Beleuchtung mit LED Schutz- und Lötstopplacke für LED-Anwendungen

Autor / Redakteur: Dr. Manfred Suppa * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Optische Eigenschaften einer LED lassen sich mit Schutzlacken verbessern. Wir betrachten unter anderem, welche Lack-Kriterien für eine optische Charakterisierung herangezogen werden können.

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Weiß deckender Schutzlack: Elektronische Komponenten und LEDs lassen sich auf diese Weise schützen.
Weiß deckender Schutzlack: Elektronische Komponenten und LEDs lassen sich auf diese Weise schützen.
(Lackwerke Peters)

Körper können elektromagnetische Strahlung reflektieren, streuen oder absorbieren. Diese Vorgänge sind abhängig von der Wellenlänge. Auf das sichtbare Licht bezogen: Ein im Wellenlängenbereich von 380 bis 760 nm völlig absorbierender Körper gibt keine Strahlung zurück, die im Auge einen Sinneseindruck hervorruft – dieser Körper ist schwarz. Ein Körper, der alle einstrahlenden Wellenlängen von weißem Licht zurücksendet, erscheint weiß.

Ergänzendes zum Thema
Schutzlacke für LED – keinen Einfluss auf die optischen Eigenschaften

Der Einsatz von lichtemittierenden Dioden oder auch LED erstreckt sich auf immer mehr Anwendungsgebiete und wird absehbar konventionelle Lichtquellen verdrängen. Je nach Einsatzzweck sind für die Leiterplatte als unmittelbarer LED-Bauteileträger bzw. den verwendeten Lötstopplack als Substratoberfläche, reflektierende, streuende oder licht-absorbierende Eigenschaften gefordert. Darüber hinaus bestimmt der Einsatzzweck die Notwendigkeit von eventuellen Isolationsmaßnahmen für die Baugruppe durch Conformal Coatings bzw. Schutzlacken oder 2-Komponenten-Vergussmassen, welche die optischen Eigenschaften der LED trotz möglicher Abdeckung auch langfristig weitestgehend unbeeinflusst lassen müssen.

Welche unterschiedlichen optischen Anforderungen bestehen an die Substratoberfläche? Inwieweit lassen sich diese Anforderungen mit verschiedenen Lacken als „Endoberfläche“ realisieren? Welche klassischen lacktechnischen Kriterien, Prüfungen und Bewertungsmaßstäbe können für eine optische Charakterisierung zugrunde gelegt werden? Welche Besonderheiten sind hier zu berücksichtigen? Wie sehen typische Ergebnisse aus? Diese Aspekte werden hinsichtlich der Farbstabilität/Vergilbungsbeständigkeit von verschiedenen weißen Lötstopplacken unter verschiedenen Verarbeitungs- und Prüfbedingungen im Detail diskutiert. Welche Besonderheiten zeigen diese Lacksysteme bei der Verarbeitung im Vergleich zu konventionellen Anwendungen? Wie sehen typische Lösungsansätze aus?

Die Kerngröße einer optischen Oberfläche ist die sogenannte Remission. Unter Remission ist das von einem Körper zurückgeworfene – das gestreute – Licht definiert. Ideal weiße Körper zeigen hier eine gleichmäßige Remission aller Wellenlängen von 100 Prozent, schwarze Körper zeigen keine Remission. Ideal graue Körper zeigen eine gleichmäßige Remission der Wellenlängen zwischen > 0 und < 100 %. Farbige Körper dagegen eine selektive Remission, das bedeutet eine teilweise Absorption von Licht, so dass das zurückgeworfene Licht nur noch aus verschiedenen Wellenlängenbereichen besteht und so einen farbigen Eindruck macht. In Bild 1 ist die Remissionskurve eines weißen fotostrukturierbaren Lötstopplackes dargestellt, mit einem Remissionsgrad von über 90 im farbrelevanten Spektrenteil von 400 bis 780 nm.

Das Messen von Farben – die Farbmetrik

Um die Farbe oder einen Farbunterschied quantitativ zu beschreiben, kann man die zu messende Oberfläche mit einem definierten Licht beleuchten und misst das zurückgeworfene – das remittierte – Licht. Über mathematische Berechnungen wird sowohl die Art der Lichtquelle als auch der Farbeindruck des Auges bei der Messung von „Farbe“ berücksichtigt. Um eine Farbe in Kenngrößen zu fassen, benutzt man sehr häufig das sogenannte CIE-Lab-System (genauer das L*-, a*-, b*-System der CIE). Dieses Lab-System basiert auf einer Transformation der primär berechneten Farbwerte X, Y, Z in die Koordinaten L* (Helligkeit), a* (rot-grün-Wert), und b* (blau-gelb-Wert). Auf die Ableitung zu den Lab-Werten sei hier verzichtet und beispielsweise auf [1] verwiesen.

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Der große Vorteil des CIE-Lab-Systems liegt in der Verwendung zum Erfassen von Farbabständen. Die Maßzahl für einen Farbabstand – für die Ähnlichkeit oder Gleichheit von Farben – ist Δ E*, berechnet als räumlicher Pythagoras aus den drei Größen L1* – L2*, a1* – a2* und b1* – b2* (siehe Formel).

Um eine weiße Oberfläche zu charakterisieren, kann zum einen die Remissionskurve (Bild 1) benutzt werden, zum anderen auch die Helligkeitsgröße L* aus dem CIE-Lab-System. Eine ideal weiße Oberfläche hat definitionsgemäß die Koordinaten L* = 100, a* = 0 und b* = 0. Der Vorteil des CIE-Lab-System liegt insbesondere in der Reduzierung der Messgrößen auf drei Zahlenwerte und der Möglichkeit, hiermit – dem Farbempfinden weitestgehend korrelierende – Differenzen zu bilden. Farbmetrische Messungen sind in der konventionellen Lackindustrie weit verbreitet und bieten sich als Qualitätskriterium bezüglich der Lieferspezifikation als auch der Eigenschaftsbeschreibung, beispielsweise der Wetter- und/oder Temperaturstabilität, an um Farbveränderungen (Vergilbung) zu messen.

Neben der Auswertung entsprechend dem CIE-Lab-System sei noch auf eine mögliche Beschreibung zur Farbveränderung (Vergilbung) hingewiesen, wie sie in der Papierindustrie nach DIN 6167 Verwendung findet. Entsprechend der DIN 6167:1980-01 wird von Vergilbung gesprochen, wenn beim beobachteten Material durch eine Behandlung ein nicht gewünschter Gelbwert erkennbar ist. Hier wird aus den primär berechneten X-, Y- und Z-Werten ein Gelbwert G berechnet. Die Veränderung dieses Gelbwertes einer unbehandelten (G0) und einer behandelten Probe (G1) wird als Vergilbungszahl V berechnet und bezeichnet.

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Die Farbkoordinaten des Lab-Systems – die Werte L*, a* und b* – können mit Farbmessgeräten direkt erfasst werden. Für den Gelbwert G sind in der Regel spezielle Softwaretools erforderlich oder sie müssen manuell aus den X-,Y-, Z-Werten berechnet werden. Farbmessgeräte sind aufgebaut aus einer Lichtquelle, dem Messkopf mit seinen unterschiedlichen Geometrien und einem Detektor (Spektralphotometer). Von den verfügbaren Messverfahren eignen sich nur die Spektralphotometer zur Aufnahme einer Remissionskurve für den gewünschten Wellenlängenbereich von 380 bis 760 nm.

Für die Bestimmung der Farbkoordinaten stehen zwei grundsätzliche Messgeometrien – 45°/0° und d/8° (Ulbrichtkugel) – zur Verfügung, die wie im dargestellten Messaufbau einfach kombinierbar sind (Bild 3). Die nachfolgend beschriebenen Untersuchungen sind mit der d/8°-Messgeometrie und einer Ulbrichtkugel mit Glanzfalle durchgeführt worden.

Eine Skala für die Vergilbung von Lacken

Nach dem skizzierten Verfahren ergibt sich eine Differenzzahl (Gleichung). Je kleiner die Differenz, desto geringer ist die Farbänderung. Die gleiche Aussage erhält man – mit etwas anderer Wichtung gegenüber dem CIE-Lab-System - wenn nach DIN 6167 ein Differenzwert berechnet wird der die Vergilbung von nahezu weißen Materialien beschreibt. Dieser Differenzwert wird als Vergilbung V bezeichnet. Das Thema Vergilbung und Farbmessung ist in [1] detaillierter abgehandelt.

Um eine Wertung der Messwerte vornehmen zu können, sei hier eine Bewertungsskala zur Beschreibung der Vergilbung aus dem Bereich der weißen Heizkörperlacke genannt, in der in fünf Qualitätsstufen unterschieden wird: Die höchste Qualität (geringste Vergilbung) entspricht einer Vergilbungszahl < 1. Die Abstufungen zur geringsten Qualität entsprechen dann Vergilbungszahlen von < 3, < 5, < 8 und < 10. Weiterhin erhält man folgende Aussagen zu Vergilbungszahlen (V):

  • V = 0–1: normalerweise nicht sichtbar
  • V = 1–2: geringe Vergilbung, nur von geschultem Auge sichtbar
  • V = 2–3,5: mittlere Abweichung, für ungeschultes Auge sichtbar
  • V = 3,5–5: deutliche Abweichung
  • V > 5: starke Abweichung

Diese Bewertung lässt sich in guter Näherung auch auf die Interpretation der vorgenannten ΔE*-, ΔL*- und Δa*-Werte übertragen. Wegen der weiten Verbreitung und Akzeptanz der ΔE*-, ΔL*- und Δa*- bzw. Δb*-Werte zur Charakterisierung von Farbabständen und/oder Farbveränderungen empfiehlt es sich diese Größen zu benutzen. Hiermit ist eine detaillierte Interpretation der Farbveränderungen über eine physikalische Messung der verbunden mit Messgrößen möglich.

Das Deckvermögen und wovon es abhängig ist

Eine weitere der Grundeigenschaften von farbigen Beschichtungsstoffen ist das Deckvermögen. Es beschreibt die Fähigkeit die Farbe oder die Farbunterschiede des Untergrundes zu verdecken. Als Kriterium gilt ein vereinbartes Kontrastverhältnis zwischen den kontrastierenden Feldern des Untergrundes. Das Deckvermögen kommt durch Absorption und Streuung zustande und ist eine Funktion der farbgebenden Pigmente. Bei Weißpigmenten ist es nur eine Folge der Streuung. Das Deckvermögen ist zum einen abhängig von der Schichtdicke, zum anderen auch vom jeweiligen Kontrast des Untergrundes und besitzt einen charakteristischen Grenzwert.

Das Denkvermögen kann nicht auf beliebig dünne Schichten eingestellt werden. Die minimal erforderliche Schichtdicke für einen deckenden weißen Lack bei einem Schwarz-Weiß-Kontrast kann mit ca. 40 µm angenommen werden. UV-härtende Beschichtungsstoffe, wie fotostrukturierbaren Lötstopplacke, müssen im Gegensatz zu den thermisch härtenden Lötstopplacken eine leichte Transparenz aufweisen, um eine ausreichende UV-Vernetzung bis zum Substrat zu gewährleisten.

Das physikalisch begrenzte Deckvermögen hat Konsequenzen bei der Verarbeitung. So sieht ein mit 10-µm-Schichtdicke aufgebrachter Lack weniger weiß aus als einer mit einer Schichtdicke von 20 µm und einer von 30 µm wiederum weißer als der von 20 µm. Erst ab ca. 40 µm ist der weiße Farbton schichtdickenunabhängig und das Deckvermögen erreicht. Bei Farbbeurteilungen und Messungen mit Schichtdicken unterhalb des Deckvermögens von kleiner ca. 40 µm wird der Untergrund mit beurteilt. Das bedeutet eine Abhängigkeit der Remissionskurve und des L*-Wertes von der Schichtdicke.

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.

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.

Vergilbung trifft insbesondere die Epoxidharze

Viele Polymere zeigen unter Einwirkung von Globalstrahlung mehr oder weniger ausgeprägte Degenerationserscheinungen. Die Endprodukte der Photooxidation absorbieren im kurzwelligen Bereich des sichtbaren Lichts und sind Ursache für den Vergilbungsprozess von Polymeren. Diese Vergilbung trifft insbesondere die Epoxidharze, aus denen üblicherweise Lötstopplacke hergestellt werden. Um ausreichend lichtstabile weiße Lötstopplacke herstellen zu können, mussten diese auf Basis einer anderen Polymerklasse entwickelt werden.

Um die Lichtbeständigkeit bzw. die Vergilbungsbeständigkeit zu ermitteln, können entsprechende Prüflinge in einer Freibewitterung über Jahre ausgelagert werden. Mit Bewitterungstests lassen sich die Prozesse beschleunigen. Dazu kommt der Xenon-Test zum Einsatz. Hier wird die Probe der Strahlung einer Xenon-Bogenlampe ausgesetzt. Das gefilterte Spektrum und die Bestrahlungsstärke ähneln dem natürlichen Sonnenlicht. Entsprechende Kurzprüfungen sind in verschiedenen DIN-Normen [3 und 4] beschrieben. Daumenregel: 250 Stunden entsprechen einer natürlichen Belastung von einem Jahr.

Durchgeführte Untersuchungen mit einer Lichteinstrahlung von LED-Licht mit einer Wellen-länge von 460 nm über 1000 h zeigen erwartungsgemäß eine visuell nicht erkennbare bzw. kaum meßbare Veränderung im Remissionsverhalten. Mögliche Einflüsse sind weniger vom eingestrahlten Licht zu erwarten sondern auf den gleichzeitigen Wärmeeintrag zurück zu führen, der durchaus auf eine Erwärmung der Beschichtung von bis zu 100 °C führen kann.

Eine Schutzlackierung kann zum einen den kompletten Schaltungsträger betreffen, zum anderen aber auch den von LEDs ausgesparten Bereich. Sollen mit LEDs bestückte Panels zum Schutz gegen Feuchteeinwirkungen komplett beschichtet werden, kommen Schutzlacke zum Einsatz, die zum einen die elektrische Isolation unter den verschiedenen atmosphärischen Bedingungen sicherstellen, zum anderen aber auch bezüglich ihrer Wetterbeständigkeit eine sehr geringe Vergilbungsneigung unter diesen Belastungen zeigen. Die Grundvoraussetzung ist natürlich eine sehr hohe Transparenz und ein farbloser Beschichtungsfilm.

Die sich bei transparenten Prüflingen ergebenden Messwerte mit der Farbmetrik sind nicht mit den traditionellen Remissionsmessungen zum Beispiel von weißen Lacken vergleichbar. Während sich bei Farbmessungen von farbigen Beschichtungsstoffen vornehmlich die Remissionseigenschaften darstellen, sind es bei transparenten Beschichtungsstoffen vornehmlich die Transmissions- bzw. Absorptionseigenschaften. Bei der Messung erfolgt ein Durchstrahlen des Messkörpers zum reflektierenden Substrat und ein weiteres Durchstrahlen des Messkörpers in den Messwertaufnehmer (Ulbrichtkugel).

Schutz vor Schadstoffen aus der Atmosphäre

Neben der Schutzwirkung der LED-Schaltung gegen Belastungen durch Luftfeuchtigkeit als auch gegen Regen, Spritzwasser und Kondensation bieten Schutzlacke und Vergussmassen auch eine Schutzwirkung gegen diverse Schadstoffe aus der Atmosphäre. Die LED-Abdeckung auf Basis von Silikonharzen ist gegen bestimmte Atmosphärilien, beispielsweise auf Basis von Schwefelverbindungen relativ durchlässig.

Hier zeigen organisch basierte Polymere eine deutliche Barrierewirkung und können LED gegen industrielle Schadgasbelastungen schützen und insbesondere Silbermigrationen deutlich reduzieren. Eine weitere Möglichkeit der Schutzlackbeschichtung ergibt sich mit weißen, deckenden Schutzlacken, die mit einem Selektivverfahren appliziert werden und die LEDs aussparen. Damit lassen sich beispielsweise bei einseitig bestückten LED-Schaltungsträgern die dunkelfarbigen Bauelemente sehr gut abdecken. Schutz- oder Überzugslacke dieser Art besitzen eine hohe Licht- und Wärmestabilität mit sehr hohen Remissionswerten.

Literatur

[1] Loos, Hans, Farbmessung, Verlag Beruf + Schule, Itzehoe (1989)

[2] DIN EN 60216-1, VDE 0304-21:2002-09, Elektroisolierstoffe – Eigenschaften hinsichtlich des thermischen Langzeitverhaltens

[3] DIN EN ISO 11341:2004-12, Beschichtungsstoffe – Künstliches Bewittern und künstliches Bestrahlen – Beanspruchung durch gefilterte Xenonbogen-Strahlung

[4] DIN 6167:1980-01 Beschreibung der Vergilbung von nahezu weißen oder nahezu farblosen Materialien.

* Dr. Manfred Suppa ist bei den Lackwerken Peters R & D Manager in Kempen.

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