Ursache von Brüchen bei Keramiksubstraten von LEDs

Das Verformen oder Biegen von Platinen ist beim Bestücken von Leiterplatten mit elektronischen Bauteilen unvermeidlich.

Bild 1: Risse in LED-Chips und dem dazu gehörigen Keramiksubstrat, die durch ein Verbiegen der PCBs entstanden, zählen nach Untersuchungen von Cree zu den häufigsten Fehlerursachen bei LED-Beleuchtungssystemen.Cree

Bei Komponenten mit Keramiksubstrat, kann das Mikrorisse hervorrufen und den Ausfall des Bauteils provozieren. Dieses Phänomen tritt unter anderem bei LED-Beleuchtungssystemen auf, wie Analysen von Cree ergaben. Bei den Untersuchungen wurden einer oder gar mehrere Risse im LED-Chip selbst und im Keramiksubstrat festgestellt.

Die Hersteller von mehrlagigen Keramik-Kondensatoren in Chip-Bauweise (MLCCs, Multi-Layer Ceramic Chip Capacitor) haben die Ursachen der Rissbildung erforscht. Wenn ein Board gebogen oder durchgedrückt wird, erhöht sich vor allem an den Lötpunkten die Spannung. Dies ist speziell bei Keramik-Materialien problematisch, denn diese sind hart und wenig flexibel. Jede Biegespannung wirkt sich somit direkt auf den Korpus von Elektronikbauteilen aus und führt unter Umständen zu Rissen oder Brüchen.

Bild 2: Aufbau einer typischen LED-Leuchte.Cree

Die Schäden lassen sich anfangs in vielen Fällen nur schwer identifizieren, zumal sie nicht in jedem Fall einen sofortigen Systemausfall hervorrufen. Erst nach längerer Betriebszeit und unter Einfluss von Umweltfaktoren wie Feuchtigkeit vergrößern sich die Bruchstellen und führen zu Fehlfunktionen. Bei LEDs und entsprechenden Beleuchtungssystemen lässt die Lichtleistung einer Leuchte stark nach, ein Flackern tritt auf oder sie fällt komplett aus.

Von Aufbau und Verformung

Bild 3: LED-Boards mit Kühlkörper: Um eine enge Verbindung zwischen beiden Komponenten sicherzustellen, finden häufig neben Metallschrauben auch Wärmeleitpaste und Thermoband Verwendung.Cree

Bei einer LED-Leuchte wird das Board im Normalfall mithilfe einer oder mehrerer Schrauben am Aluminium-Kühlkörper beziehungsweise Gehäuse befestigt. Zwischen der Platine und dem Kühlkörper ist zudem eine Wärmeleitpaste oder ein Löt-Pad vorhanden, um die Wärmeabführung zu verbessern. Abhängig von der Größe und dem Design der Leuchte wird zudem innen oder außen ein Treiber-Baustein implementiert.

Es gibt mehrere Situationen, in denen es zu einer Verformung von Printed Circuit Boards (PCBs) kommen kann:

Anziehen von Schrauben

Bild 4: Die Richtung der Kräfte, die beim Biegen eines PCB auf eine LED einwirken.Cree

Bei der Montage von Leuchten wird das LED-Board mithilfe von Schrauben am Kühlkörper fixiert. Dies erfolgt manuell oder mithilfe von Automaten. Dabei kann es zu einem Durchdrücken des PCB kommen. Dadurch entsteht an den Lötpunkten eine erhöhte Spannung (Bild 4). Diese wird unmittelbar an das Keramiksubstrat und die LEDs weitergegeben, die über eine eutektische Legierung verbunden sind.

Unebene oder konvexe PCB-Oberfläche

Der Biegeradius einer Platine kann sich bei der Montage der LEDs zusätzlich vergrößern, wenn die Oberfläche des PCB uneben, konvex oder verzogen ist. Dies tritt vor allem auf, wenn Wärmeleitpaste von Hand aufgetragen wird. Um während des Betriebs die Wärme eines LED-Chips abzuführen, reicht es in manchen Fällen aus, unter der Leuchtdiode ein Thermotransferband oder Wärmeleitpaste zu platzieren.

Doch damit steigt das Risiko, dass die Oberfläche der Platine uneben wird und sich der Krümmungsradius beim Anbringen der Schrauben erhöht. Selbst, wenn es die gesamte Oberfläche der Platine bedeckt, schafft ein dickes Thermotransferband unter dem LED-Board nicht immer Abhilfe. Im Gegenteil: Die hohe Elastizität des Bands kann dazu führen, dass die Anziehung der Schrauben zu fest erfolgt und sich dadurch die Leiterplatten-Oberfläche verzieht.

Reflow-Löten des LED-Boards

Eine Krümmung des PCB kann auch während des Reflow-Lötens der LED-Platine auftreten. Das ist der Fall, wenn das Printed Circuit Board aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht. Wird beim Löten eine große Menge an Wärmeleitpaste auf dem PCB aufgebracht, erhöht das unter Umständen die Empfindlichkeit für thermische Spannungen. Steigt im laufenden Betrieb die Temperatur einer LED, kann das Risse am Lötpunkt hervorrufen.

Stanzen und Trennen von Leiterplatten

Aus Kostengründen bestücken Hersteller meist gleichzeitig mehrere LED-Boards, die miteinander verbunden sind. Nach dem Reflow-Löten beziehungsweise einer Testprozedur trennt man die Platinen mit einer Stanzmaschine oder von Hand. Auch dabei kommt es häufig zu Verformungen der Boards. Derselbe Effekt tritt auf, wenn die Montage der LED-Platinen nicht in der vorgeschriebenen Weise erfolgt.

Typologie von Rissen

Cree hat bei Untersuchungen von defekten LED-Leuchten festgestellt, dass bestimmte Formen von Rissen in gehäuftem Maße auftreten:

Bild 5: Der Riss in einer Multi-Chip-LED verläuft in derselben Richtung wie ein Spalt im Keramiksubstrat.Cree

• Die Risse im LED-Chip und im Substrat verlaufen in derselben Richtung: Zu den Fehlerursachen, die laut Cree bei LED-Halbleitern am häufigsten zu beobachten sind, zählen zu niedrige Strom- und Spannungswerte beziehungsweise Leckströme und -spannungen. Sie treten vor allem dann auf, wenn neben einem Riss im LED-Chip ein weiterer im Keramiksubstrat vorhanden ist, auf dem die Leuchtdiode aufgebracht ist. Beide Risse verlaufen in derselben 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.

Bild 6: 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.Cree

• 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 6).

• 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 7).

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.

Bild 7: Ein bogenförmiger Riss bei einer Leuchte. Die Fixierung der LED-Platine am Kühlkörper erfolgte mit einer ungeraden Anzahl von Schrauben.Cree

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 LEDs 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 das Risiko, dass Risse auftreten. Keinen Einfluss hat 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. Dies reduziert die Gefahr, dass sich das PCB durch Temperatureinwirkung verzieht.

(rao)