Einführung
Eine lichtemittierende Diode (LED) ist ein Festkörper-Halbleiterbauelement, das elektrische Energie in Licht umwandelt. Im Vergleich zu herkömmlichen Glühbirnen haben LEDs viele klare Vorteile. Zu diesen Vorteilen gehören eine lange Lebensdauer, ein breites Farbspektrum, eine lange Lebensdauer, ein flexibles Design, eine einfache Steuerung und der Umweltschutz. Aufgrund dieser Vorteile gelten LEDs weithin als eine der vielversprechendsten Lichtquellen für die Zukunft.
Rote, grüne und blaue (RGB) LEDs können gemischt werden, um weißes Licht mit einer sehr großen Farbskala zu erzeugen. Aufgrund dieser Eigenschaft sind RGB-LEDs für den Einsatz in Hintergrundbeleuchtungssystemen für Flüssigkristallanzeigen (LCD) sehr attraktiv. Mit dieser Art von Hintergrundbeleuchtung können Displays dünner werden, eine längere Lebensdauer haben, ein höheres Dimmverhältnis bieten und hellere und lebendigere Farben darstellen. Zugleich sind diese Displays umweltfreundlicher.
Aufgrund dieser Vorteile wurden viele Forschungsarbeiten über direkt beleuchtete LED-Hintergrundbeleuchtungsplatten und kantenbeleuchtete LED-Hintergrundbeleuchtungsplatten veröffentlicht. Der weltweit erste LCD-Fernseher, der eine gemischte RGB-LED-Hintergrundbeleuchtung verwendete, wurde von Sony herausgebracht. Dieses Produkt erreichte einen sehr großen Farbwiedergabebereich, der 105% des NTSC-Standardfarbumfangs erreichte.
Hinter diesen Forschungsergebnissen verbergen sich jedoch immer noch thermische Probleme. Während des Betriebs erzeugen LEDs Wärme. Diese Wärme bewirkt eine Verringerung der Lichtausgangsintensität und führt zu einer Verschiebung der dominanten Wellenlänge. Diese beiden Effekte verändern die Farbtemperatur des Displays und führen zu Abweichungen in der NTSC-Leistung. Darüber hinaus verkürzt übermäßige Hitze die Lebensdauer des Bildschirms. Um die Bildqualität und langfristige Zuverlässigkeit zu gewährleisten, ist das Wärmemanagement des Hintergrundbeleuchtungssystems daher äußerst wichtig.
Um die thermische Leistung eines RGB-LED-Hintergrundbeleuchtungssystems zu verbessern, können zwei Hauptansätze in Betracht gezogen werden. Der erste Ansatz besteht darin, die Wärmeabgabefähigkeit einer einzelnen LED zu verbessern. Der zweite Ansatz ist die Verbesserung der Wärmeableitungsfähigkeit der LED-Anordnung. Als Entwickler eines RGB-LED-Hintergrundbeleuchtungssystems haben wir uns für den zweiten Ansatz entschieden, um das thermische Problem zu lösen.
Um die thermische Leistung eines LED-Array-Systems zu verbessern, gibt es ebenfalls zwei gängige Methoden. Eine Methode ist der Einsatz von Lüftern, um die Luftströmungsgeschwindigkeit um das Hintergrundbeleuchtungssystem zu erhöhen. Die andere Methode besteht darin, den Wärmewiderstand zwischen der LED-Verbindung und der Umgebung zu verringern. Eine bessere Lösung ist die Konstruktion des Hintergrundbeleuchtungsmoduls auf einer kostengünstigen Leiterplatte mit hoher Wärmeleitfähigkeit.
Bei der derzeit weit verbreiteten konventionellen Technologie der isolierten Metallsubstrate (IMS) werden Polymer- oder Epoxidharzmaterialien als Isolierschicht verwendet. Diese Technologie erfordert eine spezielle Oberflächenbehandlung der Metallbasis. Darüber hinaus beträgt die Mindestdicke der Isolierschicht in der Regel etwa 75 Mikrometer. Diese Dicke erhöht den Gesamtwärmewiderstand der IMS-Platte. Außerdem kann es bei herkömmlichen IMS-Platten unter Hochtemperaturbedingungen zu einer Delamination zwischen der Isolierschicht und dem Metallträger kommen.
In dieser Arbeit verwenden wir die Magnetron-Sputter-Technologie zur Herstellung einer neuen Art von isolierten Metallsubstrat-Leiterplatten. Eine chemisch gebildete Isolierschicht mit einer Dicke von 30 bis 35 Mikrometern wird auf der Oberfläche einer Aluminiumbasis erzeugt. Anschließend wird die entworfene Schaltung durch Magnetronsputtern auf die Isolierschicht aufgebracht. Diese neue isolierte Metallsubstrat-Leiterplatte hat eine ausgezeichnete thermische Leistung und kann auch Probleme mit Delamination oder Ablösung unter Hochtemperaturbedingungen beseitigen.
Die Testergebnisse zeigen, dass der Wärmewiderstand der neuen isolierten Aluminium-Substratplatte 4,78°C/W beträgt, während der Wärmewiderstand einer herkömmlichen polymerisolierten Aluminium-Substratplatte 7,61°C/W beträgt.
Technologie der Magnetronzerstäubung
Grundlegendes Sputtering-Verfahren
Sputtern ist ein Vakuumverfahren, mit dem Materialien wie Metalle, Keramiken und Kunststoffe auf eine Oberfläche aufgebracht werden, um eine dünne Schicht zu bilden. Das Sputtering-Verfahren funktioniert im Wesentlichen wie folgt.
Die Elektronen stoßen mit den Atomen eines Inertgases, in der Regel Argon, zusammen und ionisieren sie. Diese hochenergetischen Ionen werden durch ein elektrisches Feld beschleunigt und beschießen das Zielmaterial, das abgeschieden werden soll. Aufgrund dieses starken Beschusses werden Atome aus der Oberfläche des Zielmaterials herausgeschleudert. Unter dem Einfluss des elektrischen Feldes lagern sich diese Atome schließlich auf der Oberfläche des Substrats ab und bilden einen atomaren Dünnfilm. Die Dicke dieser dünnen Schicht hängt von der Sputterzeit ab.
Eine herkömmliche polymerisolierte Metallsubstrat-Leiterplatte besteht in der Regel aus einer Kupferschicht, einer Klebstoffschicht, einer Polymerisolierschicht, einem LED-Chip, einem Klebstoff und einer Aluminiumbasis. Im Gegensatz dazu wird beim Magnetron-Sputtern ein zusätzliches Magnetfeld in den Prozess eingebracht.
Magnetron-Sputtering-Verfahren
Das Vollmagnetron-Sputterverfahren unterscheidet sich vom einfachen Gleichstromsputtern vor allem dadurch, dass in der Nähe des Targets ein starkes Magnetfeld angelegt wird. Dieses Magnetfeld zwingt die Elektronen, sich entlang der Magnetfeldlinien in der Nähe der Target-Oberfläche zu bewegen, anstatt vom Substrat angezogen zu werden.
Im Vergleich zum Basis-Sputtern bietet das Magnetron-Sputtern drei wesentliche Vorteile. Erstens ist der Plasmabereich in der Nähe des Zielmaterials begrenzt und beschädigt die sich bildende Dünnschicht nicht. Zweitens wird die Weglänge der Elektronen länger, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass Argonatome ionisiert werden. Infolgedessen werden mehr Target-Atome ausgestoßen, und die Sputtereffizienz wird verbessert. Drittens enthalten die durch Magnetronsputtern hergestellten Dünnschichten weniger Verunreinigungen, was eine hohe Schichtqualität gewährleistet.
Design einer eloxierten, isolierten Aluminium-Substrat-Leiterplatte
Die eloxierte, isolierte Aluminium-Substrat-Leiterplatte besteht aus drei Schichten: der Aluminium-Basisschicht, der eloxierten Isolierschicht und der Metallisierungsschicht. Die Metallisierungsschicht selbst besteht aus drei dünnen Filmen, nämlich dem Basisfilm, dem leitfähigen Film und dem lötbaren Film.
Aluminium-Basisschicht
Die Aluminiumbasisschicht bildet die Grundlage der Leiterplatte. Bei der Auswahl des Aluminiummaterials müssen zwei Faktoren berücksichtigt werden. Erstens muss das Aluminium eine ausreichende mechanische Festigkeit und gute Bearbeitbarkeit aufweisen. Zweitens muss es für die Eloxierung und die Isolationsbehandlung geeignet sein. Unter bestimmten Bedingungen kann die Aluminiumbasis auch zu einer rippenförmigen Struktur verarbeitet werden, um die Wärmeableitung weiter zu verbessern.
Eloxierte Isolierschicht
Die anodisierte Isolierschicht wird durch ein spezielles Anodisierungsverfahren gebildet, das eine mikroporöse Struktur erzeugt. Diese mikroporöse Struktur bestimmt die elektrische Isolierleistung der Schicht. Je nach der verwendeten Verarbeitungstechnologie kann die Durchschlagfestigkeit dieser Schicht zwischen 250 V und 3000 V liegen.
Mit Hilfe der Fotolithografie oder der Maskierungstechnik wird das Schaltungsmuster auf dieser Schicht gebildet. Dieses Design ermöglicht eine nahtlose Integration zwischen der Basisschicht und der Isolierschicht. Gleichzeitig werden die LED-Chips direkt auf dieser Schicht montiert. Folglich bilden LED-Chip, Leiterplatte und Kühlkörper eine einzige integrierte Struktur. Dadurch wird die thermische Gesamtleistung der Leiterplatte erheblich verbessert.
Metallisierungsschicht
Die Metallisierungsschicht besteht aus einer Grundschicht, einer leitenden Schicht und einer lötbaren Schicht. Diese Schicht muss nicht nur eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen, sondern auch eine starke Haftung zwischen der Metallisierungsschicht und der anodisierten Isolierschicht gewährleisten. Der Schaltkreis wird auf dieser Schicht mit Hilfe der Magnetron-Sputter-Technologie gebildet.
Die Grundschicht hat eine Dicke zwischen 0,1 und 0,15 Mikrometern. Sie wird durch Sputtern von Metallen wie Chrom oder Titan gebildet. Die Hauptfunktion der Grundschicht besteht darin, eine starke Haftung zwischen der Metallisierungsschicht und der anodisierten Isolierschicht zu gewährleisten. Beim Magnetronsputtern kann die Haftfestigkeit 1000 N/cm² erreichen, was die Verbindung sehr stabil macht. Darüber hinaus weist die Basisschicht eine ausgezeichnete Hochtemperaturbeständigkeit auf. Selbst bei Temperaturen von über 320 °C für 10 Sekunden tritt keine Blasenbildung oder Ablösung auf. Daher ist sie für bleifreie Lötprozesse bestens geeignet.
Die leitfähige Schicht hat eine Dicke von 1 bis 2 Mikrometern. Sie wird durch Sputtern von Kupfer, Nickel oder Kupfer-Nickel-Legierungen gebildet. Diese Schicht dient zwei Hauptzwecken. Zum einen soll sie eine bestimmte Stromdichte leiten. Der andere Zweck besteht darin, als Pufferschicht zu fungieren, wenn es aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Grundschicht und der lötbaren Schicht zu Verformungen kommt. Dieser Puffereffekt trägt dazu bei, die Stabilität der gesamten Metallisierungsschicht zu erhalten.
Die lötbare Schicht hat eine Dicke zwischen 0,3 und 0,8 Mikrometern. Sie wird durch Sputtern von Metallen wie Gold oder Silber gebildet, die eine gute Wärmeleitfähigkeit, elektrische Leitfähigkeit und Lötbarkeit aufweisen. Die Hauptfunktion dieser Schicht besteht darin, das Löten von elektronischen Bauteilen, einschließlich LED-Chips, zu erleichtern.
Technologie der Fertigungsprozesse
Der gesamte Herstellungsprozess umfasst fünf Schritte, die sich in drei Hauptphasen gliedern lassen. Dazu gehören die Eloxierung des Aluminiumträgers, die Herstellung eines Schaltungsmusters auf der eloxierten Isolierschicht durch Fotolithografie oder Maskierung, die Abscheidung der Trägerschicht, der leitenden Schicht und der lötbaren Schicht durch Magnetronsputtern und schließlich der Siebdruck und das Auftragen von Flussmittel und Lötmaske.
Eloxierung der Aluminiumbasis
Zunächst wird die Oberfläche des Aluminiums entfettet und gereinigt. Dann wird sie in ein elektrolytisches Bad mit einem Elektrolyten gelegt. Der Elektrolyt kann Schwefelsäure oder Oxalsäure sein, je nach den gewünschten Eigenschaften der Oxidschicht und den Prozessbedingungen. Bei der Anodisierung fungiert die Aluminiumbasis als Anode. Zu den wichtigsten Prozessparametern gehören die Elektrolytkonzentration, die Stromdichte und die Elektrolyttemperatur. Um eine qualifizierte anodisierte Isolierschicht zu erhalten, muss die Anodisierungszeit sorgfältig kontrolliert werden.
Magnetronsputternde Abscheidung
Vor der Beschichtung muss das Schaltkreismuster auf der anodisierten Isolierschicht mit Hilfe der Fotolithografie oder der Maskierungstechnik erstellt werden. Bei der Fotolithografie wird die eloxierte Aluminiumplatte mit Fotolack beschichtet, belichtet und entwickelt. Anschließend wird sie ohne Maske in eine Halterung montiert. Bei der Maskierungstechnik wird beim Einspannen der eloxierten Aluminiumplatte eine Maskenplatte auf der Oberfläche der Halterung angebracht.
Nachbearbeitungsschritte
Je nach Designanforderungen werden Flussmittel und Lötmaske auf bestimmte Bereiche der beschichteten, eloxierten Aluminiumsubstrat-Leiterplatte aufgetragen, um sie für die Montage elektronischer Komponenten vorzubereiten.
Berechnungsmethode für den Wärmewiderstand
Der Wärmewiderstand ist der Widerstand eines wärmeleitenden Materials gegenüber dem Wärmefluss von einer Wärmequelle zu einem wärmeabsorbierenden Gerät. Seine Einheit ist °C/W. Der Wärmewiderstand ist definiert als die Temperaturdifferenz geteilt durch die Wärmeübertragungsrate.
Der Wärmewiderstand zwischen zwei Punkten kann als Temperaturdifferenz geteilt durch die zwischen diesen Punkten abgegebene Leistung ausgedrückt werden.
Methode zur Messung des thermischen Widerstands
Zur Messung der thermischen Eigenschaften von LEDs werden in der Regel mehrere Methoden verwendet. Dazu gehören die Infrarot-Wärmebildtechnik, spektrale Methoden, Methoden zur Messung der optischen Leistung, Methoden zur Messung der Leitungstemperatur und Methoden zur Messung elektrischer Parameter. In diesem Papier wird eine verbesserte Methode zur Messung elektrischer Parameter vorgeschlagen.
Der Wärmewiderstand zwischen der Sperrschicht und der Umgebung wird anhand der Sperrschichttemperatur, der Umgebungstemperatur und der Verlustleistung berechnet. Der Anstieg der Sperrschichttemperatur ist linear mit der Änderung der Durchlassspannung verbunden, wenn der Strom ausreichend klein ist. Da die anfängliche Sperrschichttemperatur nahezu gleich der Umgebungstemperatur ist, kann die Temperaturdifferenz zwischen Sperrschicht und Umgebung direkt ermittelt werden.
Durch Kombination der entsprechenden Gleichungen kann der Wärmewiderstand zwischen Übergang und Umgebung berechnet werden. In der Praxis ist die optische Leistung im Vergleich zur elektrischen Leistung sehr gering, so dass sie vernachlässigt werden kann.
Das Messverfahren umfasst die Auswahl einer Hochleistungs-LED als Heizquelle, die Verwendung einer Standard-LED als Testgerät, die elektrische Isolierung, die Messung der Spannungsänderungen vor und nach der Erwärmung, die Berechnung des Temperaturanstiegs, die Bestimmung der Verlustleistung und schließlich die Berechnung des Wärmewiderstands.
Ergebnisse des Wärmewiderstands einer Leiterplatte mit eloxiertem, isoliertem Aluminiumsubstrat
Mit der beschriebenen Methode kann der Wärmewiderstand sowohl von herkömmlichen polymerisolierten Metallsubstrat-Leiterplatten als auch von eloxierten isolierten Aluminiumsubstrat-Leiterplatten berechnet werden. Neben dem Gesamtwärmewiderstand wird auch der Wärmewiderstand jeder einzelnen Schicht gemessen.
Die Wärmewiderstände der verschiedenen Schichten sind in Reihe geschaltet. Der Gesamtwärmewiderstand ist die Summe der Widerstände von der Verbindungsstelle zur Metallschicht, von der Metallschicht zum Substrat und vom Substrat zur Umgebung.
Die Ergebnisse zeigen, dass der Wärmewiderstand der eloxierten isolierten Aluminiumsubstrat-Leiterplatte um 59,2% niedriger ist als der der herkömmlichen polymerisolierten Metallsubstrat-Leiterplatte. Diese Verbesserung ist hauptsächlich auf zwei Faktoren zurückzuführen. Erstens hat die herkömmliche Leiterplatte eine Strukturschicht mehr als die eloxierte Leiterplatte. Zweitens ist die anodisierte Isolierschicht viel dünner und hat eine viel bessere Wärmeleitfähigkeit als die Polymer-Isolierschicht.
Schlussfolgerung
Das Wärmemanagement ist ein kritischer Punkt bei der Entwicklung von RGB-LED-Hintergrundbeleuchtungssystemen. In dieser Studie wird eine neue Art von eloxierten, isolierten Aluminium-Substrat-Leiterplatten entwickelt und eine verbesserte elektrische Parametermethode zur Messung des Wärmewiderstands vorgeschlagen.
Im Vergleich zu herkömmlichen polymerisolierten Metallsubstrat-Leiterplatten hat die eloxierte isolierte Aluminiumsubstrat-Leiterplatte mehrere Vorteile. Es gibt keine mechanische Lücke zwischen der eloxierten Isolierschicht und der Aluminiumbasis, was die mechanische Festigkeit insgesamt verbessert. Die durch Magnetronsputtern hergestellte dreilagige Metallisierungsstruktur bietet eine starke Haftung von mindestens 1000 N/cm², was die mechanische Stabilität weiter erhöht. Darüber hinaus wird durch die geringere Anzahl von Schichten und die dünnere Isolierschicht der Gesamtwärmewiderstand um 59,2% gesenkt.
Aufgrund dieser Vorteile sind eloxierte, isolierte Aluminiumsubstrat-Leiterplatten besser für den Einsatz in RGB-LED-Hintergrundbeleuchtungssystemen geeignet als herkömmliche polymerisolierte Metallsubstrat-Leiterplatten.
