LANGER, Gregor (Peter-Graf-Gasse 17, Wölfnitz, A-9061, AT)
LENGFELDNER, Erhard (Suppanstrasse 69, Klagenfurt, A-9020, AT)
LUDESCHER, Gernot (Genottenhöhestrasse 32, Villach, A-9500, AT)
ON POINT INDICATORS GMBH (Suppanstrasse 69, Klagenfurt, A-9020, AT)
LUTSCHOUNIG, Ferdinand (Ressnig 80, Ferlach, A-9170, AT)
LANGER, Gregor (Peter-Graf-Gasse 17, Wölfnitz, A-9061, AT)
LENGFELDNER, Erhard (Suppanstrasse 69, Klagenfurt, A-9020, AT)
LUDESCHER, Gernot (Genottenhöhestrasse 32, Villach, A-9500, AT)
| Patentansprüche 1. Verfahren zur Überwachung der Temperatur-Zeit-Belastung einer Leiterplatte und/oder mindestens eines Bauteils (3) auf einer Leiterplatte (2) mittels eines irreversiblen farbumschlagenden Zeit-Temperatur-Indikators (TTIs) (6), wobei zumindest ein TTI-Kontrollelement (6) auf der Leiterplatte und/oder dem zu überwachenden Bauteil (3) appliziert wird, und als TTI-Kontrollelement (6) TTI- Substanzen aus organischen oder anorganischen Salzen von Übergangsmetallen mit einem molekularem Zersetzungsvorgang und homogen dispergiert in einer polymeren Matrix mit einer Aktivierung im jeweils relevanten Temperaturbereich verwendet werden, und diese TTI-Substanzen (6) eine irreversible visuell beziehungsweise maschinell verifizierbare Farbänderung im relevanten Temperaturbereich und in Abhängigkeit der Zeitdauer des Betriebes in dem relevanten Temperaturbereich aufweisen, und derart die Temperaturbelastung einer Leiterplatte und/oder eines Bauteils (3) auf einer Leiterplatte (2) überwacht werden kann. 2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das TTI- Kontrollelement (6) vor der Bestückung der Leiterplatte auf der Leiterplatte appliziert wird. 3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das TTI- Kontrollelement (6) nach der Bestückung der Leiterplatte auf der Leiterplatte und /oder auf dem zu überwachenden Bauteil und/oder in der Nähe des zu überwachenden Bauteils auf der Leiterplatte appliziert wird. 4. Verfahren zur Überwachung der Temperatur-Zeit-Belastung von Leiterplatten und/oder Bauteilen (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Anbringung eines TTI-Kontrollelementes (6) ein Kontroll-Meßpunkt (5) angeordnet wird, und der Abstand beider Elemente (5, 6) vom Bauteil (3) bevorzugt gleich ist. 5. Verfahren zur Überwachung der Temperatur-Zeit-Belastung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Anbringung eines TTI-Kontrollelementes (6) und eines Kontroll-Meßpunkts (5) ein auch bei thermischer Belastung farbunveränderbarer Kontrollpunkt (7) angeordnet wird, und der Abstand der Elemente (5, 6, 7) vom Bauteil (3) bevorzugt gleich ist. 6. Verfahren zur Überwachung der Temperatur-Zeit-Belastung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die die Applikation des TTI-Kontrollelementes (6) und/oder der Kontroll-Meßpunktes (5) und/oder Kontrollpunktes (7) mittels Dispenser oder Tampondruck oder InkJet oder Sprühdüse oder Aerosoljet erfolgt. 7. Verfahren zur Überwachung der Temperatur-Zeit-Belastung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das TTI-Kontrollelement (6) in runder oder ovaler oder strich- beziehungsweise streifenartiger Form ausgebildet wird oder einen Temperaturwert schriftlich darstellt oder eine weitgehend freie gestalterische Ausbildung aufweist. 8. Verfahren zur Überwachung der Temperatur-Zeit-Belastung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere TTI- Kontrollelemente (6) mit unterschiedlichem Abstand zum überwachenden Bauteil (3) verwendet werden, und die Substanz des TTI (6) identisch ist. 9. Verfahren zur Überwachung der Temperatur-Zeit-Belastung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere TTI- Kontrollelemente (6) verwendet werden, und der Temperaturbereich und die Zeitdauer, in dem eine Farbänderung wirksam ist, unterschiedlich ist. 10. Verfahren zur Überwachung der Temperatur-Zeit-Belastung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem zumindest einen TTI-Kontrollelement (6) ein weiteres Kontrollelement (7) angeordnet ist, das in der farblichen Gestaltung ausgeführt ist, die das TTI-Kontrollelement (6) dann aufweist, wenn eine Überschreitung der zulässigen Temperatur-Zeit- Belastung des Bauteils (3) gegeben ist. 11. Temperatur-Zeitindikator zur Ausführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Farbumschlag der Substanz des TTΪ-Kontrollelements (5, 6, 7) von weitgehend farblos bis weißlich in eine Farbe oder von einer Farbe in Richtung transluzent beziehungsweise weißlich erfolgt, und gegebenenfalls der Untergrund mit einer Kontrastfarbe ausgebildet wird. 12. Temperatur-Zeitindikator, nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Temperatur-Zeit-indizierende Substanz des TTI-Elementes (5, 6, 7) aus Kupfer(ll)hydroxid Cu(OH)2, Nickel(ll)chlorid Hexahydrat NiCI2 * 6 H2O, Bishexamethylentetramin Kobal(ll)nitrat Decahydrat Co(NO3)2 * 2 C6H12N4 * 10 H2O oder Nickel(ll)oxalat NiC2O4 homogen dispergiert in einer polymeren Matrix besteht. 13. Temperatur-Zeitindikator, nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das TTI-Kontrollelement (5, 6, 7) TTI-Substanzen aus organischen oder anorganischen Salzen von Übergangsmetallen mit einem molekularem Zersetzungsvorgang und homogen dispergiert in einer polymeren Matrix mit einer Aktivierung im jeweils relevanten Temperaturbereich umfasst, und diese TTI-Substanzen (6) eine irreversible visuell beziehungsweise maschinell verifizierbare Farbänderung im relevanten Temperaturbereich und in Abhängigkeit der Zeitdauer des Betriebes in dem relevanten Temperaturbereich aufweisen, und derart die Temperaturbelastung eines Bauteils (3) auf einer Leiterplatte (2) dargestellt wird. 14. Anwendung eines irreversiblen farbumschlagenden Temperatur-Zeit- Indikators (TTI) (6) zur Überwachung der Temperatur-Zeit-Belastung von Bauteilen (3) auf einer Leiterplatte (2) entsprechend dem Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13 und derart zur visuellen und/oder maschinellen Verifikation der Farbänderung des TTI-Kontrollementes (6) und derart zur Überwachung der integralen Temperatur-Zeit-Belastung des Bauteils (3). 15. Anwendung eines irreversiblen farbumschlagenden Temperatur-Zeit- Indikators (TTI) (6) zur Überwachung der Temperatur-Zeit-Belastung von Leiterplatten (2) entsprechend dem Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13 und derart zur visuellen und/oder maschinellen Verifikation der Farbänderung des TTI-Kontrollementes (6) und derart zur Überwachung der integralen Temperatur-Zeit-Belastung der Leiterplatte. |
Einleitung und Problemstellung:
Die Erfindung beschreibt Verfahren zur Überwachung der Temperatur-Zeit- Belastung mindestens einer Leiterplatte und/oder eines Bauteils auf einer Leiterplatte mit einer Anzeigevorrichtung zur Nachvollziehbarkeit von lebensdauermindernder Überhitzung von Leiterplatten und/oder elektronischen Bauteilen auf Trägerteilen und Leiterplatten mit miteinander verbundenen elektrischen Kontakten.
1 ) Bei der Bestückung von Leiterplatten besteht das Bedürfnis, die thermische Belastung der Leitplatte beim Durchlaufen durch den Reflow- Prozess überprüfen zu können. Der Hauptgrund, eine Leiterplatte mehrmals durch den Reflow-Prozess zu schicken, ist die Notwendigkeit die Bauteilbestückung bei unterschiedlichen SMT-Bauteilen in mehreren
Durchgängen durchführen zu müssen..
Das Bedürfnis besteht nun darin, nachweisbar zu machen, wie oft (wie viele Reflow-Zyclen) und bei welchen Peak-Temperaturen eine Leiterplatte thermisch behandelt wurde. 2) der Temperaturumschlagspunkt für die Überprüfung der
Leiterplattenbeanspruchung liegt im Allgemeinen aber nicht ausschließlich zwischen 200 0 C und 300 0 C.
3) Zur Überprüfung der Leiterplattenbeanspruchung beim Reflow- Prozess ist kein ortsabhängiges Kontrollelement nötig, da die Leiterplattenoberfläche im Idealfall an jeder Stelle gleich stark erhitzt wird. Das Kontrollelement kann irgendwo auf der Leiterplatte platziert sein, der Farbstoff des Indikators kann aber sogar in den Lötstopplack, der flächig auf die Leiterplatte aufgebracht wird, eingearbeitet sein. Weiters besteht das Bedürfnis, die thermische Belastung von auf der Leiterplatte angeordneten Bauteilen überprüfen zu wollen. Hierbei werden zwei Anwendungsfälle unterschieden:
1. Überprüfung der thermischen Belastung der auf der Leiterplatte angeordneten Bauteile während der Bestückung, insbesondere während des Durchlaufs durch das Lötbad bzw. den Reflow Ofen und/oder 2. Überprüfung der thermischen Belastung der auf der Leiterplatte angeordneten Bauteile während des bestimmungsgemäßen Betriebs der Leiterplatte, wenn diese beispielsweise in einem Gehäuse eingebaut und in Betrieb genommen wurde.
Als Anwendungsfall wird nachfolgend die Überprüfung der thermischen Belastung einer LED während des bestimmungsgemäßen Betriebes dargestellt:
Einen konkreten Problemfall stellt dabei die, durch die Möglichkeit der direkten elektrischen Ansteuerung von LEDs und einer dadurch entstehenden elektrischen Übersteuerung folgende Überhitzung dieser LEDs dar.
LEDs haben überall dort Vorteile gegenüber konventionellen Lichtquellen, wo deren kürzere Lebensdauer zu erhöhten Kosten oder Sicherheitsrisiken führt, oder wo der Energieverbrauch besonders relevant ist. Um Anwendungen mit LEDs mit hohen Helligkeiten zu realisieren, werden vor allem Hochleistungs- LEDs mit Betriebsleistungen über 1 Watt eingesetzt. Durch größere Chips und höhere Stromdichten werden sich in Zukunft die Betriebsleistungen pro LED weiter erhöhen.
Eine weitere Möglichkeit, die Strahlungsleistung zu erhöhen, ist das Zusammenfassen mehrerer LEDs zu einem leiterplatten-gestützten Array. Einer der wichtigsten Designparameter für heutige leistungsstarke LED-Arrays ist der Abstand der einzelnen Chips. Dichtes Packen bringt folgende Vorteile: Erhöhung der spezifischen Licht-Emission, effizienter Einsatz von Strahlformungs-Optiken, Ermöglichung kompakterer Designs und Reduzierung der System-Kosten. Bei der Erhöhung der Leistungsdichten der einzelnen Chips und bei Verringerung der Abstände in einem Array zwischen den Chips muss aber gleichzeitig dafür gesorgt werden, dass die entsprechend ebenfalls erhöhte Verlustwärme abgeführt wird, um sicherzustellen, dass die erzeugte Wärme ausreichend vom Halbleiterchip weggeleitet wird.
Eine zu große Erwärmung der LEDs während des Betriebs kann nämlich zur Beeinträchtigung oder sogar zur Zerstörung des Bauteils führen. Aus diesem Grund muss während des Betriebs der LED gewährleistet sein, dass die Temperatur an der Sperrschicht (aktive Zone) des p-n Übergangs eine gewisse kritische Temperatur - beispielsweise 125 0 C - nicht übersteigt (Bei einem AlInGaP/AIGaAs-Chip zum Beispiel, der die Farben nahes Infrarot (NIR) sowie Kirschrot bis Grün-Gelb erzeugen kann, sollte die Temperatur der Sperrschicht 85°C nicht überschreiten). Eine höhere Temperatur führt zur Degradation der Sperrschicht, was zunächst die Farbcharakteristik des Bauteils verändert. Da höhere Temperaturen in der Sperrschicht die Lebensdauer des Bauteils verkürzen, kommt es bei längerem Betrieb bei höheren Temperaturen zur Zerstörung der Sperrschicht und somit zum Totalausfall des Bauteils.
Diese Gefahr resultiert daraus, dass nur ein Teil der von der LED aufgenommenen elektrischen Leistung in Licht umgesetzt wird, während der restliche Teil in Wärme umgewandelt wird. Die Betriebsparameter von LEDs sind daher in Abhängigkeit von der Art der Montage, der Einbau- und Umgebungsbedingungen derart zu wählen, dass die Sperrschichttemperatur der LED beispielsweise 125°C nicht übersteigt.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass LEDs auf Trägerteilen montiert und kontaktiert eingesetzt werden. Üblicherweise bestehen diese aus einem glasfaserverstärktem Epoxidharzsystem, das jedoch einen hohen thermischen Widerstand aufweist und somit die Ableitung der Verlustwärme von der LED erschwert. Alternativ sind auch Keramikplatten bekannt, die zwar bessere thermische Eigenschaften bieten, aber sehr spröde und brüchig sind, was ihre Verwendung als Trägermaterial stark einschränkt.
In technischen Hochleistungsanwendungen werden gemäß dem Stand der Technik auch Metallkernleiterplatten eingesetzt. Diese bestehen aus einer Metallbasis, einer Isolationsschicht und einer Leiterbahnebene.
Weiters können verkupferte Durchkontaktierungen oder Metallplatten, die unter das Bauteil eingelegt werden, für eine bessere Wärmeabfuhr sorgen.
Trotz all dieser Möglichkeiten kann es durch das Betreiben des Bauteils bei zu hohen Betriebsparametern über längere Zeiträume, um z.B. die Lichtausbeute zu erhöhen, zu einer erhöhten Wärmeentwicklung kommen, sodass die Ableitung der produzierten Verlustwärme durch das Substrat nicht mehr gewährleistet werden kann. Es ist daher wichtig, dass das Bauteil in den dafür vorgesehenen Parametern betrieben wird, um eine zeitlich definierte Überhitzung und somit den Totalausfall des Bauteils zu vermeiden.
Nachträglich ist es derzeit kaum nachzuweisen, ob der Ausfall des Bauteils tatsächlich durch einen z.B. zu hohen Ansteuerstrom und somit durch eine thermisch bedingte Zerstörung der Sperrschicht bedingt wurde. Aus diesem Grund wäre für den Hersteller des Bauteils und des Substrates eine Indikation, ob das Bauteil im Betrieb innerhalb der spezifizierten Betriebsparameter betrieben wurde, von größter Wichtigkeit. Dadurch könnten daraus resultierende Regressforderungen seitens des Endkunden effektiv und objektiv entgegengewirkt werden. Diese Regressforderungen sind angesichts der Erwartungen an hohe Lebensdauer der Bauteile besonders brisant, da die Bauteile damit ihre, im Vergleich zu herkömmlichen Leuchtkörpern höheren Erstanschaffungskosten mit rechtfertigen.
Bestehende Lösungsansätze:
Es gibt Ansätze die oben beschriebene Problemstellung durch Indikatoren mit Wachsen zu lösen. Wachse reagieren bei einer kritischen Temperaturüberschreitung spontan und können daher keinen zeitverzögerten Farbumschlag gewährleisten (siehe z.B. US 6,564,742 B2; US 7,030,041 B2). Die Indikatoren sind zusätzlich in herkömmlicher Bauweise aufwendig (mehrere Schichten durch Folie, saugfähiger Lage und Wachs) und groß (ca. 10-15 mm Durchmesser) gestaltet. Das verhindert eine Aufbringung auf vielen Prüflingen bereits von vornherein. Solche Wachsindikatoren sind beispielsweise in der US 7063041 B2 oder der WO2007/012132A1 gezeigt.
Eine vereinfachte Aufbringung von Wachspfropfen im Dispensen/erfahren löst immer noch nicht das Problem des Spontanumschlags, sondern bringt sogar zusätzliche Schwierigkeiten durch mögliches Abrinnen des Wachses beim
Schmelzen, sobald der Prüfling nicht vollständig waagrecht eingebaut ist. Damit ist eine Nachvollziehbarkeit wiederum schwer möglich; eine Verschmutzung umgebender Bauteile jedoch das logische Risiko. Auch diverse Zusatzverdrahtungen im Sinne einer Übersteuerungssicherung
(„Sicherung") sind weder kosteneffizient einzubauen noch effektiv visuell überprüfbar.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die dauerhafte, farbliche Nachvollziehbarkeit von Temperaturüberschreitungen (.Kontrollpunkt 1 ) des Prüflings (Leiterplatte und/oder Bauteil auf der Leiterplatte), die zu einer massiven Reduktion der Lebensdauer führen; und damit zu nicht überprüfbaren Regressforderungen gegenüber dem Hersteller.
Lösung der Erfindung
Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt durch die technische Lehre des Anspruches 1.
Unter dem Begriff „Prüfling" wird hierbei die das Bauteil tragende Leiterplatte verstanden oder auch das Bauteil auf der Leiterplatte selbst. Wesentliches Merkmal der Erfindung ist die Anordnung von einem oder mehreren einfach aufzubringende Kontrollpunkten (definierte Menge einer Substanz), die bei definiertem Zeit-Temperaturverlauf einen bleibenden, irreversiblen Farbeindruck auf dem Prüfling hinterlassen. Die Anordnung mehrerer Kontrollpunkte kann dabei optional neben der Zeit- Temperaturcharakteristik eines Kontrollpunktes zusätzlich mehrere Zeit- Temperaturbereiche abdecken (z.B. Einmal bei 80 0 C und ca. 4 Tagen, ein anderes Mal bei 7O 0 C und ca. 7 Tagen). Es handelt sich also im eine Zeit- Temperatur integrierende Anzeigevorrichtung. So ist es das Ziel der Erfindung, abhängig vom Bedarf Kontrollpunkte zu setzen, die 1 bis 6 bis noch mehr Temperaturzyklen und zeitliche Einwirkdauern abbilden kann. Diese Abbildung ist jeweils möglichst deutlich über unterschiedliche Farben oder auch Graustufen bzw. generell Farbgradationen zu schaffen. Die notwendigen, zu unterscheidenden Temperaturzyklen können aber auch derart abgebildet werden, dass zum Beispiel ein Kontrollpunkt die Zyklen 1 bis 3 und der zweite Kontrollpunkt die Zyklen 4 bis 6 abbildet.
Eine ganze wesentliche Anforderung an diese Kontrollpunkte ist der bis zu, aber nicht ausschließlich verzögerte Farbumschlag von mehreren Stunden bis Tagen, Wochen oder sogar Monaten (jeweils von der Temperaturexposition abhängig). Damit wird eine herkömmliche Lösung des Problems über Anzeige von schlagartigen Temperaturüberschreitungen vermieden.
Wichtig ist im Sinne der Qualitätsprüfung im Warenausgang aber auch bei der späteren Überprüfung des/der Kontrollpunkte(s), dass es neben dem nicht umgeschlagenen Kontrollpunkt auch einen umgeschlagenen Kontrollpunkt gibt, der die Funktionalität des nicht umgeschlagenen Kontrollpunktes sicherstellt und bei jeglicher Prüfung eine entsprechende Gewissheit liefert. Dies kann auch zum Beispiel zentral bei Anwender durch die zur Verfügung Stellung von Legenden zum Abgleich der Farbentwicklung gelöst werden.
Unsere Lösung sieht dabei den Einsatz von thermochromen Substanzen vor, die in unterschiedlichen Verfahren auf den Prüfling aufgebracht werden können. Dabei sind unter anderem aber nicht ausschließlich folgende Verfahren vorgesehen:
- Offsetdruck - Flexodruck
- Rastertiefdruck
- Tampondruck
- Ink-Jet-Druck
- Dispenser-Applikation - Rollen-Applikation
- Rakel-Applikation
- Streich-Applikation
- Sprüh-Applikation
Bei den Substanzen kann es sich unter anderem aber nicht ausschließlich um folgende handeln:
- Salze/Oxide mit Phasenübergang im relevanten Temperaturbereich
- Salze mit Kristallwasserverlust im relevanten Temperaturbereich
- oxidierbare Substanzen - Substanzen mit Schmelzpunkt im relevanten Temperaturbereich
- Substanzen mit Zersetzung im relevanten Temperaturbereich
- Mehrkomponentensysteme mit Aktivierung im relevanten Temperaturbereich
In allen Fällen ist darauf zu achten, dass die eingesetzten Stoffe entsprechend der Umweltanforderungen verwertet werden.
Die Menge der Aufbringung ist abgestimmt auf die jeweilige Anwendung und beläuft sich durchschnittlich aber nicht grundsätzlich auf ca. 3 bis 20 Picoliter.
Der damit benötigte Platz für den Kontrollpunkt beläuft sich damit durchschnittlich aber nicht grundsätzlich auf ca. 1 bis 9 mm 2 .
Der Farbumschlag ist variabel und kann bei jeweiligen Zeit- Temperaturverhalten unterschiedlich gestaltet werden. So sind Farbumschläge möglich, die unter anderem aber nicht ausschließlich folgende Effekte aufweisen:
- Weiß auf Schwarz
- Schwarz auf weiß - Blau auf rot
- Blau auf grün
- Blau auf transparent
- Grün auf rot
- Rot auf transparent
Wesentlicher Bestandteil der Lösung ist auch deren Auswertbarkeit. Diese kann subjektiv über Abgleich der Kontrollpunkte mit diversen Farblegenden und Graustufenskalen passieren, kann aber auch maschinell über Abgleich und Standardisierung von Gradationswerten im Färb- und Schwarz-Weiß bzw. Graubereich erfolgen. Wichtig ist immer die eindeutige Zu-Erkennbarkeit und damit Bestimmbarkeit der jeweils auf den Kontrollpunkt ausgeübten Temperatur- und Zeitcharakteristik.
Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.
Zeichnungsbeschreibung
Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind. Im Folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor. Es zeigen:
Figur 1 : schematisch die Draufsicht auf eine unbestückte Mehrfachnutzenleiterplatte bestehend aus einer Mehrzahl an Einzelnutzen-Leiterplatten
Figur 2: die Draufsicht auf eine bestückte Einzelnutzen-Leiterplatte.
Figur 3: Temperaturverlauf an einer Anzeigevorrichtung nach dem Stand der Technik
Figur 4: Temperaturverlauf an einer Anzeigevorrichtung nach der Erfindung
Figur 5: gradueller Farbumschlag an einem Kontrollpunkt
Figur 6: Darstellung des zeitintegrierenden Umschlages des Kontrollpunktes
In Figur 1 ist schematisch die Draufsicht auf eine unbestückte
Mehrfachnutzenleiterplatte (1 ) bestehend aus einer Mehrzahl an Einzelnutzen- Leiterplatten (2) dargestellt.
Im vorliegenden Beispiel wird eine sogenannte einseitige Aluminiumkem- Leiterplatte für die Montage von LED-Bauteilen dargestellt. Die Ritzlinien (8) werden üblicherweise bereits vom Leiterplattenhersteller ausgeführt und dienen dazu, die Mehrfachnutzen-Leiterplatte (1 ) nach dem Bestückungs- und Lötvorgang in bestückte Einzelnutzen-Leiterplatten (2) zu trennen.
In Figur 2 ist die Draufsicht auf eine bestückte Einzelnutzen-Leiterplatte (2) dargestellt. Die Kontakt-Pads (4) auf der Leiterplatte (2) dienen der elektrischen Kontaktierung eines auf der Leiterplatte (2) angeordneten Bauteils (3). Im vorliegenden Fall sind die Kontaktflächen für die Kontaktierung einer LED (3) erkennbar, wobei die eigentliche LED (3) aufgrund der geringen Größe eines SMD (surface mount device) Bauteils nicht visuell erkennbar ist.
Bei der vorliegenden Anwendung einer thermisch gut ableitenden Aluminiumkern-Leiterplatte als Träger für das zu überwachende Bauteil (3) wird die Oberfläche (9) mit einem üblicherweise weißen Lötstopplack abgedeckt. Dadurch wird ein LED-Streulicht nach oben reflektiert.
Zur Überwachung der Temperatur-Zeit-Belastung des Bauteils ist ein TTI- Kontrollelement (6) auf der Leiterplatte angeordnet. Der Kontroll-Meßpunkt (5) wird mit einer schwarzen und gut absorbierenden und nicht reflektierenden Farbe ausgeführt und dient der berührungslosen Temperaturmessung.
Der Kontrollpunkt (7) dient der visuellen Kontrolle für den TTI (6) und wird in jener Farbe ausgeführt, die der TTI (6) bei Überschreitung einer vorgegebenen, erlaubten Temperatur-Zeit-Belastung des Bauteils (3) erreicht. Der Kontrollpunkt (7) ändert demzufolge seine Farbe auch nicht bei thermischer Belastung.
In allen Fällen müssen die Abstände der Elemente (5, 6, 7) vom Bauteil (3) genau festgelegt werden beziehungsweise muß der Indikatorbereich des TTI (6) auf diesen Abstand und die maximale Temperatur-Zeit-Belastbarkeit der Komponente (3) abgestimmt werden.
Die Anbringung des TTI (6) wird bevorzugt nach der Bestückung und Verlötung der Bauteile (3) auf der Mehrfachnutzenleiterplatte (1 ) und vor der Vereinzelung in bestückte Einzelnutzenleiterplatten (2) erfolgen.
Es können insbesondere mehrere TTIs (6) angeordnet werden. Dabei können identisch sensitive TTIs (6) verwendet werden und es wird in diesem Fall der Abstand zur Wärmequelle (3) variiert, um unterschiedliche hohe Temperatur- Zeitbelastungen anzeigen zu können. Es kann derart ein Verlauf der Temperatur-Zeit-Belastung visuell aufgezeigt werden. Es können ebenso unterschiedlich sensitive TTIs (6) nebeneinander beziehungsweise mit gleichem Abstand von der Wärmequelle (3) angeordnet werden, wobei derart ebenfalls die Höhe der Temperatur-Zeit-Belastung visuell aufgezeigt werden kann. Die TTIs (6) können des weiteren in nahezu beliebiger Form von rund bis oval bis strichartig oder in der Form einer Zahl ausgeführt werden. Beispielsweise können Temperaturzahlen wie 60 0 C - 70 0 C - 80 0 C - 90°C usw. angeordnet werden und je nach Temperatur-Zeit-Belastung werden dann Farbänderungen erkenntlich.
Die Temperaturzahlen beziehungsweise allgemein eine Beschreibung kann auch neben den z.B. punktförmigen TTIs (6) mittels Oberflächenbedruckung erfolgen. Dabei kann der Druckvorgang verwendet werden, mit dem der Kontroll-Meßpunkt (5) hergestellt wird.
Die Anbringung der TTIs (6) kann mittels Dispenser oder Tampondruck oder InkJet oder Sprühdϋse oder Aerosoljet erfolgen.
Die Sensitivität der TTIs (6) kann auch durch die applizierte Schichtdicke variiert werden.
Die TTI-Substanz (6) wird aus organischen oder anorganischen Salzen von Übergangsmetallen mit einem molekularem Zersetzungsvorgang gewählt und homogen dispergiert in einer polymeren Matrix mit einer Aktivierung im jeweils relevanten Temperaturbereich ausgebildet und diese TTI-Substanzen (6) weisen einen irreversiblen visuell beziehungsweise maschinell verifizierbaren Farbumschlag im relevanten Temperaturbereich von etwa 30 0 C bis 150 0 C, bevorzugt im Bereich 60°C bis 120 0 C und in Abhängigkeit der Zeitdauer auf.
Derart kann die Temperatur-Zeit-Belastung eines Bauteils (3) auf einer Leiterplatte (2) visuell und/oder maschinell überwacht werden. In einer anderen Ausführungsform, die zeichnerisch nicht dargestellt ist, wird die TTI-Substanz (6) unmittelbar vor dem Bestückungsvorgang und bevor dieses durch das Lötbad läuft auf die Leiterplatte aufgebracht. Nach dem Durchlauf durch das Lötbad kann dann die thermische Belastung der Leiterplatte anhand des Farbumschlages der TTI-Substanz (6) überprüft werden. Es können auch an verschiedenen Stellen der Leiterplatte solche TTI- Punkte (6) aufgebracht werden.
Damit wird die Leiterplatte dauerhaft mit den TTI-Punkten (6) versehen und bei einer nachträglichen Reparatur der Leiterplatte, wenn diese dann wieder ein Lötbad durchläuft, kann die thermische Belastung an dem dann eingetretenen Farbumschlag der TTI-Substanz (6) gut abgelesen werden.
Die Temperatur-Zeit-indizierende Substanz des TTI-Elementes (6) wird beispielhaft aus Kupfer(ll)hydroxid Cu(OH) 2 , Nickel(ll)chlorid Hexahydrat NiCI 2 * 6 H 2 O, Bishexamethylentetramin Kobalt(ll)nitrat Decahydrat Co(NO 3 ) 2 * 2 C 6 Hi 2 N 4 * 10 H 2 O oder Nickel(ll)oxalat NiC 2 O 4 homogen dispergiert in einer polymeren Matrix gebildet und mittels Dispenser oder Tampondruck oder InkJet oder Sprühdüse oder Aerosoljet appliziert.
Die Figur 3 zeigt einen Temperaturveriauf mit einem Farbumschlag nach dem Stand der Technik. Es werden beispielsweise Wachse als Indikatormaterial verwendet. Diese reagieren bei einer kritischen Temperaturüberschreitung spontan und können daher keinen zeitverzögerten (über die Zeit integrierenden) Farbumschlag gewährleisten.
Dies ist in Figur 3 dargestellt. Erreicht die Temperaturkurve 11 die kritische Temperaturgrenze 10 bei Position 12 kommt es zu einem irreversiblen Farbumschlag 13. Hierbei ist es gleichgültig, wenn die Temperatur kurze Zeit später bei Position 14 unter die kritische Grenze fällt und dort für eine bestimmte Zeit verweilt (Position 15) oder die Temperaturgrenze 10 erneut überschreitet (Position 16). Wie lange eine Temperaturüberschreitung bestand und ob dadurch eine für den p-n-Übergang des LEDs schädliche Grenze über eine längere Zeit überschritten wurde, lässt sich beim Stand der Technik nicht nachweisen.
Figur 4 zeigt den erfindungsgemäßen Verlauf der Überwachung eines Bauteils (3 in Figur 2.) Der zu überwachende Temperaturverlauf 11 beginnt unterhalb einer zu überwachenden Temperaturgrenze 17 bei z. B. 80 Grad Celsius. Bei Position 18 schneidet der Temperaturverlauf diese Temperaturgrenze 17 und gerät in einen Überwachungsbereich. Wichtig ist, dass eine Zeitintegrierende Erfassung der auf das TTI-Kontrollelement (6) wirkenden Temperatur erfolgt, sodass eine Temperaturüberschreitung im Zeitraum zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 bis zur Position 19 zu einem graduellen Farbumschlag des TTI-Kontrollelements (6) führt. Je öfter und damit länger die Temperaturgrenze 17 überschritten wird, z.B. zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 oder t5 und t6, und/oder je schneller der Termperaturanstieg ist (bei Position 20 und/oder je höher die Temperatur ist (Position 21 ), desto intensiver ist die Farbänderung des TTI-Kontrollelements (6).
Auf diese Weise wird eine integrierende Messung zur Erzeugung eines oder mehrerer Farbumschläge durchgeführt, bei der sowohl die absolute Höhe der Temperatur als auch die Einwirkungszeit dieser Temperatur auf den Kontrollpunkt erfasst werden.
Die Figur 5 zeigt den graduellen Verlauf des Farbumschlages eines TTI- Kontrollelements 6, der zunächst beispielsweise eine weiße Farbe aufweist und bei weiterer Temperatureinwirkung als TTI-Kontrollelement 6' beispielsweise eine rosa und danach als TTI-Kontrollelement 6" beispielsweise eine orange und danach als TTI-Kontrollelement 6'" beispielsweise eine magenta-rote Färbung einnimmt.
Die Figur 6 zeigt die Zeitintegration. Es ist erkennbar, dass bei Position 22 zunächst ein rosa Farbumschlag des TTI-Kontrollelement 6' erfolgt, der bis zur Position 23 anhält. Danach verwandelt sich die Farbgebung des TTI- Kontrollelements 6' in ein TTI-Kontrollelement 6" mit oranger Farbgebung und danach - ab Position 24 bis Position 25 in ein TTI-Kontrollelement 6'" mit magenta-roter Farbgebung.
Diese Angaben gelten bei einer konstanten Temperatur von zum Beispiel 120 Grad Celsius. Steigt die Temperatur jedoch auf einen höheren Wert, geschieht der Farbumschlag schneller. Die Breite der Balken wird dann schmaler.
Alle oben genannten Ausführungen können auch vorsehen, dass die wärmeleitende Verbindung zwischen dem LED-Chip 3 und den Kontrollpunkten 6 durch innere Schichten der Leiterplatte 1 erzeugt wird, wobei dann am Ort der Anbringung der Kontrollpunkte 3, 4 eine Sackbohrung an der Oberfläche der Leiterplatte 1 angebracht ist, in der jeweils ein Kontrollpunkt 5, 6 in wärmeleitender Verbindung mit dieser inneren wärmeleitenden Schicht angeordnet ist. Solche innere, wärmeleitenden Schichten aufweisenden Leiterplatten haben in der Regel einen inneren Metallkern.
In allen Anwendungsfällen sollte eine gute optische Sichtbarkeit der Kontrollpunkte 5, 6 gegeben sein.
Bezugszeichenliste
I Mehrfachnutzen-Leiterplatte unbestückt 2 Einzelnutzen-Leiterplatte bestückt
3 Bauteilkontaktflächen mit Bauteil, z.B. LED oder IC oder passive Komponenten (= Wärmequelle)
4 Kontaktflächen (Pads) auf der Leiterplatte
5 Kontroll-Meßpunkt 6 TTI Kontollelement (Temperatur-Zeit-Indikator)
7 Kontrollelement beziehungsweise Kontrollpunkt
8 Ritzlinien
9 Leiterplattenoberfläche
10 Temperaturgrenze
I 1 Temperaturverlauf
12 Position
13 Farbumschlag
14 Position 15 Position
16 Position
17 Temperaturgrenze
18 Position 19 Position
20 Steigung
21 Position
22 Position 24 Position
25 Position
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