线性LED 照明组件的基板翘曲表征和优化

作者:Alpha Assembly Solutions 公司:Amit Patel,Karen Tellefsen,Sarjil Mansuri,Ranjit Pandher

玻璃纤维环氧层压板称为“FR”板,FR基板翘曲是传统电子制造中的常见现象。LED照明市场的增长推动了高纵横比基板的使用,在各种应用中FR基板的长度明显大于宽度。这些基板的很大一部分被用于线性照明领域,PCB的翘曲是最常见的。

翘曲也称为弯曲,被定义为基板的平直度偏差,由一个大致的圆柱或球面曲率来表征。基板翘曲会导致材料堆叠中产生应力和缺陷,如焊点强度减弱/开裂、焊料掩膜开裂和元件对准误差,在某些情况下,这种翘曲阻碍了组件的后续加工。

本文提出了一种结构研究,表征不同的组装工艺条件对FR电路板翘曲的影响,大长宽比的线性照明条由两种不同玻璃化转变特性的FR电路板设计而成。

引言

线性“管状”灯是最常用的照明设计形式之一。从历史上看,这些灯管使用荧光技术。线性照明广泛应用于零售业、工业、商业和住宅照明等。今天,随着发光二极管(LED)的问世,这些设计正在被转换成这种固体物理技术。

基于LED的线性照明灯具外观与传统灯具的外观相似,但是仔细查看差别很大:

(I)材料堆叠

除了光源的差异外,整个材料堆叠也各不相同。图1给出了在FR印刷电路板(PCB)上中功率LED线性光条的典型完整堆叠。尽管使用多种类型的印制电路板,从厚金属芯PCB到薄的聚合物柔性基板,线性照明应用最广泛采用的还是RF基板。RF基板为LED照明行业提供了许多优势,主要有便于采购、阻燃、高机械强度和高电气绝缘性,以及各种各样的制造设计和材料成本优势。

(II)工艺过程

荧光和LED技术的主要区别之一是组装工艺过程。基于LED的照明系统需要更多的SMT /波峰焊工艺。在线性照明系统情况下,其结构采用了一种镶板设计,可以同时加工多条产品。但是最终这是一个热偏移的过程,再加上材料选择导致的翘曲/弯曲。

今天,有几种减少或消除翘曲的主要方法,每种方法都有各自的优点和缺点:(I)组装工艺条件的优化;(II)机械地粘贴PCB,即用紧固件和夹子;(III)材料选择和/或修正设计。

本评价重点研究组装工艺条件的优化(I),因为通常组装过程及其对翘曲的影响是至关重要的。表1总结了在保温和直线升温温度曲线工艺条件下,表征不同类型的FR特性的方法。

组装材料和元器件

测试基板

用于此评价的测试基板是在Alpha内部设计的。设计考量是基于一般的市场观察。此外,这些基板是功能性的,允许进行操作测试。表2总结了测试基板的尺寸和一般属性。

LED元件

这项研究选择了一种室内线性照明普遍应用的中功率封装。它由3535引线框架设计组成(3.5 mm×3.5 mm)。在封装的角落上有一个小缺口,标志着发射器组件的阴极端。阳极和阴极都作为发射器的热焊盘,大部分热量都通过与阴极对应的较大的焊盘传导,如图2所示。

焊料

工艺温度条件及其对不同Tg层压板的影响在很大程度上取决于合金的选择。选用了2种合金,一种是标准的SAC305合金,熔点范围217~221 ℃;一种是新型低温锡铋合金(SBX02),熔点138.5 ℃。

工艺和测试方法

工艺设备明细

表3总结了用于组装中功率LED封装的SMT设备明细。

回流焊

采用了具有七个加热区和两个冷却区的回流焊炉。所有的基板都在空气中组装,温度/湿度条件为:20.4~25.2 ℃/16%~47% RH。表4总结了低温和高温条件下的回流焊温度曲线。

测试方法

测量平面度偏差有各种测试方法和程序。本评价采用IPC 650TM 2.4.22方法,图3描述了测量过程。将线性照明测试基板铺设在一个平面上,所有四个角都与平面接触,使用塞尺,测量表面的最高点,大约是中心处。对经历过回流焊的每块板重复同样的步骤。所记录的值就是组装前和回流焊后之间的差异。

结果与结论

结果

这些因子与它们对翘曲的影响之间的相互作用如图4所示。采用SBX02合金的180 ℃低峰值温度组装工艺,产生最低的翘曲水平。其次,所使用的典型的直线升温和保温温度曲线,对这个特定组件影响很小。最后,玻璃化转变温度(Tg)为130 ℃的层压系统产生较低的翘曲水平。

总体而言,不考虑Tg属性,采用低温SBX02合金,翘曲降低38%,如图5所示

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