Beleuchtung mit LED

Schutz- und Lötstopplacke für LED-Anwendungen

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Lötstopplacke auf LED-Schaltungsträgern

Mit dem zunehmenden Einsatz von SMD-LEDs zur Beleuchtung und dem Wunsch nach einer besseren Lichtausbeute kommt die Forderung an den Schaltungsträger, das zwangsweise auf ihn fallende Licht optimal zu remittieren. Unter Remission ist die diffuse Reflexion von Strahlung (Licht) zu verstehen. Der Schaltungsträger ist in der Regel mit einer Lötstoppmaske abgedeckt, die in diesem Falle neben den elektrischen Isolationseigenschaften und den geforderten chemischen Beständigkeit neue Funktionalitäten zu erfüllen hat.

Das kann bei einer weißen Lötstoppmaske zum einen das Remissionsverhalten bei einer Anwendung als Hintergrundbeleuchtung sein, aber auch eine hohe Farbstabilität bei Einwirken von Sonnenlicht und/oder Wärme. Die Lötstoppmaske wird weiß, aber mit der einfachen Aussage „weiß“ sind die tatsächlichen Anforderungen, wie eine optimale Remission, nicht erfüllt.

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Die Eigenschaft der Remission ist eng verknüpft mit der Farbe und kann über farbmetrische Messungen zahlenmäßig erfasst werden. Für diese Anwendung können nur eigens hierfür entwickelte Lötstopplacke sowohl höchste Anforderungen bezüglich des Weißgrades, der Remission als auch der Farbstabilität bei Temperaturbelastung und/oder Sonnenlichteinstrahlung erfüllen.

Insbesondere Lötstopplacke erfahren in ihrem Prozessablauf verschiedene Temperaturbelastungen, die einen sichtbaren Einfluss auf die (weiße) Farbe haben können. Dies ist insbesondere der Lötprozess. Das Resultat ist eine Gelbverschiebung in der Farbe, die Vergilbung. Eine dem Bestücker angelieferte weiße Lötstoppmaske sollte in den nachfolgenden Lötprozessen eine möglichst geringe Farbveränderung erfahren. Vom Entstehungsmechanismus her gibt es verschiedene Ursachen der Vergilbung:

  • durch Wärme,
  • durch Sonnenlicht,
  • durch Umwelteinflüsse (Feuchtigkeit oder Chemikalien).

In diesem Kontext treten vornehmlich die Vergilbung durch Wärme und durch Sonnenlicht bzw. durch eine sonnenlichtsimulierende, zeitraffende UV-Bestrahlung auf. Eine lichtinduzierte Vergilbung liegt vor, wenn Lichtstrahlung mit einer Wellenlänge von unter 380 nm (UV-Strahlen) auf Polymere auftrifft. Über radikalisch induzierte photochemische Reaktionen bilden sich chromophore Gruppen, die eine Färbung verursachen. Unter wärmeinduzierter Vergilbung ist die Ausbildung dieser chromophoren Gruppen zu verstehen, wenn Polymere üblicherweise Temperaturen > 100 °C für eine längere Zeitspanne ausgesetzt werden.

Die Wärmeeinwirkung oder auch thermische Vergilbung

Die Farbveränderung kann zum einen über die Vergilbungszahl und zum anderen über den Farbabstand im CIE-Lab-System messtechnisch bestimmt werden. Um diese Farbveränderung zu charakterisieren, kann der zuvor beschriebene Farbabstand ΔE* benutzt werden. Besondere Beachtung bei rein weißen Oberflächen sind den beiden Größen ΔL* und Δb* zu widmen. Während ΔL* die Helligkeitsänderung beschreibt, charakterisiert Δb* die Blau-Gelb-Verschiebung, was in diesem Fall die Vergilbung ist (Bild 2). Ein möglichst kleiner Δ-Wert beschreibt die Güte der Farbstabilität der Lötstoppmaske. Differenzwerte von kleiner 0,5 sind für ungeschulte Augen im Allgemeinen kaum erkennbar. Die Farbänderung wird durch Wärmeeinwirkung oder auch thermische Vergilbung durch den Sauerstoff hervorgerufen. So zeigen Lötverfahren ohne Sauerstoff eine geringere Vergilbung als unter Luft, was allerdings bei den weißen Lötstopplacken neuster Generation visuell nicht mehr erkennbar ist.

Die Farbmetrik eignet sich sehr gut, um das Farbverhalten nach Dauertemperaturbelastung sowie zur Bestimmung von kritischen Dauertemperaturbelastungen zu beschreiben. Bild 7 zeigt die Verschiebung in den die Vergilbung beschreibenden b*-Werten bei verschiedenen Lagerungstemperaturen und zweier Lötverfahren. Eine Verschiebung zu höheren positiven b-Werten beschreibt eine Vergilbung. Die Rot-Grün-Werte a* sind erwartungsgemäß nicht verändert, was sich auch bei der Temperaturdauerlagerung in Bild 8 zeigt. Deutlich erkennbar, dass eine Dauertemperaturbeständigkeit bis 105 °C gegeben ist. Eine Temperaturbelastung von 125 °C führt in diesem Fall zu einer deutlich sichtbaren Farbverschiebung bzw. Vergilbung.

Farbmetrische Untersuchungen dieser Art sind tauglich, Farbbeständigkeiten bei Temperaturdauerlagerungen beispielsweise nach der Normenreihe IEC 60216 [2] zu bestimmen und einen entsprechenden Temperaturindex für die optischen Eigenschaften zu ermitteln. In Bild 7 ist ferner zu entnehmen, dass insbesondere bei den Lötverfahren weniger die Temperatur, sondern die Kombination aus Temperatur und Luftsauerstoff die Ursache der Vergilbung sind.

So zeigen Lötprozesse unter Stickstoff eine sichtbar geringere Vergilbung als solche unter Normalatmosphäre. Die elektrische Performance ist durch eine Vergilbung nicht beeinträchtigt. In früheren Untersuchungen haben sich keine mit einer Vergilbung einhergehenden Veränderungen in den elektrischen Eigenschaften gezeigt.

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