Особенности технологии изготовления печатных плат для светодиодных источников света

В последнее время, в связи с последними достижениями в области светодиодной светотехники, резко вырос интерес к созданию источников света на основе мощных ультра ярких светодиодов.

Эти светодиоды стали незаменимы в декоративном освещении, в светодинамических системах благодаря их монохромному цвету и высокой скорости включения. Выгодно их применять и там, где необходимо жестко экономить электроэнергию, где дорого обходится частое обслуживание и где высоки требования по электробезопасности.

Для светодиодных источников света - используются печатные платы с металлическим основанием. В такой плате, в качестве основания используется металлическая пластина, на которую с помощью теплопроводного препрега, наклеены один или несколько проводящих слоев медной фольги. Рис. 165 б .Такие платы применяют в изделиях, где имеют место повышенные локальные или распространенные по всей площади тепловые нагрузки. Простейшим типом печатной платы и, следовательно, наиболее экономически эффективным для поверхностного монтажа светодиодов является однослойная печатная плата с алюминиевым основанием. Рис. 165 а . Данная плата является, по своей сути, однослойной печатной платой, наклеенной на алюминиевую пластину.

Генерируемое тепло, легко проходит через диэлектрик, а затем быстро рассеивается через алюминий. На поверхность такой платы наносится паяльная маска разных цветов (чаще всего белая - для улучшенной светоотдачи). Кроме монтажа собственно светодиодов печатных плат может использоваться для формирования электрической схемы «драйверов» - устройств, обеспечивающих включение/выключение и режим питания светодиодов.

Хотя медь обладает лучшими теплопроводными свойствами, алюминий все-таки является самым распространенным материалом для плат с металлическим основанием, так как он более дешевый и, что немаловажно, легкий материал.

Теплопроводность применяемых алюминиевых подложек:

•Алюминий 1100 (аналог АД – практически чистый алюминий) - 222 W/mK •Алюминий 5052 (аналог АМг2,5- дуралюмин) - 138 W/mK •Алюминий 6061 (аналог АД33 –специальный коррозионностойкий сплав) - 167 W/mK

На сегодняшний день несколько крупных компаний-производителей теплопроводящих электроизолирующих материалов выпускают базовые материалы для изготовления печатных плат с металлическим основанием:

• Bergquist (США)
• Totking (Китай)
• Ruikai (Китай)
• Laird (Thermagon) (США)
• Denka (Япония)

Например, широко используемый (из-за хорошего соотношения цена/качество при производстве светодиодных осветителей) материал из теплопроводящего полимера на основе керамики с алюминиевым основанием - T111 (Totking), имеет следующие характеристики:

• Толщина алюминиевого основания – 1.5 мм
• Толщина диэлектрика - 100 мкм
• Толщина медной фольги – 35 мкм
• Теплопроводность диэлектрика - 2.2 W/mK
• Тепловое сопротивление диэлектрика - 0.7°C/W
• Теплопроводность алюминиевой подложки (5052 - аналог АМг2,5) - 138 W/mK
• Напряжение пробоя – 3 KV
• Температура стеклования (Tg) – 130
• Объёмное сопротивление – 108 MΩ×см
• Поверхностное сопротивление - 106 MΩ
• Наибольшее рабочее напряжение(CTI) – 600V

В общих чертах технологический процесс изготовления печатных плат с металлическим основанием повторяет процесс изготовления односторонней ПП с паяльной маской и горячим лужением на стеклотекстолите, но, если речь идет об алюминиевом основании, имеет некоторые особенности, обусловленные различием физических и химических свойств алюминия и стеклотекстолита:

1. Алюминий — химически активный амфотерный металл, реагирующий как с кислотами, так и со щелочами.

Алюминий хорошо выдерживает даже многократное травление в аммиачно-сульфатном растворе например травильных растворах фирмы «Элохем» или разработки ООО Элма. Травление в кислом растворе также возможно при условии защиты алюминия (включая торцы заготовки и технологические отверстия) фоторезистом или химически стойкими красками. Некоторые производители поставляют материал с защитной пленкой на алюминии. Она достаточно химически и термически устойчива, надежно защищает основу в течение всего процесса обработки и может быть удалена после горячего лужения перед механической обработкой контура. Некоторые производители используют в качестве защиты алюминия глубокое анодирование. Финишное иммерсионное золочение возможно лишь при надежной изоляции алюминия, так как во всех растворах страдает не только металл основы, но и алюминием загрязняются ванны с дорогостоящими растворами.

2. Снятие фоторезиста следует производить в растворе аммиака (1:3) или в фирменных растворах на основе органических аминов. Недопустимо применение растворов едких щелочей, так как алюминий активно растворяется в них. Возможно использование рабочих растворов проявления и снятия ФР при условии, что они обладают малой свободной щелочностью.

3. Химическую подготовку перед горячим лужением нельзя проводить в кислых растворах подтравливания и декапирования по причине растворения алюминия и контактного выделения на нем порошкообразной меди. Для активирования поверхности можно применить кратковременное травление в аммиачном растворе с последующей быстрой промывкой и сушкой.

4. Высокая теплопроводность алюминия заставляет изменять режимы при горячем лужении.

Высокая теплопроводность алюминия приводит к тому, что при горячем лужении за время погружения, достаточное для лужения обычных плат, медные проводники на поверхности платы не успевают прогреться до температуры плавления припоя. Простое увеличение времени погружения приводит к высыханию флюса на маске и прилипанию к ней капель припоя. Необходимо осуществлять двойное погружение. Кратковременное первое с последующей выдержкой на воздухе способствует равномерному прогреву всей заготовки с сохранением на поверхности флюса, а затем второе погружение, которое обеспечивает качественное лужение.

5. Свойства алюминия существенно отличаются от свойств стеклотекстолита при механической обработке.

Для механической обработки алюминия необходимы специальный инструмент с покрытием, обеспечивающим неналипание материала и нестандартные технологические режимы. При сверлении алюминий (в отличие от стеклотекстолита) как пластичный металл дает непрерывную стружку, навивающуюся на сверло. Следует использовать режим прерывистого сверления для разделения стружки или последовательно повторять программу, постепенно увеличивая заглубление сверла. Режущие кромки инструмента должны быть хорошо заточены, а поверхности отполированы для предотвращения налипания металла. (Обычные фрезы для стеклотекстолита типа «кукуруза» не пригодны, быстро «засаливаются» пластичным алюминием и ломаются.) Фрезеровка по контуру производится двухзаходными фрезами с покрытием после обрубки контура на гильотине с припуском, либо скрайбированием специальными дисковыми фрезами. Фрезерование криволинейных контуров возможно только пальчиковыми фрезами после предварительной отсверловки с припуском.