bester Kleber für FR4 auf Aluminium

Ich mache meine eigenen LED-Lampen (für Keilsockelfassungen in einer Niederspannungsanwendung). Ein wichtiges Konstruktionsdetail erfordert, dass ich ein kleines (ungefähr 3/8" x 1") Stück einer FR4-Leiterplatte (die in eine Keilsockelbuchse passt und ein paar kleine Komponenten hält) an einen Aluminium-"Stern" (a thermisches Substrat für den LED-Emitter selbst):

https://www.mouser.com/ProductDetail/Bergquist-Company/804087?qs=jQRjkUoUCJebprw0Kn9Vjw%3D%3D

Der FR4 steht senkrecht zum Stern, mit der schmalen 3/8-Zoll-Kante des FR4 gegen die Rückseite des Sterns.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Der Osram Oslon SSL-Emitter läuft mit bis zu einem Watt (aber normalerweise näher an 3/4). Sie arbeiten kontinuierlich bis zu 10 Stunden am Stück. Die maximal spezifizierte Sperrschichttemperatur beträgt 135 C.

Meine Frage, was ist die beste Methode, um diese Befestigung zu machen? Ich habe JB Weld Epoxid (zweiteilig), 100 % Silikonabdichtung (insbesondere GE Clear Silicon II) ausprobiert und beabsichtige, mit Sugru zu experimentieren. Das Epoxid ist ziemlich stark, aber ich habe es geschafft, die Verbindungen zu brechen, wenn ich Glühbirnen aus den Fassungen herausziehe, wenn sie festsitzen. Das Silikon hat den Vorteil der Flexibilität, aber ich glaube nicht, dass es so stark ist; Es ist auch einfacher zu montieren, da es genügend Steifigkeit hat, um den FR4 während des Aushärtens in Position zu halten, während das Epoxid eine Verstrebung erfordert. Ich habe noch nie mit Sugru gearbeitet.

Gibt es andere Methoden, die ich in Betracht ziehen könnte? Faktoren, die ich nicht berücksichtigt habe?

Haben Sie Angaben zum Temperaturanstieg der Verbindungsstelle, z. B. 50 ° C, und haben Sie Berechnungen zu Rth durchgeführt? Die meisten Kunststoffe, einschließlich Silikon, Epoxid, Eisenpartikel in JB-Schweißnaht, FR4, sind hervorragende Wärmeisolatoren, aber dünner ist besser. Auch PU-Unterboden-Strukturkleber an den Kanten ist gut. Im Allgemeinen ist 99,9 % Silberepoxid mit der dünnsten Schicht und der strukturellen Unterstützung am besten geeignet, um ein Verziehen zu verhindern.
Ich habe kürzlich JB Weld: Plastic Bonder verwendet , um Nylon-Abstandshalter auf einer verzinkten Stahlbasis zu montieren. Sehr milder Flex und eine felsenfeste Bindung. Könnte mir vorstellen, dass es für deine Bedürfnisse gut funktionieren würde, kann es aber nicht sicher sagen.
@ Tony, ich werde weniger als ein Watt laufen lassen, und vorläufige Ergebnisse (zugegebenermaßen sehr adhoc) zeigen, dass der Stern nicht zu heiß wird. Aber es ist ein guter Punkt, dass ich vermeiden muss, die Rückseite des Sterns zu gut zu isolieren. Diese wärmeleitenden Epoxide sehen viel besser aus, sind aber sehr teuer, daher verwende ich sie nur, wenn ich muss.
Ein Teil des Problems ist die thermische Ausdehnung und Kontraktion von Aluminium mit der Temperatur. Ich konnte eine Aluminiumhalterung nur mit RTV 262, das kein Ammoniak enthält, auf eine Edelstahlbox kleben. Alle Arten von Epoxiden und Zementen bestanden den Hitze-/Gefriertest nicht. Ich habe keine bessere Meinung als RTV.
@Tony Sie schlagen nicht vor, dass PU-Unterbodenkleber besonders gut für die Wärmeleitfähigkeit ist, aber eine gute Festigkeit, oder? Was meinst du mit "an Kanten"?
Meine Erwartung ist, dass Epoxid bei hohen Temperaturen versagen wird. Es kann jedoch etwas besser funktionieren, wenn es speziell für hohe Temperaturen ausgelegt ist und wenn Sie in der Lage sind, eine kontrollierte Wärmebehandlung nach der Aushärtung anzuwenden. Silikon scheint eine gute Wahl zu sein. Sie MÜSSEN ein Silikon verwenden, das für PCBs entwickelt wurde. Es gibt auch doppelseitiges Acrylklebeband für Kühlkörper. Was auch immer Sie verwenden, Sie müssen möglicherweise zuerst eine Oberflächenbehandlung durchführen. Folienreste auf dem Aluminium oder FR4 können zum Versagen der Verklebung führen.
Ich denke auch, dass die Kantenverleimung FR4 kein guter Plan ist, weil es nicht viel Oberfläche gibt, mit der man arbeiten kann. Vielleicht möchten Sie also den gesamten Ansatz überdenken.
@RustyShackleford richtig. Ich habe nicht PU für die thermische Bindung vorgeschlagen, sondern die strukturelle Festigkeit für CTE-Scher- und Verwindungskräfte. Das Silberepoxid muss nur die Gruben der Nicht-Koplanarität füllen, die geklemmt werden, um alle Luftspalte so sehr dünn zu entfernen. Die CPU verwendet mit Silber und Keramik gefülltes Fett unter extrem flachen Oberflächen mit starker struktureller Federkraft, um dasselbe zu tun. Aber hier zeigt sich eine strukturelle Schwäche.
@mkeith, ich klebe nicht nur Kanten (hätte das im OP klarer machen sollen), sondern es würde ein kegelförmiges Klebstofffilet geben, das vielleicht 3/8 "Durchmesser auf der Rückseite des Sterns hat und dann kommt etwa 1/4 "an den Seiten der Platine hoch
@mkeith, mit Silizium für Leiterplatten meinen Sie "neutrale Aushärtung" im Gegensatz zur üblichen "Säureaushärtung"? Wie in diesem umfassenden Beitrag beschrieben: electronic.stackexchange.com/questions/18525/…
Ja. neutral heilen. Darüber hinaus würde ich in Ermangelung von Expertenwissen etwas verwenden, das von einem Hersteller von Markenklebstoffen hergestellt wird, wenn in der Produktliteratur ausdrücklich die Anwendung auf PCBAs erwähnt wird. Es ist wichtig, dass beispielsweise keine leitfähigen Zusätze vorhanden sind, die Schaltkreise kurzschließen könnten. Aber letztendlich, aufgrund der Art und Weise, wie Sie dies tun (am Rande), denke ich wirklich, dass Sie es sich noch einmal überlegen sollten. Vielleicht machen Sie eine kleine Metallklammer, um das Brett mit dem Stern zu verbinden. Wenn Sie sich auf ein Filet verlassen, muss das Filetmaterial Festigkeit haben. Dies spricht für Epoxid und gegen Silikon.
Es gibt Kompromisse und Sie müssen möglicherweise mehrere verschiedene Lösungen testen. Außerdem müssen Sie untersuchen, wie die Dinge scheitern. Ist die Verklebung direkt an der Grenze zwischen Platte und Epoxidharz oder Aluminium/Epoxidharz fehlgeschlagen? In diesem Fall kann eine Oberflächenvorbereitung das Problem lösen. Wenn das Epoxid versagt (in der Mitte des Filets gerissen), müssen Sie zu einem stärkeren Material (wie Aluminium) wechseln.
Meine Fehler mit Epoxid waren an der Epoxid/Aluminium-Grenze. Die Leiterplatte hat viel mehr Unregelmäßigkeiten, damit das Silizium greifen kann, und ich werde letztendlich meine eigene Leiterplatte entwerfen, damit ich ein großes Durchgangsloch einbauen kann, sodass es tatsächlich eine "Brücke" aus Klebstoff gibt, die diese Verbindung hält. Ich habe noch nicht versucht, das Aluminium aufzurauhen (nur reinigen und schnell mit Schmirgelleinen passieren). Auch hier ist mit meinem eigenen PCB-Design ein wenig Leitfähigkeit im Klebstoff kein Problem. Das Silikon scheint wirklich ziemlich stark zu sein, und ich tendiere dazu.
Wenn ich eine kleine Metallhalterung machen würde, wie Sie vorschlagen, könnte ich sie natürlich an mein PCB-Design schrauben. Ich müsste es noch an das Sternaluminium zementieren. Ich hätte jedoch den Vorteil ähnlicher Materialien und einer größeren Verbindungsfläche. Es würde auch beim Problem der (fehlenden) Wärmeleitfähigkeit helfen.
Können Sie ein Loch in den Stern bohren, durch das der FR4 passt, damit Sie einen Stift durch den FR4 stecken können, um ihn zu sichern?
Ich glaube nicht, dass ich ein so großes Loch einbauen kann (ohne die LED-Emitter und die Spuren zu den Pads für Lötkabel zu stören), aber ein kleiner Halt könnte trotzdem nützlich sein, um eine L-förmige Halterung zu befestigen und Klebstoffe zu vergessen insgesamt.

Antworten (1)

Dies sollte in der Lage sein, mit einem angemessenen Maß an Vertrauen entweder allein aus der Theorie oder mit ein wenig experimenteller Hilfe "entworfen" zu werden.

Die Schlüsselparameter scheinen Kühlkörpertemperatur, auftretende Kräfte und Haftleistung bei den verwendeten Materialien zu sein.

Unabhängig von den Überlegungen zum Klebstoff hat die LED-Montagetemperatur eine maximale Obergrenze, die durch die LED-Temperaturwerte festgelegt wird. Als erste Annäherung sind moderne Cree-LEDs der Beleuchtungsklasse für eine Betriebstemperatur von 105 °C ausgelegt. Das ist nach herkömmlichen elektronischen Maßstäben heiß - Sie werden das Gerät normalerweise nicht ständig viel darüber betreiben wollen, es sei denn, es gibt einen sehr guten Grund dafür, und niedriger ist wahrscheinlich klug.

Sie sagen nicht, welche Watt-LEDs Sie verwenden möchten, Betriebszeiten und Arbeitszyklen oder Zieltemperaturen oder Gesamtgröße. Diese Kombination steuert, ob es möglich ist, Ihre "Glühbirnen" ohne Mittel zur Wärmeabfuhr von außen zu bauen.

Ein Blick in die technischen Datenblätter einiger Epoxidklebstoffe zeigt eine große Bandbreite an Temperaturangaben. Einige grundlegende Epoxidharze (60 C max. Betrieb) würden nicht funktionieren. Andere mit einer 120 C max "vielleicht" Bewertung werden "vielleicht" funktionieren. Hochtemperatur-Epoxidharze widerstehen Temperaturen, die LEDs schnell töten würden.

Beispiele:

  1. Hier ist ein halbzufällig ausgewähltes technisches Datenblatt (TDS) für Epoxid.
    BOSTIK EPOXY BOND 5 MINUTE ZWEIKOMPONENTEN KLEBER

Man sagt

Wenn der Klebstoff vollständig ausgehärtet ist, kann er für kurze Zeit kochendem Wasser standhalten. Hitzebeständigkeitsbewertung von 60 ° C Dauertemperatur.

dh - es würde vielleicht Ihre Anforderungen an LEDs erfüllen, die garantiert für kurze Zeit eingeschaltet sind (Anzeige, Stopp ...), aber in Anwendungen versagen, bei denen die Temperaturen auf über 105 Grad steigen.

  1. EVO-STIK HARTER UND SCHNELLER ZWEIKOMPONENTEN-EPOXIDHARZ-KLEBSTICK.
    Temperatur: -40 C bis +120 C je nach Einsatzbedingungen

VIELLEICHT!

  1. Resinstech RT323 Hochtemperatur-Epoxidharzsystem
    Betriebstemperatur: -50 C bis 200 C

Geeignet.

  1. MG Chemicals Hochtemperatur-Epoxy-Verkapselungs- und Vergussmasse 832HT
    Konstante Betriebstemperatur -30 bis +225 °C
    Max. intermittierende Temp. 250 Grad

Geeignet.

Ein Blick auf die TDS für verschiedene Silikonkautschuke würde einen Vergleich ermöglichen, aber es scheint angemessene Epoxidharze zu geben.

Danke, Russell, für die Antwort. Ich habe die Frage (direkt unter der Abbildung) bearbeitet, um einige der von Ihnen erwähnten Informationen hinzuzufügen. 135 ° C scheinen schrecklich hoch zu sein, aber es sieht richtig aus (das "absolute" Maximum ist 160 ° C): media.osram.info/media/resource/hires/osram-dam-2495583/…
Ich habe jetzt hauptsächlich experimentelle Beweise, das sind einige Testbirnen, die ich mit Silikon-RTV und mit einfachem JB Weld-Epoxy hergestellt habe. Das Epoxid wird brechen, wenn ich zu stark ziehe, aber ich bezweifle, dass ich das Al angemessen vorbereitet habe (ich nehme an, ich sollte mit Lösungsmittel wischen, mit Schmirgelleinen polieren und erneut wischen). Das RTV funktioniert besser, wird aber irgendwann kaputt gehen. Ein Herr von Loctite hat dieses 2-Komponenten-Polyurethan empfohlen, und ich habe eine Tube auf dem Weg: ellsworth.com/products/Adhesives/urethane/…
Diese Testbirnen sind bis zu einem Jahr gelaufen. Der Stern wird nicht zu heiß zum Anfassen (hochwissenschaftlich). Aber ich glaube, es ist richtig, dass die Temperatur das große Problem ist, und zwar aus drei Gründen: 1. Die Klebeleiste isoliert den Stern zu stark, wodurch der Emitter überhitzen kann. 2. Die Temperatur schwächt den Klebstoff direkt (die Glasübergangstemperatur von U-05FL beträgt nur 48 ° C, könnte ein Problem darstellen). 3. Temperaturausdehnung/-kontraktion von Materialien schwächt die Verbindung.
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