich dazu wandeln die vor der LED gebräuchlichen Glühlampen sogar 95 % der zugeführten Energie in Wärme.
Viele LED-Bauformen benötigen ein exaktes Lotvolumen für ihre elektrische Anbindung. Die Gehäuseformen der heutigen LEDs verzichten weitestgehend auf bedrahtete Anschlüsse. Pad-Flächen auf der Unterseite der LED stellen die Anbindungspunkte zur Baugruppe dar.

Das führt zu minimalen Abmessungen und geringeren Herstellkosten. Es bedeutet aber auch, dass hier Lötverbindungen entstehen, die ein exakt definiertes Volumen benötigen, um die geplanten Parameter zu erzielen. Flächenlötungen verändern bei Volumenschwankungen ihre Lötstellenhöhe, anstatt, wie z. B. ein Gull-Wing-Anschluss, den Lotminiskus zu ver größern ohne den Lötspalt zu ändern. Das heißt Volumenschwankungen bei der Bedruckung führen zu Verkippungen der LED oder sogar zu offenen Lötverbindungen, wenn das Lotvolumen die LED an einem Pad zu stark anhebt. Daher ist eine vollständige Betrachtung der Montagebedingungen auf der Baugruppe sinnvoll:

• Welche Pad-Größen sind anzustreben, um gleichmäßig drucken zu können?
• Wie gestalte ich die Lötstoppmaske damit die Pad-Größen nur geringe Toleranzen zeigen?
• Kann ich die Leiterplatte im Bereich der LED eben halten, damit der Druckprozess konstant bleibt?
• Wie entwärme ich die LED ohne bei der Lötung Probleme zu erzeugen?
• Welches Lotvolumen ist für die unterschiedlichen PadAbmessungen sinnvoll?
• Wie können die Druckergebnisse verifiziert werden?

Beim Layout gibt es oft sehr gute Vorgaben durch den Hersteller der LED. Für die Prozessführung sind eher selten Empfehlungen vorhanden. Generell ist es sinnvoll das gedruckte Volumen für eine Lötstelle mit einer dreidimensionalen Inspektion zu überwachen. Ersa bietet hier mit dem VERSAPRINT2 Ultra³ einen Schablonendrucker, der über eine integrierte 3D-Zeilenkamera verfügt, die in der Lage ist das Druckergebnis dreidimensional zubewerten. Die Integration in den Drucker erlaubt sinnvolle Funktionen, die von nachgeschalteten Lotpasteninspektionssystemen nicht geleistet werden können: Beispielsweise können unbedruckte Leiterplatte automatisch zyklisch auf ihre Nullhöhenreferenz vermessen werden, um Chargenschwankungen automatisch in der Volumenmessung zu kompensieren. Auch eine erneute Bedruckung zur Reparatur von unzureichenden Drucken kann, durch den Bediener, direkt nach der Inspektion erfolgen.

zum Vortrag

Im Rahmen des Vortrags wird gezeigt, wie aktuelle LED-Bauformen sinnvoll bedruckt werden können und welche Risiken für den Druckprozess bestehen. Es wird aufgezeigt, wie das Volumen einer typischen Flächenlötung berechnet werden kann und wie das kalkulierte Volumen optimal auf die Pads der Leiterplatte gedruckt werden sollte. Denn nur ein optimal gestalteter Druckprozess ermöglicht eine fehlerarme und zuverlässige Anbindung der LED an die Baugruppe.

ein Statement

Die kosteneffiziente und zuverlässige Produktion von Elektronik-Baugruppen ist eine Schlüsseltechnologie für die Zukunft. Besonders für die LED ergibt sich eine rasante Entwicklung. Hohe Lichtausbeute bei minimalen Abmessungen und geringen Leistungsaufnahmen sichern ihren Einsatz in modernen Baugruppen. Aber gerade die Kombination aus Optik und SMD-Montagetechnik hat ihre Tücken. Für die elektronische Funktion eines Bauteils spielt die räumliche Anordnung auf der Baugruppe in der Regel keine Rolle – für optische Funktionen hingegen schon. Verdreht oder verkippt eine LED, ändert sich die Ausleuchtung oder der Abstrahlwinkel. Daher ist für die Verarbeitung von LEDs besondere Sorgfalt beim Lötprozess notwendig. Dabei steht im Vordergrund die Auslegung der Lötverbindung – angefangen beim Pad-Layout über die Definition und Verifizierung des gedruckten Lotpastenvolumens bis hin zur fertigen Lötverbindung. Moderne Anlagentechnik bietet viele Möglichkeiten zur Kontrolle und Unterstützung der Fertigungsprozesse. Aber bei der Planung der Bedruckung spielt Ihr Know How eine wesentliche Rolle. Kümmern Sie sich bereits im Vorfeld der Produktion um Bauteile mit einem hohen Risikopotential, damit die Lösung im wahrsten Sinne des Wortes zum leuchtenden Beispiel wird.

Harald-Grumm
HARALD GRUMM
PROJEKTLEITER SCHABLONENDRUCK

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