Uvod
Dioda koja emituje svjetlost (LED) je poluvodički uređaj u čvrstom stanju koji pretvara električnu energiju u svjetlost. U poređenju s tradicionalnim sijalicama sa žarnom niti, LED diode imaju mnoge očigledne prednosti. Te prednosti uključuju dug vijek trajanja, širok raspon boja, veliku izdržljivost, fleksibilan dizajn, jednostavnu kontrolu i zaštitu okoliša. Zbog ovih prednosti, LED diode se široko smatraju jednim od najperspektivnijih izvora svjetlosti za budućnost.
Crvene, zelene i plave (RGB) LED diode mogu se miješati kako bi se generiralo bijelo svjetlo s vrlo širokom gamom boja. Zbog ove osobine, RGB LED diode su vrlo privlačne za upotrebu u sistemima pozadinskog osvjetljenja zaslona s tekućim kristalima (LCD). Ova vrsta pozadinskog osvjetljenja omogućava da zasloni budu tanji, imaju duži radni vijek, pružaju veći omjer prigušivanja i prikazuju svjetlije i življe boje. Istovremeno, ovi zasloni su ekološki prihvatljiviji.
Zbog ovih prednosti objavljeno je mnogo istraživačkih radova o LED pozadinskim pločama s direktnim osvjetljenjem i LED pozadinskim pločama s bočnim osvjetljenjem. Prvi na svijetu LCD televizor koji je koristio miješano RGB-LED osvjetljenje proizveo je Sony. Ovaj je proizvod postigao vrlo širok raspon reprodukcije boja, dostižući 105% standardne palete boja Nacionalnog odbora za televizijski sistem (NTSC).
Međutim, iza ovih istraživačkih dostignuća i dalje postoje termalni problemi. Tokom rada LED diode stvaraju toplotu. Ta toplota uzrokuje smanjenje intenziteta svjetlosnog izlaza i također dovodi do pomaka dominantne talasne dužine. Ova dva efekta mijenjaju temperaturu boje ekrana i rezultiraju varijacijama u NTSC performansama. Osim toga, prekomjerna toplota skraćuje vijek trajanja ekrana. Stoga je, kako bi se osigurala kvaliteta slike i dugoročna pouzdanost, izuzetno važno termalno upravljanje sistemom pozadinskog osvjetljenja.
Da bismo poboljšali toplotne performanse RGB-LED pozadinskog osvjetljenja, mogu se razmotriti dva glavna pristupa. Prvi pristup je poboljšanje sposobnosti rasipanja toplote jednog LED dioda. Drugi pristup je poboljšanje sposobnosti rasipanja toplote LED matrice. Kao dizajneri RGB-LED pozadinskog osvjetljenja, odabrali smo drugi pristup za rješavanje toplotnog problema.
Da bi se poboljšale toplinske performanse sistema LED matrice, postoje dvije uobičajene metode. Jedna metoda je korištenje ventilatora za povećanje brzine protoka zraka oko sistema pozadinskog osvjetljenja. Druga metoda je smanjenje toplinske otpornosti od LED spoja do okoline. Dizajniranje modula pozadinskog osvjetljenja na ekonomskoj tiskanoj ploči visoke toplinske provodljivosti je bolje rješenje.
Trenutno, široko korištena konvencionalna tehnologija izolovanog metalnog podloga (IMS) koristi polimerne ili epoksidne smole kao izolacijski sloj. Ova tehnologija zahtijeva posebnu obradu površine metalne osnove. Pored toga, minimalna debljina izolacijskog sloja obično iznosi oko 75 mikrometara. Ova debljina povećava ukupnu toplotnu otpornost IMS ploče. Štaviše, u uslovima visokih temperatura, tradicionalne IMS ploče mogu doživjeti delaminaciju između izolacionog sloja i metalne osnove.
U ovom radu koristimo tehnologiju magnetron sputtering za izradu nove vrste PCB-a sa izolovanim metalnim podlogom. Hemijski formiran izolacijski sloj debljine od 30 do 35 mikrometara stvara se na površini aluminijske podloge. Zatim se dizajnirani krug formira na izolacionom sloju pomoću magnetron sputtering tehnologije. Ovaj novi PCB s izolovanim metalnim podlogom ima izvrsna toplotna svojstva i također može eliminirati probleme delaminacije ili ljuštenja pri visokim temperaturama.
Rezultati testova pokazuju da je toplotni otpor nove izolirane aluminijske ploče s podlogom 4,78 °C/W, dok je toplotni otpor tradicionalne aluminijske ploče s podlogom izolirane polimerom 7,61 °C/W.
Tehnologija magnetronnog raspršivanja
Osnovni proces isparavanja
Sputtering je vakuumski proces koji se koristi za taloženje materijala poput metala, keramike i plastike na površinu kako bi se formirao tanki sloj. Osnovni proces sputtering-a radi na sljedeći način.
Elektroni se sudaraju s atomima inertnog plina, obično argona, i ioniziraju ih. Ti visokoenergetski ioni ubrzavaju se električnim poljem i bombardiraju materijal mete koji treba nanijeti. Zbog ovog snažnog bombardiranja atomi se izbacuju s površine materijala mete. Pod utjecajem električnog polja ti atomi se na kraju talože na površinu podloge i formiraju atomski tanak sloj. Debljina tog tankog sloja ovisi o vremenu rasprskavanja.
Konvencionalna PCB ploča s metalnom podlogom izoliranom polimerom obično se sastoji od bakrenog sloja, sloja ljepila, polimernog izolacijskog sloja, LED čipa, ljepila i aluminijske osnove. Suprotno tome, magnetron sputtering uvodi dodatno magnetsko polje u proces.
Magnetronski proces raspršivanja
Cjelokupan proces magnetronskog raspršivanja razlikuje se od osnovnog raspršivanja istosmjernom strujom prvenstveno zato što se u blizini područja cilja primjenjuje snažno magnetsko polje. Ovo magnetsko polje prisiljava elektrone da se kreću duž linija magnetskog polja u blizini površine cilja umjesto da budu privučeni prema podlozi.
U poređenju s osnovnim isparavanjem, magnetron sputtering nudi tri glavne prednosti. Prvo, plazma je ograničena blizu materijala cilja i ne oštećuje tanki sloj koji se formira. Drugo, putanja elektrona postaje duža, što povećava vjerovatnoću ionizacije atoma argona. Kao rezultat toga, više atoma ciljnog materijala se izbacuje, a efikasnost raspršivanja se poboljšava. Treće, tanki slojevi proizvedeni magnetronskim raspršivanjem sadrže manje nečistoća, što osigurava visok kvalitet sloja.
Dizajn anodiziranog izolovanog aluminijskog podloge za štampane pločice
Anodizirana izolirana aluminijska podloga za tiskane pločice (PCB) sastoji se od tri sloja: aluminijskog baznog sloja, anodiziranog izolacijskog sloja i sloja metalizacije. Sam sloj metalizacije sastoji se od tri tanka filma: baznog filma, provodnog filma i lemljivog filma.
Aluminijska bazna podloga
Aluminijska bazna ploča čini temelj tiskane pločice. Prilikom odabira aluminijskog materijala moraju se uzeti u obzir dva faktora. Prvo, aluminij mora imati dovoljnu mehaničku čvrstoću i dobru obradivost. Drugo, mora biti pogodan za anodizaciju i izolacijsku obradu. U određenim uvjetima aluminijska baza se također može obraditi u strukturu s rebrima kako bi se dodatno poboljšala disipacija topline.
Anodizirani izolacijski sloj
Anodizirani izolacijski sloj formira se posebnim procesom anodizacije koji stvara mikroporoznu strukturu. Ova mikroporozna struktura određuje električne izolacijske performanse sloja. Ovisno o primijenjenoj tehnologiji obrade, dielektrična čvrstoća ovog sloja može se kretati od 250 V do 3000 V.
Korištenjem fotolitografije ili tehnologije maskiranja, na ovom sloju se formira uzorak kola. Ovaj dizajn omogućava besprijekornu integraciju između osnovnog sloja i izolacionog sloja. Istovremeno se LED čipovi direktno montiraju na ovaj sloj. Kao rezultat, LED čip, PCB i hladnjak čine jedinstvenu integrisanu strukturu. To znatno poboljšava ukupne termalne performanse PCB-a.
Sloj metalizacije
Metalizacijski sloj se sastoji od osnovnog filma, provodnog filma i lemivog filma. Ovaj sloj ne samo da mora osigurati dobru električnu provodnost, već i snažnu adheziju između metalizacijskog sloja i anodiziranog izolacionog sloja. Kolos se formira na ovom sloju pomoću tehnologije magnetron sputtering.
Osnovni sloj ima debljinu između 0,1 i 0,15 mikrometara. Formira se raspršivanjem metala kao što su krom ili titanij. Glavna funkcija osnovnog sloja je da osigura snažno prianjanje između sloja metalizacije i anodiziranog izolacionog sloja. Kod magnetronog raspršivanja, čvrstoća prianjanja može dostići 1000 N/cm², što vezu čini veoma stabilnom. Pored toga, bazni sloj ima odličnu otpornost na visoke temperature. Čak i na temperaturama iznad 320°C tokom 10 sekundi ne dolazi do stvaranja mjehurića niti ljuštenja. Stoga je u potpunosti pogodan za procese lemljenja bez olova.
Provodni film ima debljinu između 1 i 2 mikrometra. Formira se pulverizacijom bakra, nikla ili bakreno-nikl legura. Ovaj film služi dvjema glavnim svrhama. Jedna je svrha da prenosi određenu gustoću struje. Druga je svrha da djeluje kao tamponski sloj kada dođe do deformacije zbog razlika u koeficijentima toplinske ekspanzije između osnovnog filma i lemljivog filma. Ovaj tamponski učinak pomaže u održavanju stabilnosti cijelog sloja metalizacije.
Lemljivi film ima debljinu između 0,3 i 0,8 mikrometara. Nastaje raspršivanjem metala poput zlata ili srebra, koji imaju dobru toplotnu i električnu provodnost te lemljivost. Glavna funkcija ovog sloja je olakšati lemljenje elektroničkih komponenti, uključujući LED čipove.
Tehnologija proizvodnih procesa
Cijeli proizvodni proces obuhvata pet koraka, koji se mogu grupisati u tri glavne faze. Te faze uključuju anodizaciju aluminijske osnove, formiranje uzorka kola na anodiziranom izolacionom sloju pomoću fotolitografije ili maskiranja, taloženje osnovnog sloja, provodnog sloja i sloja pogodnog za lemljenje pomoću magnetron sputtering tehnike, te na kraju sitotisak i nanošenje fluksa i maske za lem.
Anodizacija aluminijske osnove
Prvo se aluminijska podloga podvrgava površinskom odmašćivanju i čišćenju. Zatim se postavlja u elektrolitsku kupku napunjenu elektrolitom. Elektrolit može biti sumporna kiselina ili oksalna kiselina, ovisno o potrebnim svojstvima oksidnog sloja i uvjetima procesa. Tijekom anodizacije aluminijska podloga djeluje kao anoda. Ključni parametri procesa uključuju koncentraciju elektrolita, gustoću struje i temperaturu elektrolita. Da bi se dobio kvalificirani anodizirani izolacijski sloj, vrijeme anodizacije mora biti pažljivo kontrolirano.
Magnetronsko taloženje
Prije nanošenja filmovog sloja, šablona kruga mora biti stvorena na anodiziranom izolacionom sloju pomoću fotolitografije ili tehnologije maskiranja. Kada se koristi fotolitografija, anodizirana aluminijska ploča se premazuje fotoresistom, izlaže i razvija. Zatim se montira u stezni uređaj bez maske. Kada se koristi tehnologija maskiranja, masena ploča se postavlja na površinu steznog uređaja prilikom stezanja anodizirane aluminijske ploče.
Koraci post-obrade
Prema zahtjevima dizajna, flukso i maska za lemljenje nanose se na određena područja premazanog anodiziranog aluminijskog podloge tiskane pločice kako bi se pripremila za montažu elektroničkih komponenti.
Metoda za izračunavanje toplotnog otpora
Temperaturni otpor odnosi se na otpor toplinski provodljivog materijala protoku topline od izvora topline do uređaja koji apsorbira toplinu. Jedinica mu je °C/W. Temperaturni otpor se definiše kao razlika u temperaturi podijeljena brzinom prijenosa toplinske snage.
Temperaturni otpor između dva tačke može se izraziti kao razlika temperatura podijeljena sa snagom koja se raspršuje između tih tačaka.
Metoda mjerenja toplotnog otpora
Za mjerenje termičkih karakteristika LED-ova obično se koriste nekoliko metoda. To uključuje infracrveno termalno snimanje, spektralne metode, metode optičke snage, metode temperature grla i metode električnih parametara. U ovom radu predložena je poboljšana metoda električnih parametara.
Termalni otpor između spojnice i okoline izračunava se koristeći temperaturu spojnice, temperaturu okoline i disipiranu snagu. Porast temperature spojnice linearno je povezan s promjenom napona u pravcu napred kada je struja dovoljno mala. Budući da je početna temperatura spojnice gotovo jednaka temperaturi okoline, razlika u temperaturi između spojnice i okoline može se dobiti izravno.
Kombiniranjem relevantnih jednačina može se izračunati toplotni otpor od spojke do okoline. U praksi je optička snaga mnogo manja u odnosu na električnu snagu, pa se može zanemariti.
Postupak mjerenja uključuje odabir LED diode visoke snage kao izvora za grijanje, korištenje standardne LED diode kao testnog uređaja, njihovo električno izoliranje, mjerenje promjena napona prije i nakon grijanja, izračunavanje porasta temperature, određivanje disipirane snage i na kraju izračunavanje toplotnog otpora.
Rezultati toplotnog otpora anodiziranog izolovanog aluminijskog podloge za PCB
Koristeći opisanu metodu, može se izračunati toplotni otpor i konvencionalnih PCB-ova s polimerski izolovanim metalnim podlogama i PCB-ova s anodiziranim aluminijskim izolovanim podlogama. Pored ukupnog toplotnog otpora, mjeri se i toplotni otpor svakog pojedinačnog sloja.
Temperaturni otpori različitih slojeva su spojeni serijski. Ukupni temperaturni otpor je zbir otpora od spojnice do metalnog sloja, od metalnog sloja do podloge i od podloge do okoline.
Rezultati pokazuju da je toplotni otpor anodiziranog izoliranog aluminijskog podloge za PCB 59,21 TP3T niži nego kod konvencionalnog PCB-a s metalnom podlogom izoliranom polimerom. Ovo poboljšanje je uglavnom posljedica dva faktora. Prvo, konvencionalni PCB ima jedan strukturni sloj više nego anodizirani PCB. Drugo, anodizirani izolacijski sloj je znatno tanji i ima mnogo bolju toplotnu provodnost od polimernog izolacijskog sloja.
Zaključak
Termalno upravljanje je ključno pitanje u razvoju RGB-LED pozadinskih osvjetljivačkih sistema. U ovoj studiji razvijen je novi tip PCB-a sa anodiziranim izolovanim aluminijskim podlogom, te je predložena poboljšana metoda električnih parametara za mjerenje toplotnog otpora.
U poređenju sa konvencionalnim PCB-ovima sa polimerski izolovanim metalnim podlogama, PCB sa anodiziranom aluminijskom izolacijskom podlogom ima nekoliko prednosti. Ne postoji mehanički razmak između anodiziranog izolacionog sloja i aluminijske osnove, što poboljšava ukupnu mehaničku čvrstoću. Tro-slojna struktura metalizacije formirana magnetronskim raspršivanjem osigurava snažnu adheziju od najmanje 1000 N/cm², što dodatno povećava mehaničku stabilnost. Osim toga, smanjeni broj slojeva i tanji izolacioni sloj značajno smanjuju ukupni toplotni otpor za 59,21 °C.
Zbog ovih prednosti, anodizirane PCB ploče s izoliranim aluminijskim podlogom pogodnije su za upotrebu u RGB-LED pozadinskim osvjetljavajućim sistemima nego konvencionalne PCB ploče s metalnom podlogom i polimernom izolacijom.
