Introduktion
En lysemitterende diode (LED) er en halvlederenhed i fast tilstand, der omdanner elektrisk energi til lys. Sammenlignet med traditionelle glødelamper har LED mange klare fordele. Disse fordele omfatter lang levetid, bredt farveområde, stærk holdbarhed, fleksibelt design, enkel kontrol og miljøbeskyttelse. På grund af disse fordele betragtes LED i vid udstrækning som en af de mest lovende lyskilder i fremtiden.
Røde, grønne og blå (RGB) LED'er kan blandes for at generere hvidt lys med et meget bredt farvespektrum. På grund af denne funktion er RGB-LED'er meget attraktive til brug i baggrundsbelysningssystemer til flydende krystalskærme (LCD). Denne type baggrundsbelysning gør det muligt for skærme at blive tyndere, have en længere levetid, give et højere dæmpningsforhold og vise lysere og mere levende farver. Samtidig er disse skærme mere miljøvenlige.
På grund af disse fordele er der udgivet mange forskningsartikler om direkte oplyste LED-baggrundsbelysningskort og kantbelyste LED-baggrundsbelysningskort. Verdens første LCD-tv med blandet RGB-LED-baggrundsbelysning blev udgivet af Sony. Dette produkt opnåede et meget bredt farvegengivelsesområde, der nåede 105% af National Television System Committee (NTSC) standardfarveskala.
Men bag disse forskningsresultater findes der stadig termiske problemer. Under drift genererer LED'er varme. Denne varme forårsager en reduktion i lysintensiteten og fører også til et skift i den dominerende bølgelængde. Disse to effekter ændrer skærmens farvetemperatur og resulterer i variationer i NTSC-ydelsen. Desuden forkorter overdreven varme skærmens levetid. For at sikre billedkvalitet og pålidelighed på lang sigt er det derfor ekstremt vigtigt med termisk styring af baggrundsbelysningssystemet.
For at forbedre den termiske ydeevne i et RGB-LED-baggrundsbelysningssystem kan man overveje to hovedtilgange. Den første tilgang er at forbedre varmeafledningsevnen for en enkelt LED. Den anden tilgang er at forbedre LED-arrayets varmeafledningsevne. Som designere af et RGB-LED-baggrundsbelysningssystem valgte vi den anden tilgang til at løse det termiske problem.
Der er også to almindelige metoder til at forbedre et LED-array-systems termiske ydeevne. Den ene metode er at bruge ventilatorer til at øge luftstrømningshastigheden omkring baggrundsbelysningssystemet. Den anden metode er at reducere den termiske modstand fra LED-krydset til det omgivende miljø. Det er en bedre løsning at designe baggrundsbelysningsmodulet på et økonomisk printkort med høj varmeledningsevne.
På nuværende tidspunkt bruger den udbredte konventionelle IMS-teknologi (Insulated Metal Substrate) polymer- eller epoxyharpiksmaterialer som det isolerende lag. Denne teknologi kræver en særlig overfladebehandling af metalbasen. Desuden er minimumstykkelsen på det isolerende lag normalt omkring 75 mikrometer. Denne tykkelse øger den samlede termiske modstand på IMS-kortet. Desuden kan traditionelle IMS-kort under høje temperaturer lide af delaminering mellem det isolerende lag og metalbasen.
I denne artikel bruger vi magnetronforstøvningsteknologi til at fremstille en ny type PCB med isoleret metalsubstrat. Et kemisk dannet isolerende lag med en tykkelse på 30 til 35 mikrometer genereres på overfladen af en aluminiumsbase. Derefter dannes det designede kredsløb på det isolerende lag ved hjælp af magnetronforstøvning. Dette nye isolerede metalsubstrat-PCB har en fremragende termisk ydeevne og kan også eliminere problemer med delaminering eller afskalning under høje temperaturer.
Testresultaterne viser, at den termiske modstand for det nye isolerede aluminiumsunderlag er 4,78 °C/W, mens den termiske modstand for et traditionelt polymerisoleret aluminiumsunderlag er 7,61 °C/W.
Magnetron-sputtering-teknologi
Grundlæggende sputteringsproces
Sputtering er en vakuumproces, der bruges til at aflejre materialer som metaller, keramik og plast på en overflade, så der dannes en tynd film. Den grundlæggende sputteringsproces fungerer på følgende måde.
Elektroner kolliderer med inerte gasatomer, normalt argon, og ioniserer dem. Disse højenergi-ioner accelereres af et elektrisk felt og bombarderer det målmateriale, der skal deponeres. På grund af dette stærke bombardement bliver atomer slynget ud fra overfladen af målmaterialet. Under påvirkning af det elektriske felt aflejres disse atomer til sidst på overfladen af substratet og danner en atomar tyndfilm. Tykkelsen af denne tynde film afhænger af sputteringstiden.
Et konventionelt PCB med polymerisoleret metalsubstrat består typisk af et kobberlag, et klæbelag, et polymerisolerende lag, en LED-chip, et klæbelag og en aluminiumsbase. I modsætning hertil introducerer magnetronforstøvning et ekstra magnetfelt i processen.
Magnetron-forstøvningsproces
Processen med fuld magnetronforstøvning adskiller sig fra almindelig jævnstrømsforstøvning, primært fordi der anvendes et stærkt magnetfelt i nærheden af målområdet. Dette magnetfelt tvinger elektronerne til at bevæge sig langs de magnetiske feltlinjer nær målets overflade i stedet for at blive tiltrukket af underlaget.
Sammenlignet med almindelig sputtering giver magnetronsputtering tre store fordele. For det første er plasmaområdet begrænset i nærheden af målmaterialet og beskadiger ikke den tynde film, der dannes. For det andet bliver elektronens banelængde længere, hvilket øger sandsynligheden for at ionisere argonatomer. Som følge heraf bliver flere målatomer kastet ud, og sputteringseffektiviteten forbedres. For det tredje indeholder de tynde film, der produceres ved magnetronsputtering, færre urenheder, hvilket sikrer en høj filmkvalitet.
Design af PCB med anodiseret, isoleret aluminiumssubstrat
Det anodiserede isolerede aluminiumssubstrat PCB består af tre lag: aluminiumsbaselaget, det anodiserede isoleringslag og metalliseringslaget. Selve metalliseringslaget består af tre tynde film, som er basisfilmen, den ledende film og den loddebare film.
Underlag af aluminium
Aluminiumsbaselaget danner fundamentet for printkortet. Når man vælger aluminiumsmateriale, skal man overveje to faktorer. For det første skal aluminiummet have tilstrækkelig mekanisk styrke og god bearbejdelighed. For det andet skal det være egnet til anodisering og isoleringsbehandling. Under visse betingelser kan aluminiumsbasen også forarbejdes til en finneformet struktur for yderligere at forbedre varmeafledningen.
Anodiseret isolerende lag
Det anodiserede isoleringslag dannes gennem en særlig anodiseringsproces, der skaber en mikroporøs struktur. Denne mikroporøse struktur bestemmer lagets elektriske isoleringsevne. Afhængigt af den anvendte forarbejdningsteknologi kan dette lags dielektriske styrke variere fra 250 V til 3000 V.
Ved hjælp af fotolitografi eller maskeringsteknologi dannes kredsløbsmønsteret på dette lag. Dette design giver mulighed for problemfri integration mellem basislaget og det isolerende lag. Samtidig er LED-chippene monteret direkte på dette lag. Resultatet er, at LED-chip, printkort og køleplade udgør en enkelt integreret struktur. Dette forbedrer i høj grad printkortets samlede termiske ydeevne.
Metalliseringslag
Metalliseringslaget består af en basisfilm, en ledende film og en film, der kan loddes. Dette lag skal ikke kun give god elektrisk ledningsevne, men også sikre stærk vedhæftning mellem metalliseringslaget og det anodiserede isoleringslag. Kredsløbet dannes på dette lag ved hjælp af magnetronforstøvningsteknologi.
Basisfilmen har en tykkelse på mellem 0,1 og 0,15 mikrometer. Den dannes ved sputtering af metaller som krom eller titanium. Basisfilmens vigtigste funktion er at give stærk vedhæftning mellem metalliseringslaget og det anodiserede isoleringslag. Med magnetronforstøvning kan vedhæftningsstyrken nå op på 1000 N/cm², hvilket gør bindingen meget stabil. Desuden har basisfilmen en fremragende modstandsdygtighed over for høje temperaturer. Selv ved temperaturer over 320 °C i 10 sekunder opstår der ingen blærer eller afskalning. Derfor er den fuldt ud egnet til blyfri loddeprocesser.
Den ledende film har en tykkelse på mellem 1 og 2 mikrometer. Den dannes ved sputtering af kobber, nikkel eller kobber-nikkel-legeringer. Denne film tjener to hovedformål. Det ene formål er at bære en vis strømtæthed. Det andet formål er at fungere som et bufferlag, når der opstår deformation på grund af forskelle i varmeudvidelseskoefficienter mellem basisfilmen og den loddebare film. Denne buffereffekt hjælper med at opretholde stabiliteten i hele metalliseringslaget.
Den loddbare film har en tykkelse på mellem 0,3 og 0,8 mikrometer. Det dannes ved at sputtere metaller som guld eller sølv, der har god varmeledningsevne, elektrisk ledningsevne og loddeevne. Dette lags vigtigste funktion er at lette lodningen af elektroniske komponenter, herunder LED-chips.
Teknologi til fremstillingsprocesser
Hele fremstillingsprocessen omfatter fem trin, som kan grupperes i tre hovedfaser. Disse trin omfatter anodisering af aluminiumsbasen, dannelse af kredsløbsmønster på det anodiserede isolerende lag ved hjælp af fotolitografi eller maskering, aflejring af basisfilmen, den ledende film og den lodbare film ved hjælp af magnetronforstøvning og til sidst serigrafi og påføring af flux og loddemaske.
Anodisering af aluminiumsbasen
Først bliver aluminiumsbasen affedtet og rengjort på overfladen. Derefter placeres den i et elektrolytisk bad fyldt med en elektrolyt. Elektrolytten kan være svovlsyre eller oxalsyre, afhængigt af de ønskede egenskaber ved oxidlaget og procesbetingelserne. Under anodisering fungerer aluminiumsbasen som anode. De vigtigste procesparametre omfatter elektrolytkoncentration, strømtæthed og elektrolyttemperatur. For at opnå et kvalificeret anodiseret isoleringslag skal anodiseringstiden kontrolleres omhyggeligt.
Aflejring ved magnetronforstøvning
Før filmdeponeringen skal kredsløbsmønsteret skabes på det anodiserede isolerende lag ved hjælp af fotolitografi eller maskeringsteknologi. Når der anvendes fotolitografi, bliver den anodiserede aluminiumsplade belagt med fotoresist, eksponeret og fremkaldt. Derefter monteres den i et armatur uden maske. Når der anvendes maskeringsteknologi, monteres en maskeplade på armaturets overflade, når den anodiserede aluminiumsplade fastspændes.
Efterbehandlingstrin
I henhold til designkravene påføres flux og loddemaske på specifikke områder af det coatede anodiserede aluminiumssubstrat PCB for at forberede det til samling af elektroniske komponenter.
Metode til beregning af termisk modstand
Termisk modstand refererer til et varmeledende materiales modstand mod varmestrøm fra en varmekilde til en varmeabsorberende enhed. Enheden er °C/W. Termisk modstand defineres som temperaturforskellen divideret med varmeeffektoverførselshastigheden.
Den termiske modstand mellem to punkter kan udtrykkes som temperaturforskellen divideret med den effekt, der afgives mellem disse punkter.
Metode til måling af termisk modstand
Der bruges ofte flere metoder til at måle LED'ers termiske egenskaber. Disse omfatter infrarød termisk billeddannelse, spektrale metoder, optiske effektmetoder, blytemperaturmetoder og elektriske parametermetoder. I denne artikel foreslås en forbedret elektrisk parametermetode.
Den termiske modstand mellem forbindelsen og det omgivende miljø beregnes ved hjælp af forbindelsestemperaturen, den omgivende temperatur og den afgivne effekt. Forbindelsens temperaturstigning er lineært relateret til ændringen i forspænding, når strømmen er tilstrækkelig lille. Da den oprindelige overgangstemperatur næsten er lig med omgivelsestemperaturen, kan forskellen mellem overgangs- og omgivelsestemperatur beregnes direkte.
Ved at kombinere de relevante ligninger kan den termiske modstand mellem forbindelsen og omgivelserne beregnes. I praksis er den optiske effekt meget lille sammenlignet med den elektriske effekt, så den kan ignoreres.
Måleproceduren omfatter valg af en højeffekt-LED som varmekilde, brug af en standard-LED som testenhed, elektrisk isolering af dem, måling af spændingsændringer før og efter opvarmning, beregning af temperaturstigning, bestemmelse af afledt effekt og endelig beregning af termisk modstand.
Resultater af termisk modstand for anodiseret isoleret aluminiumsunderlag PCB
Ved hjælp af den beskrevne metode kan den termiske modstand for både konventionelle polymerisolerede metalsubstrat-PCB'er og anodiserede isolerede aluminiumssubstrat-PCB'er beregnes. Ud over den samlede termiske modstand måles også den termiske modstand for hvert enkelt lag.
De termiske modstande i forskellige lag er forbundet i serie. Den samlede termiske modstand er summen af modstanden fra krydset til metallaget, fra metallaget til substratet og fra substratet til det omgivende miljø.
Resultaterne viser, at den termiske modstand for det anodiserede isolerede aluminiumsunderlag er 59,2% lavere end for det konventionelle polymerisolerede metalunderlag. Denne forbedring skyldes hovedsageligt to faktorer. For det første har det konventionelle printkort et strukturelt lag mere end det anodiserede printkort. For det andet er det anodiserede isoleringslag meget tyndere og har meget bedre varmeledningsevne end det isolerende polymerlag.
Konklusion
Varmestyring er et kritisk spørgsmål i udviklingen af RGB-LED-baggrundsbelysningssystemer. I denne undersøgelse udvikles en ny type anodiseret isoleret aluminiumssubstrat-PCB, og der foreslås en forbedret elektrisk parametermetode til måling af termisk modstand.
Sammenlignet med konventionelle polymerisolerede metalsubstrat-PCB'er har det anodiserede isolerede aluminiumssubstrat-PCB flere fordele. Der er ikke noget mekanisk mellemrum mellem det anodiserede isoleringslag og aluminiumsbasen, hvilket forbedrer den samlede mekaniske styrke. Den trelags metalliseringsstruktur, der er dannet ved magnetronforstøvning, giver en stærk vedhæftning på mindst 1000 N/cm², hvilket yderligere forbedrer den mekaniske stabilitet. Derudover sænker det reducerede antal lag og det tyndere isoleringslag den samlede termiske modstand betydeligt med 59,2%.
På grund af disse fordele er anodiserede isolerede aluminiumsprintkort mere velegnede til brug i RGB-LED-baggrundsbelysningssystemer end konventionelle polymerisolerede metalsubstratprintkort.
