Почему мы сегодня рассматриваем эту тему? Рынок производства и использования светодиодной продукции растет. Сегодня можно видеть различные виды светодиодной продукции в различных применениях. Большое влияние на её работу имеют температурные факторы, поэтому рассмотрим эту тему детально.
Конечно же, самая большая сфера применения светодиодной продукции - это освещение: освещение внешнее, освещение внутреннее и использование светодиодов для освещения в автомобилях. Если посмотреть, где концентрируется тепло в лампе накаливания, люминесцентной лампе и светодиоде, видно, что тепло в основном накапливается в конкретном месте. Здесь как раз сосредоточивается электроника и паяные соединения. Рассмотрим, из чего же состоит светодиод. Есть два типа материалов, которые соединены между собой, и с помощью электронов получается свет. Как правило, для светодиода, свет идет вперед, а тепло уходит назад, в обратном направлении. 30% энергии в виде света выходит вперёд и 70% энергии уходит назад в плату в виде тепла. Тепло генерируется в месте соединения, и распространяется на плату либо на корпус.
|
|
Здесь представлен светодиод. Можно выделить теплоотвод, далее паяное соединение, основание и все это смонтировано на плате.
Через каждый из этих слоев проходит тепло, которое генерируется в месте соединения.
Если этот процесс проходит неправильно, и тепло остается там, где оно генерируется, то это может привести к очень плохим последствиям и повредить светодиод. Каждый слой выполняет свою работу, он сохраняет определенную часть тепла, тем самым предотвращая повреждение светодиода. Конкретно, слой, который будет рассматриваться - это как раз паяное соединение. Здесь представлен довольно-таки новый тип светодиода, не отображены все слои, из которых он состоит. Указан материал N и материал P, которые расположены на слое из олова (желтый слой на рисунке). Эти слои напрямую монтируются на плате, между ними уже никаких прослоек нет. Такое соединение называется прямым, или непосредственным соединением, когда энергия от светодиода напрямую переходит к плате.
 |
Очень важно обратить внимание на тепло, потому что если будет происходить накапливание тепла, то это может привести к повреждению устройства. Передача тепла будет ухудшаться, если в каком-то из слоев будут присутствовать пустоты. И это также влияет на надежность работы платы, потому что каждый раз, когда происходит нагревание платы и ее охлаждение, соединение находится под напряжением, под нагрузкой. А эта нагрузка впоследствии может привести к повреждению устройства. Т.е. чем больше вы будете отводить тепло от места соединения, тем дольше прослужит ваше устройство, и тем больше вы получите света в конечном итоге.
Свет измеряется в люменах, поэтому мы говорим о стоимости света как о стоимости именно этих люменов. Доработку или переделку светодиода очень сложно осуществить, т.к. не существует единого стандарта между поставщиками, т.е. каждый поставщик работает по своей собственной спецификации, поэтому качество сборки критично с самых основ. Основной критерий, который следует контролировать, – это распределение или рассеивание тепла, поскольку накопление тепла будет приводить к повреждению устройства. Пустоты будут способствовать этому накоплению и влиять, в свою очередь, на надежность работы устройства и на эффективность.
Почему нужно использовать специальные материалы и продукты для светодиодов? В первую очередь, чтобы получить эффективный по стоимости светодиод, необходимо чтобы большая часть энергии преобразовывалась в свет. Таким образом, сократится потребление энергии, будет достигнута хорошая эффективность и экономическая рентабельность при высокой надежности работы и долгом сроке службы устройства. И как итог – низкая стоимость люмена на протяжении всего жизненного цикла устройства.
Для этого перед нами встают два вопроса: рассеивание тепла и увеличение яркости.
Рассмотрим первый уровень сборки (L1),это само соединение, или сам компонент, или непосредственно светодиод.
 |  |  |
 |
Можно разными способами уменьшить стоимость люмена, повысить эффективность, яркость и также надежность устройства. Соответственно на это влияют несколько типов продуктов (материалов) сборки.
Паяльная паста. От неё требуется минимальное образование пустот. Одной из наиболее распространённых проблем для светодиодов является то, что площадь для отвода тепла и так является не слишком большой, а если при этом ещё в процессе пайки возникнут пустоты, то эта площадь сократится ещё больше.
Далее - преформы. Чтобы увеличить эффективность, в них нужно использовать как можно меньше флюса, либо вообще не использовать флюс. Это уменьшит уровень загрязнения и опять-таки повлияет на качество теплового соединения.
Рассмотрим два разных припоя.
У рассмотренных припоев разный уровень смачиваемости. Припой Maxrel является более надежным припоем, который используется в автомобильной промышленности и в конструкции больших двигателей, эксплуатируется в условиях высоких температур. Видно, что распределение толщины идет более равномерно, таким образом, идет более эффективная передача тепла через соединение.
Пустоты, возникающие на этапе сборки - это очень серьёзная проблема и важный параметр не только с точки зрения температуры, но также с точки зрения пространства, которое занимает светодиод. Но касательно тепла, чем больше будет пустот, тем больше будет накапливаться тепло при переходе на плату. Таким образом, чем меньше количество пустот, тем лучше будут показатели работы и надёжность светодиода.
Рассмотрим следующую таблицу. Она отражает те же моменты, но уже на уровне сборки L2 (светодиод, смонтированный на плату). Здесь опять мы видим преформы, клей и несколько видов пасты.
 |
Если при реализации сборки какой-то из влияющих факторов вызывает определённые проблемы, рассматривается вопрос, как улучшить характеристики и что сделать для того, чтобы повысить эффективность и улучшить работу светодиода.
Рассмотрим характеристики пустот при использовании различных видов паст. В проведённых исследованиях использовались стандартные и доступные на рынке светодиоды. Исследовано несколько основных типов продукции и использовались платы с прочным алюминиевым основанием. Рассматривались два различных диэлектрика. Также использовалось три различных вида пасты. Стандартная паста SAC 305 и еще одна версия с содержанием серебра 0.8% (этот припой был выбран потому, что является очень дешёвым). Потому что даже процент наличия серебра существенно влияет на цену на рынке от 7 до 10 Евро. Поэтому если уменьшить содержание серебра с 3% до 0.8%, то можно сэкономить примерно 50-60 евро. Припой Maxrel – это специальный припой, в нем содержится 3.8% серебра, никель и сурьма. Он специально разработан для использования в автомобильной электронике, которая располагается близко к двигателю. Два первых вида припоя могут использоваться при температуре до 120 градусов. При работе стандартного светодиода очень быстро происходит его прогревание до 120-140 градусов. Припой Maxrel может использоваться при температурах свыше 150 градусов.
 |  |
Это стандартный светодиод, который располагается на керамическом и металлическом основании. Далее это основание соединено с тепловой площадкой, которая располагается под светодиодом и две площадки для электрических соединений. Сверху светодиод покрыт твёрдой силиконовой линзой. Он монтируется на алюминиевом основании и может быть с двумя различными типами диэлектрика, стандартный диэлектрик с высокой теплопроводностью и диэлектрик с низким модулем упругости, который снижает нагрузку на паяное соединение.
 |
|
Используемые виды паст для светодиода (это стандартный Maxrel и более дешевый вариант с низким содержанием серебра) - это стандартные пасты, а не те, которые, как правило, используются. Ничего особенного здесь для тестирования не изобреталось. Каждый вид пасты имеет свою сферу применения, первый вид обладает широкой сферой применения, второй используется для работы при высоких температурах, и третий обладает более низкой стоимостью и хорошей ударостойкостью.
Производилась сборка 5 плат с установкой 36 светодиодов на плату. Было использовано два типа диэлектрика. Применялось стандартное оборудование для пайки и стандартные условия нанесения пасты, использовался трафарет 5 мм, стандартная скорость нанесения. Оплавление происходило в воздухе, использовался профиль для высокой смачиваемости. Затем производилось измерение процентного содержания пустот посредством рентгенографии. Получился подобный профиль оплавления, как представлен на следующей диаграмме.
Во время нагревания происходит испарение из пасты. Если температура поддерживается на одинаковом уровне, испарение прекращается. Затем быстро происходит процесс пайки, т.е. все элементы спаиваются друг с другом, в этот момент испарения практически не происходит. В этот момент у нас появляется меньше пустот. Здесь мы видим результаты при использовании пасты SAC 305, средний показатель содержания пустот около 9%.
Для различных типов диэлектриков - разные значения, 8.8 и 5.9. Поскольку идёт быстрый нагрев и профиль для высокой смачиваемости, то пустоты просто не успевают образовываться в пасте. Далее результаты по пасте Maxrel.
Здесь вы видите более высокие результаты, но, тем не менее, они соответствуют классу 2 IPC. И последний результат, паста с низким содержанием серебра, т.е. чем меньше серебра, тем медленнее у нас происходит смачиваемость.
Результаты тоже довольно высоки, но, тем не менее, не следует забывать, что поверхность светодиода достаточно большая. Т.е. площадь соединения достаточно большая.
Вернёмся на несколько рисунков назад, к результату использования пасты SAC 305. Там результаты для диэлектрика с низким модулем упругости несколько хуже, и здесь опять немного хуже. Однако этот тип диэлектрика все-таки имеет преимущества по сравнению со стандартным.
Изображение при использовании трех различных паст и двух различных типов диэлектриков:
Видны пустоты, которые предотвращают процесс отхода тепла из этой области, т.е. тепло в них накапливается. Хотелось бы, конечно, минимизировать этот эффект. Видно, что при использовании различных паст с различными видами припоя на разных поверхностях, мы получаем разное процентное содержание пустот. В целом, самый хороший результат у припоя SAC 305, однако, именно состав припоя имел более существенное значение. Типичные диэлектрики показали самый низкий результат и самую большую площадь пустот для всех трех видов паст. Паста с припоем SAC 305 имела самые хорошие показатели. Остальные два вида в результате дали приемлемые показатели по содержанию пустот, т.е. в пределах допустимого уровня. И по результатам исследований, видно, что в более 90% соединений обнаружило количество пустот от 0 до 4%, что соответствует классу 3 IPC.
Здесь мы видим светодиод, паяное соединение и поверхность, на которую он монтируется:
У светодиода и у основания имеются разные характеристики теплового расширения, светодиод имеет меньший коэффициент теплового расширения, чем основание. Каждый раз, когда происходит нагревание, светодиод оказывается под нагрузкой. В зависимости от значения температуры, от частоты (цикличности) этого нагревания, в конечном итоге рано или поздно происходит повреждение соединения. Если сравнить стандартный припой и припой Maxrel, видно, что повреждение соединения при использовании стандартного припоя происходит быстрее, чем при использовании Maxrel.
Диаграмма представляет собой зависимость выходов из строя процентного количества СИД в зависимости от числа термоциклов (30 минут между каждым циклом). Выход из строя определялся как прекращение свечения.
Можно сказать, что Maxrel имеет в 2.5 или в 3 раза лучшие характеристики по сравнению со стандартным припоем. Испытание проводилось в диапазоне температур от -40 до +125 градусов. Почему именно такой диапазон? Потому что стандартный припой может выдерживать температуру до +125 градусов. Конечно, если бы температура была увеличена до +150 градусов, то соединение со стандартным припоем было бы повреждено намного быстрее. Если создаются такие условия, что соединение должно работать при температуре более +125 градусов, то необходимо использовать более качественный припой. Подобные тепловые нагрузки в обычных условиях происходят очень часто. При поломке автомашины, например. Включается аварийный свет и фары начинают мигать. И чем чаще будут происходить подобные смены температур, смены нагрузок, тем быстрее будет происходить механическое повреждение соединения. Представьте, что на соединении образовалась трещина, светодиод уже не сможет полноценно вырабатывать 30% в виде световой энергии и будет повреждаться всё больше и быстрее. В конечном итоге вы получите повреждение, когда нарушается тепловое соединение, т.е. повреждается само паяное соединение.
На иллюстрации изображены два диэлектрика, которые использовались при испытании.
Видно, что угол отклонения в первом случае намного больше, у стандартного диэлектрика тепловое расширение больше, чем у диэлектрика с низким модулем упругости. Чем меньше тепловое расширение, тем меньше нагрузка. Использование материалов для пайки с высокой стойкостью к деформации, например, такие как Maxrel, обеспечит более высокую надежность изделия. Меньшую нагрузку на паяное соединение можно обеспечить, используя платы с медным основанием. Чем меньше будет продолжительность теплового цикла или испытания температурой, тем меньше будет происходить повреждений. Это касается, например, температуры внутренних осветительных приборов, потому что температура внутри помещения меняется значительно меньше, чем температура на улице. Чем меньше будет время воздействия экстремально высоких температур, тем больше будет продолжительность работы данного устройства, тем больше будет надежность, и тем меньше будет повреждение соединения во время его работы. Сочетание припоя и диэлектрика можно оптимизировать с целью увеличения надёжности, требующейся в данном конкретном применении. В зависимости от сферы применения, когда, например, не нужно будет его использовать при высоких температурах, можно выбрать более дешёвые материалы. Но если светодиод должен использоваться при высоких температурах, для уличного освещения или для автомобилей, то нужно использовать соответствующие материалы.
В конечном итоге видно, что именно высокие температуры приводят к повреждению соединения. Выбор качественного припоя оказывает большое влияние не только на стоимость, но и на жизненный цикл, на надежность устройства. Также основными причинами повреждения паяных соединений являются наличие пустот и механическая нагрузка. Компания Альфа предлагает полный спектр различных материалов для светодиодов, которые обладают очень высокими показателями работы, низким уровнем образования пустот. Предлагаются такие материалы как Maxrel, которые могут работать при высоких нагрузках и высоких температурах. Таким образом, это обеспечит бОльшую надежность работы вашего устройства, долгий срок его службы и в конечном итоге низкую стоимость на рынке.