مقدمة
الصمام الثنائي الباعث للضوء (الصمام الثنائي الباعث للضوء) هو جهاز شبه موصل في الحالة الصلبة يحول الطاقة الكهربائية إلى ضوء. ومقارنةً بالمصابيح المتوهجة التقليدية، تتمتع مصابيح الدايود المبتعث للضوء بالعديد من المزايا الواضحة. وتشمل هذه المزايا عمر الخدمة الطويل، ونطاق الألوان الواسع، والمتانة القوية، والتصميم المرن، والتحكم البسيط، وحماية البيئة. وبسبب هذه المزايا، تُعتبر مصابيح الدايودات الباعثة للضوء LED على نطاق واسع أحد أكثر مصادر الضوء الواعدة في المستقبل.
يمكن مزج مصابيح LED ذات الألوان الأحمر والأخضر والأزرق (RGB) لتوليد ضوء أبيض مع نطاق لوني واسع جدًا. وبسبب هذه الميزة، تعتبر مصابيح RGB LEDs جذابة جدًا للاستخدام في أنظمة الإضاءة الخلفية لشاشات العرض البلورية السائلة (LCD). يسمح هذا النوع من الإضاءة الخلفية لشاشات العرض بأن تصبح أقل سمكًا وعمرًا تشغيليًا أطول، وتوفر نسبة تعتيم أعلى، وتظهر ألوانًا أكثر إشراقًا وحيوية. وفي الوقت نفسه، فإن شاشات العرض هذه صديقة للبيئة بشكل أكبر.
وبسبب هذه المزايا، تم نشر العديد من الأوراق البحثية عن لوحات الإضاءة الخلفية LED ذات الإضاءة المباشرة ولوحات الإضاءة الخلفية LED ذات الإضاءة الحافة. أصدرت شركة Sony أول تلفزيون LCD في العالم يستخدم الإضاءة الخلفية المختلطة RGB-LED. وقد حقق هذا المنتج نطاقًا واسعًا جدًا من إعادة إنتاج الألوان، حيث وصل إلى 105% من التدرج اللوني القياسي للجنة الوطنية لنظام التلفزيون (NTSC).
ومع ذلك، لا تزال هناك مشاكل حرارية وراء هذه الإنجازات البحثية. أثناء التشغيل، تولد مصابيح LED حرارة. وتؤدي هذه الحرارة إلى انخفاض في شدة ناتج الضوء وتؤدي أيضًا إلى تحول في الطول الموجي السائد. ويؤدي هذان التأثيران إلى تغيير درجة حرارة اللون للشاشة ويؤدي إلى اختلافات في أداء NTSC. بالإضافة إلى ذلك، تؤدي الحرارة الزائدة إلى تقصير العمر التشغيلي للشاشة. لذلك، من أجل ضمان جودة الصورة والموثوقية على المدى الطويل، فإن الإدارة الحرارية لنظام الإضاءة الخلفية مهمة للغاية.
لتحسين الأداء الحراري لنظام الإضاءة الخلفية RGB-LED، يمكن النظر في نهجين رئيسيين. النهج الأول هو تحسين قدرة تبديد الحرارة لمصباح LED واحد. ويتمثل النهج الثاني في تحسين قدرة تبديد الحرارة لمجموعة مصابيح LED. كمصممين لنظام الإضاءة الخلفية RGB-LED، اخترنا النهج الثاني لحل المشكلة الحرارية.
لتحسين الأداء الحراري لنظام مصفوفة LED، هناك أيضًا طريقتان شائعتان. تتمثل إحدى الطريقتين في استخدام المراوح لزيادة سرعة تدفق الهواء حول نظام الإضاءة الخلفية. والطريقة الأخرى هي تقليل المقاومة الحرارية من وصلة LED إلى البيئة المحيطة. يُعد تصميم وحدة الإضاءة الخلفية على لوحة دوائر مطبوعة اقتصادية وعالية التوصيل الحراري حلاً أفضل.
في الوقت الحاضر، تستخدم تقنية الركيزة المعدنية المعزولة التقليدية المستخدمة على نطاق واسع (IMS) مواد البوليمر أو راتنجات الإيبوكسي كطبقة عازلة. وتتطلب هذه التقنية معالجة سطحية خاصة للقاعدة المعدنية. بالإضافة إلى ذلك، يبلغ الحد الأدنى لسمك الطبقة العازلة عادةً حوالي 75 ميكرومترًا. تزيد هذه السماكة من المقاومة الحرارية الكلية للوحة IMS. علاوة على ذلك، في ظل ظروف درجات الحرارة المرتفعة، قد تعاني ألواح IMS التقليدية من التفكك بين الطبقة العازلة والقاعدة المعدنية.
في هذه الورقة البحثية، نستخدم تقنية الرش المغنطروني المغنطروني لتصنيع نوع جديد من ثنائي الفينيل متعدد الكلور المعزول من الركيزة المعدنية. يتم توليد طبقة عازلة مشكلة كيميائيًا بسماكة 30 إلى 35 ميكرومترًا على سطح قاعدة من الألومنيوم. بعد ذلك، يتم تشكيل الدائرة المصممة على الطبقة العازلة باستخدام الرش المغنطروني المغنطروني. تتميز هذه الطبقة المعدنية المعزولة الجديدة من ثنائي الفينيل متعدد الكلور المعزول بأداء حراري ممتاز ويمكنها أيضًا القضاء على مشاكل التفكك أو التقشير في ظروف درجات الحرارة العالية.
تُظهر نتائج الاختبار أن المقاومة الحرارية للوح الألومنيوم المعزول الجديد من الألومنيوم المعزول تبلغ 4.78 درجة مئوية/ثانية، بينما تبلغ المقاومة الحرارية للوح الألومنيوم المعزول بالبوليمر التقليدي 7.61 درجة مئوية/ثانية.
تقنية الاخرق المغنطروني المغنطروني
عملية الاخرق الأساسية
الاخرق هو عملية تفريغ الهواء تُستخدم لترسيب مواد مثل المعادن والسيراميك والبلاستيك على سطح ما لتشكيل طبقة رقيقة. تعمل عملية الاخرق الأساسية على النحو التالي.
تتصادم الإلكترونات مع ذرات الغاز الخامل، وعادةً ما تكون الأرجون، وتؤينها. يتم تسريع هذه الأيونات عالية الطاقة بواسطة مجال كهربائي وتقصف المادة المستهدفة التي سيتم ترسيبها. وبسبب هذا القصف القوي، تنقذف الذرات من سطح المادة المستهدفة. وتحت تأثير المجال الكهربائي، تترسب هذه الذرات في النهاية على سطح الركيزة وتشكل طبقة رقيقة ذرية. ويعتمد سمك هذه الطبقة الرقيقة على وقت الاخرق.
يتكون عادةً ثنائي الفينيل متعدد الكلور التقليدي المعزول بالبوليمر من طبقة نحاسية وطبقة لاصقة وطبقة عازلة من البوليمر وشريحة LED ومادة لاصقة وقاعدة ألومنيوم. وفي المقابل، يُدخل الرش المغنطروني المغنطروني مجالاً مغناطيسيًا إضافيًا في العملية.
عملية الاخرق المغنطروني
تختلف عملية الاخرق المغنطروني الكامل عن عملية الاخرق بالتيار المباشر الأساسية بشكل أساسي لأنه يتم تطبيق مجال مغناطيسي قوي بالقرب من منطقة الهدف. يجبر هذا المجال المغناطيسي الإلكترونات على التحرك على طول خطوط المجال المغناطيسي بالقرب من سطح الهدف بدلاً من أن تنجذب نحو الركيزة.
بالمقارنة مع الاخرق الأساسي، يوفر الاخرق المغنطروني ثلاث مزايا رئيسية. أولاً، تنحصر منطقة البلازما بالقرب من المادة المستهدفة ولا تتلف الطبقة الرقيقة المكوّنة. ثانيًا، يصبح طول مسار الإلكترون أطول، مما يزيد من احتمال تأين ذرات الأرجون. ونتيجة لذلك، يتم إخراج المزيد من الذرات المستهدفة، وتتحسن كفاءة الاخرق. ثالثًا، تحتوي الأغشية الرقيقة التي ينتجها الرش المغنطروني على عدد أقل من الشوائب، مما يضمن جودة عالية للفيلم.
تصميم ركيزة الألومنيوم المعزول بأكسيد الألومنيوم ثنائي الفينيل متعدد الكلور
تتكون ركيزة الألومنيوم المعزولة بأكسيد الألومنيوم ثنائي الفينيل متعدد الكلور من ثلاث طبقات: طبقة قاعدة الألومنيوم، والطبقة العازلة المؤكسدة، وطبقة المعادن. وتتكون طبقة التمعدن نفسها من ثلاثة أغشية رقيقة، وهي الطبقة الأساسية، والطبقة الموصلة والطبقة الموصلة والطبقة القابلة للحام.
طبقة أساس من الألومنيوم
تشكل طبقة الألومنيوم الأساسية أساس ثنائي الفينيل متعدد الكلور. عند اختيار مادة الألومنيوم، يجب مراعاة عاملين. أولاً، يجب أن يكون للألومنيوم قوة ميكانيكية كافية وقابلية جيدة للتشغيل الآلي. ثانياً، يجب أن يكون مناسباً للمعالجة بالأكسدة والعزل. في ظل ظروف معينة، يمكن أيضًا معالجة قاعدة الألومنيوم في هيكل على شكل زعنفة لزيادة تحسين تبديد الحرارة.
طبقة عازلة بأكسيد الألومنيوم
يتم تشكيل الطبقة العازلة المؤكسدة من خلال عملية أنودة خاصة تخلق بنية دقيقة يسهل اختراقها. تحدد هذه البنية الدقيقة المسامية أداء العزل الكهربائي للطبقة. واعتماداً على تقنية المعالجة المستخدمة، يمكن أن تتراوح قوة العزل الكهربائي لهذه الطبقة من 250 فولت إلى 3000 فولت.
وباستخدام الطباعة الليثوغرافية الضوئية أو تقنية الإخفاء، يتم تشكيل نمط الدائرة على هذه الطبقة. يسمح هذا التصميم بالتكامل السلس بين الطبقة الأساسية والطبقة العازلة. وفي الوقت نفسه، يتم تركيب رقائق LED مباشرة على هذه الطبقة. ونتيجة لذلك، تشكل رقاقة LED وثنائي الفينيل متعدد الكلور ومشتت الحرارة هيكلًا واحدًا متكاملًا. وهذا يحسن بشكل كبير الأداء الحراري الكلي لثنائي الفينيل متعدد الكلور.
طبقة التمعدن
وتتكون طبقة التمعدن من طبقة أساسية، وطبقة موصلة وطبقة قابلة للحام. لا يجب أن توفر هذه الطبقة توصيلًا كهربائيًا جيدًا فحسب، بل يجب أن تضمن أيضًا التصاقًا قويًا بين طبقة التمعدن والطبقة العازلة المؤكسدة. يتم تشكيل الدائرة على هذه الطبقة باستخدام تقنية الرش المغنطروني المغنطروني.
يتراوح سمك الطبقة الأساسية بين 0.1 و0.15 ميكرومتر. ويتم تشكيلها عن طريق رش معادن مثل الكروم أو التيتانيوم. وتتمثل الوظيفة الرئيسية للفيلم الأساسي في توفير التصاق قوي بين طبقة التمعدن والطبقة العازلة المؤكسدة. مع رش المغنطرون المغنطروني، يمكن أن تصل قوة الالتصاق إلى 1000 نيوتن/سم²، مما يجعل الرابطة مستقرة للغاية. بالإضافة إلى ذلك، يتمتع الفيلم الأساسي بمقاومة ممتازة لدرجات الحرارة العالية. حتى في درجات الحرارة التي تزيد عن 320 درجة مئوية لمدة 10 ثوانٍ، لا يحدث أي تقرحات أو تقشير. لذلك، فهي مناسبة تمامًا لعمليات اللحام الخالية من الرصاص.
يتراوح سمك الطبقة الموصلة بين 1 و2 ميكرومتر. ويتم تشكيله عن طريق رش النحاس أو النيكل أو سبائك النحاس والنيكل. يخدم هذا الفيلم غرضين رئيسيين. الغرض الأول هو حمل كثافة تيار معينة. والغرض الآخر هو العمل كطبقة عازلة عند حدوث تشوه بسبب الاختلافات في معاملات التمدد الحراري بين الطبقة الأساسية والطبقة القابلة للحام. يساعد تأثير التخزين المؤقت هذا في الحفاظ على استقرار طبقة التمعدن بأكملها.
يتراوح سمك الطبقة القابلة للحام بين 0.3 و0.8 ميكرومتر. ويتم تشكيلها عن طريق رش معادن مثل الذهب أو الفضة، والتي تتمتع بتوصيل حراري جيد وتوصيل كهربائي وقابلية لحام جيدة. وتتمثل الوظيفة الرئيسية لهذه الطبقة في تسهيل لحام المكونات الإلكترونية، بما في ذلك رقائق LED.
تكنولوجيا عمليات التصنيع
تتضمن عملية التصنيع بأكملها خمس خطوات يمكن تجميعها في ثلاث مراحل رئيسية. تشمل هذه المراحل أنودة قاعدة الألومنيوم، وتشكيل نمط الدائرة الكهربائية على الطبقة العازلة المؤكسدة باستخدام الطباعة الليثوغرافية الضوئية أو الإخفاء، وترسيب الفيلم الأساسي، والفيلم الموصّل، والفيلم القابل للحام باستخدام الرذاذ المغنطروني، وأخيرًا طباعة الشاشة وتطبيق التدفق وقناع اللحام.
أنودة قاعدة الألومنيوم بأكسيد الألومنيوم
أولاً، تخضع قاعدة الألومنيوم لإزالة الشحوم من السطح وتنظيفه. ثم توضع في حمام إلكتروليتي مملوء بإلكتروليت. يمكن أن يكون المنحل بالكهرباء حمض الكبريتيك أو حمض الأكساليك، اعتمادًا على الخصائص المطلوبة لطبقة الأكسيد وظروف العملية. أثناء عملية الأنودة، تعمل قاعدة الألومنيوم كأنود. تشمل معلمات العملية الرئيسية تركيز الإلكتروليت وكثافة التيار ودرجة حرارة الإلكتروليت. للحصول على طبقة عازلة مؤهلة بأكسيد الألومنيوم، يجب التحكم بعناية في وقت الأنودة.
الترسيب بالرش المغنطروني المغنطروني
قبل ترسيب الفيلم، يجب إنشاء نمط الدائرة الكهربائية على الطبقة العازلة المؤكسدة باستخدام الطباعة الليثوغرافية الضوئية أو تقنية الإخفاء. عند استخدام الطباعة الليثوغرافية الضوئية، يتم طلاء صفيحة الألومنيوم المؤكسد بمقاوم للضوء، ويتم تعريضها وتحميضها. ثم يتم تركيبها في تركيبات بدون قناع. عند استخدام تقنية الإخفاء، يتم تركيب صفيحة إخفاء على سطح التَرْكِيبة عند تثبيت صفيحة الألومنيوم المؤكسدة.
خطوات ما بعد المعالجة
ووفقًا لمتطلبات التصميم، يتم تطبيق التدفق وقناع اللحام على مناطق محددة من ثنائي الفينيل متعدد الكلور المطلي بأكسيد الألومنيوم المطلي بأكسيد الألومنيوم لتجهيزه لتجميع المكونات الإلكترونية.
طريقة حساب المقاومة الحرارية
تشير المقاومة الحرارية إلى مقاومة مادة موصلة للحرارة لتدفق الحرارة من مصدر حراري إلى جهاز ممتص للحرارة. وحدتها هي درجة مئوية/ثانية. تُعرَّف المقاومة الحرارية بأنها فرق درجة الحرارة مقسومًا على معدل انتقال الطاقة الحرارية.
يمكن التعبير عن المقاومة الحرارية بين نقطتين على أنها فرق درجة الحرارة مقسومًا على القدرة المبددة بين هاتين النقطتين.
طريقة قياس المقاومة الحرارية
تُستخدم عدة طرق شائعة الاستخدام لقياس الخصائص الحرارية لمصابيح LED. وتشمل هذه الطرق التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء، والطرق الطيفية، وطرق الطاقة الضوئية، وطرق درجة حرارة الرصاص، وطرق المعلمات الكهربائية. في هذه الورقة، تم اقتراح طريقة محسّنة للمعلمات الكهربائية.
يتم حساب المقاومة الحرارية بين الوصلة والبيئة المحيطة باستخدام درجة حرارة الوصلة ودرجة الحرارة المحيطة والقدرة المبددة. يرتبط ارتفاع درجة حرارة الوصلة خطيًا بالتغير في الجهد الأمامي عندما يكون التيار صغيرًا بما فيه الكفاية. نظرًا لأن درجة حرارة الوصلة الأولية تساوي تقريبًا درجة حرارة البيئة المحيطة، يمكن الحصول على الفرق بين درجة حرارة الوصلة والبيئة المحيطة مباشرةً.
من خلال الجمع بين المعادلات ذات الصلة، يمكن حساب المقاومة الحرارية من الوصلة إلى المحيط. في الممارسة العملية، تكون الطاقة الضوئية صغيرة جدًا مقارنةً بالطاقة الكهربائية، لذا يمكن إهمالها.
يتضمن إجراء القياس اختيار مصباح LED عالي الطاقة كمصدر تسخين، واستخدام مصباح LED قياسي كجهاز اختبار، وعزلهما كهربائيًا، وقياس تغيرات الجهد قبل التسخين وبعده، وحساب ارتفاع درجة الحرارة، وتحديد الطاقة المبددة، وأخيرًا حساب المقاومة الحرارية.
نتائج المقاومة الحرارية لركيزة الألومنيوم المعزول بأكسيد الألومنيوم ثنائي الفينيل متعدد الكلور
وباستخدام الطريقة الموصوفة، يمكن حساب المقاومة الحرارية لكل من مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور التقليدية المعزولة بالبوليمر والركيزة المعدنية المعزولة بالبوليمر ومركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور المعزولة بأكسيد الألومنيوم. بالإضافة إلى المقاومة الحرارية الكلية، يتم قياس المقاومة الحرارية لكل طبقة على حدة.
يتم توصيل المقاومات الحرارية للطبقات المختلفة على التوالي. المقاومة الحرارية الكلية هي مجموع المقاومات من الوصلة إلى الطبقة المعدنية، ومن الطبقة المعدنية إلى الركيزة، ومن الركيزة إلى البيئة المحيطة.
أظهرت النتائج أن المقاومة الحرارية لثنائي الفينيل متعدد الكلور المعزول بأكسيد الألومنيوم المعزول بأكسيد الألومنيوم أقل بمقدار 59.2% من مقاومة ثنائي الفينيل متعدد الكلور التقليدي المعزول بالبوليمر. ويرجع هذا التحسن بشكل أساسي إلى عاملين. أولاً، تحتوي ثنائي الفينيل متعدد الكلور التقليدي على طبقة هيكلية أكثر من ثنائي الفينيل متعدد الكلور المؤكسد. ثانياً، الطبقة العازلة المؤكسدة أرق بكثير ولديها موصلية حرارية أفضل بكثير من الطبقة العازلة المصنوعة من البوليمر.
الخاتمة
تعتبر الإدارة الحرارية قضية حاسمة في تطوير أنظمة الإضاءة الخلفية RGB-LED. في هذه الدراسة، تم تطوير نوع جديد من ثنائي الفينيل متعدد الكلور من ركيزة الألومنيوم المعزول بأكسيد الألومنيوم، وتم اقتراح طريقة محسّنة للمعلمات الكهربائية لقياس المقاومة الحرارية.
ومقارنةً بمركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور التقليدية المعزولة بالبوليمر المعزول بالبوليمر، فإن مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور المعزولة بأكسيد الألومنيوم لها عدة مزايا. لا توجد فجوة ميكانيكية بين الطبقة العازلة المؤكسدة وقاعدة الألومنيوم، مما يحسن القوة الميكانيكية الكلية. ويوفر هيكل التمعدن ثلاثي الطبقات الذي تم تشكيله بواسطة الرش المغنطروني المغنطروني التصاقًا قويًا لا يقل عن 1000 نيوتن/سم²، مما يعزز الاستقرار الميكانيكي. بالإضافة إلى ذلك، يؤدي انخفاض عدد الطبقات والطبقة العازلة الأقل سمكًا إلى خفض المقاومة الحرارية الكلية بشكل كبير بمقدار 59.2%.
وبسبب هذه المزايا، تُعد مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور ذات الركيزة الألومنيوم المعزولة بأكسيد الألومنيوم أكثر ملاءمة للاستخدام في أنظمة الإضاءة الخلفية RGB-LED من مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور ذات الركيزة المعدنية المعزولة بالبوليمر التقليدية.
