{"id":4593,"date":"2025-12-26T08:39:32","date_gmt":"2025-12-26T08:39:32","guid":{"rendered":"https:\/\/flj-pcb.com\/?p=4593"},"modified":"2025-12-26T08:39:35","modified_gmt":"2025-12-26T08:39:35","slug":"thermal-design-of-led-aluminum-pcbs","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/flj-pcb.com\/de\/thermal-design-of-led-aluminum-pcbs\/","title":{"rendered":"Thermisches Design von LED-Aluminium-PCBs"},"content":{"rendered":"
\n\n\n\n

Einf\u00fchrung<\/h3>\n\n\n\n

Eine lichtemittierende Diode (LED<\/a>) ist ein Festk\u00f6rper-Halbleiterbauelement, das elektrische Energie in Licht umwandelt. Im Vergleich zu herk\u00f6mmlichen Gl\u00fchbirnen haben LEDs viele klare Vorteile. Zu diesen Vorteilen geh\u00f6ren 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 f\u00fcr die Zukunft.<\/p>\n\n\n\n

Rote, gr\u00fcne und blaue (RGB) LEDs k\u00f6nnen gemischt werden, um wei\u00dfes Licht mit einer sehr gro\u00dfen Farbskala zu erzeugen. Aufgrund dieser Eigenschaft sind RGB-LEDs f\u00fcr den Einsatz in Hintergrundbeleuchtungssystemen f\u00fcr Fl\u00fcssigkristallanzeigen (LCD) sehr attraktiv. Mit dieser Art von Hintergrundbeleuchtung k\u00f6nnen Displays d\u00fcnner werden, eine l\u00e4ngere Lebensdauer haben, ein h\u00f6heres Dimmverh\u00e4ltnis bieten und hellere und lebendigere Farben darstellen. Zugleich sind diese Displays umweltfreundlicher.<\/p>\n\n\n\n

Aufgrund dieser Vorteile wurden viele Forschungsarbeiten \u00fcber direkt beleuchtete LED-Hintergrundbeleuchtungsplatten und kantenbeleuchtete LED-Hintergrundbeleuchtungsplatten ver\u00f6ffentlicht. Der weltweit erste LCD-Fernseher, der eine gemischte RGB-LED-Hintergrundbeleuchtung verwendete, wurde von Sony herausgebracht. Dieses Produkt erreichte einen sehr gro\u00dfen Farbwiedergabebereich, der 105% des NTSC-Standardfarbumfangs erreichte.<\/p>\n\n\n\n

Hinter diesen Forschungsergebnissen verbergen sich jedoch immer noch thermische Probleme. W\u00e4hrend des Betriebs erzeugen LEDs W\u00e4rme. Diese W\u00e4rme bewirkt eine Verringerung der Lichtausgangsintensit\u00e4t und f\u00fchrt zu einer Verschiebung der dominanten Wellenl\u00e4nge. Diese beiden Effekte ver\u00e4ndern die Farbtemperatur des Displays und f\u00fchren zu Abweichungen in der NTSC-Leistung. Dar\u00fcber hinaus verk\u00fcrzt \u00fcberm\u00e4\u00dfige Hitze die Lebensdauer des Bildschirms. Um die Bildqualit\u00e4t und langfristige Zuverl\u00e4ssigkeit zu gew\u00e4hrleisten, ist das W\u00e4rmemanagement des Hintergrundbeleuchtungssystems daher \u00e4u\u00dferst wichtig.<\/p>\n\n\n\n

Um die thermische Leistung eines RGB-LED-Hintergrundbeleuchtungssystems zu verbessern, k\u00f6nnen zwei Hauptans\u00e4tze in Betracht gezogen werden. Der erste Ansatz besteht darin, die W\u00e4rmeabgabef\u00e4higkeit einer einzelnen LED zu verbessern. Der zweite Ansatz ist die Verbesserung der W\u00e4rmeableitungsf\u00e4higkeit der LED-Anordnung. Als Entwickler eines RGB-LED-Hintergrundbeleuchtungssystems haben wir uns f\u00fcr den zweiten Ansatz entschieden, um das thermische Problem zu l\u00f6sen.<\/p>\n\n\n\n

Um die thermische Leistung eines LED-Array-Systems zu verbessern, gibt es ebenfalls zwei g\u00e4ngige Methoden. Eine Methode ist der Einsatz von L\u00fcftern, um die Luftstr\u00f6mungsgeschwindigkeit um das Hintergrundbeleuchtungssystem zu erh\u00f6hen. Die andere Methode besteht darin, den W\u00e4rmewiderstand zwischen der LED-Verbindung und der Umgebung zu verringern. Eine bessere L\u00f6sung ist die Konstruktion des Hintergrundbeleuchtungsmoduls auf einer kosteng\u00fcnstigen Leiterplatte mit hoher W\u00e4rmeleitf\u00e4higkeit.<\/p>\n\n\n\n

Bei der derzeit weit verbreiteten konventionellen Technologie der isolierten Metallsubstrate (IMS) werden Polymer- oder Epoxidharzmaterialien als Isolierschicht verwendet. Diese Technologie erfordert eine spezielle Oberfl\u00e4chenbehandlung der Metallbasis. Dar\u00fcber hinaus betr\u00e4gt die Mindestdicke der Isolierschicht in der Regel etwa 75 Mikrometer. Diese Dicke erh\u00f6ht den Gesamtw\u00e4rmewiderstand der IMS-Platte. Au\u00dferdem kann es bei herk\u00f6mmlichen IMS-Platten unter Hochtemperaturbedingungen zu einer Delamination zwischen der Isolierschicht und dem Metalltr\u00e4ger kommen.<\/p>\n\n\n\n

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 Oberfl\u00e4che einer Aluminiumbasis erzeugt. Anschlie\u00dfend 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 Abl\u00f6sung unter Hochtemperaturbedingungen beseitigen.<\/p>\n\n\n\n

Die Testergebnisse zeigen, dass der W\u00e4rmewiderstand der neuen isolierten Aluminium-Substratplatte 4,78\u00b0C\/W betr\u00e4gt, w\u00e4hrend der W\u00e4rmewiderstand einer herk\u00f6mmlichen polymerisolierten Aluminium-Substratplatte 7,61\u00b0C\/W betr\u00e4gt.<\/p>\n\n\n\n

\n\n\n\n

Technologie der Magnetronzerst\u00e4ubung<\/h3>\n\n\n\n

Grundlegendes Sputtering-Verfahren<\/h4>\n\n\n\n

Sputtern ist ein Vakuumverfahren, mit dem Materialien wie Metalle, Keramiken und Kunststoffe auf eine Oberfl\u00e4che aufgebracht werden, um eine d\u00fcnne Schicht zu bilden. Das Sputtering-Verfahren funktioniert im Wesentlichen wie folgt.<\/p>\n\n\n\n

Die Elektronen sto\u00dfen mit den Atomen eines Inertgases, in der Regel Argon, zusammen und ionisieren sie. Diese hochenergetischen Ionen werden durch ein elektrisches Feld beschleunigt und beschie\u00dfen das Zielmaterial, das abgeschieden werden soll. Aufgrund dieses starken Beschusses werden Atome aus der Oberfl\u00e4che des Zielmaterials herausgeschleudert. Unter dem Einfluss des elektrischen Feldes lagern sich diese Atome schlie\u00dflich auf der Oberfl\u00e4che des Substrats ab und bilden einen atomaren D\u00fcnnfilm. Die Dicke dieser d\u00fcnnen Schicht h\u00e4ngt von der Sputterzeit ab.<\/p>\n\n\n\n

Eine herk\u00f6mmliche 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 zus\u00e4tzliches Magnetfeld in den Prozess eingebracht.<\/p>\n\n\n\n

Magnetron-Sputtering-Verfahren<\/h4>\n\n\n\n

Das Vollmagnetron-Sputterverfahren unterscheidet sich vom einfachen Gleichstromsputtern vor allem dadurch, dass in der N\u00e4he des Targets ein starkes Magnetfeld angelegt wird. Dieses Magnetfeld zwingt die Elektronen, sich entlang der Magnetfeldlinien in der N\u00e4he der Target-Oberfl\u00e4che zu bewegen, anstatt vom Substrat angezogen zu werden.<\/p>\n\n\n\n

Im Vergleich zum Basis-Sputtern bietet das Magnetron-Sputtern drei wesentliche Vorteile. Erstens ist der Plasmabereich in der N\u00e4he des Zielmaterials begrenzt und besch\u00e4digt die sich bildende D\u00fcnnschicht nicht. Zweitens wird die Wegl\u00e4nge der Elektronen l\u00e4nger, was die Wahrscheinlichkeit erh\u00f6ht, dass Argonatome ionisiert werden. Infolgedessen werden mehr Target-Atome ausgesto\u00dfen, und die Sputtereffizienz wird verbessert. Drittens enthalten die durch Magnetronsputtern hergestellten D\u00fcnnschichten weniger Verunreinigungen, was eine hohe Schichtqualit\u00e4t gew\u00e4hrleistet.<\/p>\n\n\n\n

\n\n\n\n

Design einer eloxierten, isolierten Aluminium-Substrat-Leiterplatte<\/h3>\n\n\n\n

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 d\u00fcnnen Filmen, n\u00e4mlich dem Basisfilm, dem leitf\u00e4higen Film und dem l\u00f6tbaren Film.<\/p>\n\n\n\n

Aluminium-Basisschicht<\/h4>\n\n\n\n

Die Aluminiumbasisschicht bildet die Grundlage der Leiterplatte. Bei der Auswahl des Aluminiummaterials m\u00fcssen zwei Faktoren ber\u00fccksichtigt werden. Erstens muss das Aluminium eine ausreichende mechanische Festigkeit und gute Bearbeitbarkeit aufweisen. Zweitens muss es f\u00fcr die Eloxierung und die Isolationsbehandlung geeignet sein. Unter bestimmten Bedingungen kann die Aluminiumbasis auch zu einer rippenf\u00f6rmigen Struktur verarbeitet werden, um die W\u00e4rmeableitung weiter zu verbessern.<\/p>\n\n\n\n

Eloxierte Isolierschicht<\/h4>\n\n\n\n

Die anodisierte Isolierschicht wird durch ein spezielles Anodisierungsverfahren gebildet, das eine mikropor\u00f6se Struktur erzeugt. Diese mikropor\u00f6se Struktur bestimmt die elektrische Isolierleistung der Schicht. Je nach der verwendeten Verarbeitungstechnologie kann die Durchschlagfestigkeit dieser Schicht zwischen 250 V und 3000 V liegen.<\/p>\n\n\n\n

Mit Hilfe der Fotolithografie oder der Maskierungstechnik wird das Schaltungsmuster auf dieser Schicht gebildet. Dieses Design erm\u00f6glicht 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 K\u00fchlk\u00f6rper eine einzige integrierte Struktur. Dadurch wird die thermische Gesamtleistung der Leiterplatte erheblich verbessert.<\/p>\n\n\n\n

Metallisierungsschicht<\/h4>\n\n\n\n

Die Metallisierungsschicht besteht aus einer Grundschicht, einer leitenden Schicht und einer l\u00f6tbaren Schicht. Diese Schicht muss nicht nur eine gute elektrische Leitf\u00e4higkeit aufweisen, sondern auch eine starke Haftung zwischen der Metallisierungsschicht und der anodisierten Isolierschicht gew\u00e4hrleisten. Der Schaltkreis wird auf dieser Schicht mit Hilfe der Magnetron-Sputter-Technologie gebildet.<\/p>\n\n\n\n

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 gew\u00e4hrleisten. Beim Magnetronsputtern kann die Haftfestigkeit 1000 N\/cm\u00b2 erreichen, was die Verbindung sehr stabil macht. Dar\u00fcber hinaus weist die Basisschicht eine ausgezeichnete Hochtemperaturbest\u00e4ndigkeit auf. Selbst bei Temperaturen von \u00fcber 320 \u00b0C f\u00fcr 10 Sekunden tritt keine Blasenbildung oder Abl\u00f6sung auf. Daher ist sie f\u00fcr bleifreie L\u00f6tprozesse bestens geeignet.<\/p>\n\n\n\n

Die leitf\u00e4hige 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 W\u00e4rmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Grundschicht und der l\u00f6tbaren Schicht zu Verformungen kommt. Dieser Puffereffekt tr\u00e4gt dazu bei, die Stabilit\u00e4t der gesamten Metallisierungsschicht zu erhalten.<\/p>\n\n\n\n

Die l\u00f6tbare 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 W\u00e4rmeleitf\u00e4higkeit, elektrische Leitf\u00e4higkeit und L\u00f6tbarkeit aufweisen. Die Hauptfunktion dieser Schicht besteht darin, das L\u00f6ten von elektronischen Bauteilen, einschlie\u00dflich LED-Chips, zu erleichtern.<\/p>\n\n\n\n

\n\n\n\n

Technologie der Fertigungsprozesse<\/h3>\n\n\n\n

Der gesamte Herstellungsprozess umfasst f\u00fcnf Schritte, die sich in drei Hauptphasen gliedern lassen. Dazu geh\u00f6ren die Eloxierung des Aluminiumtr\u00e4gers, die Herstellung eines Schaltungsmusters auf der eloxierten Isolierschicht durch Fotolithografie oder Maskierung, die Abscheidung der Tr\u00e4gerschicht, der leitenden Schicht und der l\u00f6tbaren Schicht durch Magnetronsputtern und schlie\u00dflich der Siebdruck und das Auftragen von Flussmittel und L\u00f6tmaske.<\/p>\n\n\n\n

Eloxierung der Aluminiumbasis<\/h4>\n\n\n\n

Zun\u00e4chst wird die Oberfl\u00e4che des Aluminiums entfettet und gereinigt. Dann wird sie in ein elektrolytisches Bad mit einem Elektrolyten gelegt. Der Elektrolyt kann Schwefels\u00e4ure oder Oxals\u00e4ure sein, je nach den gew\u00fcnschten Eigenschaften der Oxidschicht und den Prozessbedingungen. Bei der Anodisierung fungiert die Aluminiumbasis als Anode. Zu den wichtigsten Prozessparametern geh\u00f6ren die Elektrolytkonzentration, die Stromdichte und die Elektrolyttemperatur. Um eine qualifizierte anodisierte Isolierschicht zu erhalten, muss die Anodisierungszeit sorgf\u00e4ltig kontrolliert werden.<\/p>\n\n\n\n

Magnetronsputternde Abscheidung<\/h4>\n\n\n\n

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. Anschlie\u00dfend wird sie ohne Maske in eine Halterung montiert. Bei der Maskierungstechnik wird beim Einspannen der eloxierten Aluminiumplatte eine Maskenplatte auf der Oberfl\u00e4che der Halterung angebracht.<\/p>\n\n\n\n

Nachbearbeitungsschritte<\/h4>\n\n\n\n

Je nach Designanforderungen werden Flussmittel und L\u00f6tmaske auf bestimmte Bereiche der beschichteten, eloxierten Aluminiumsubstrat-Leiterplatte aufgetragen, um sie f\u00fcr die Montage elektronischer Komponenten vorzubereiten.<\/p>\n\n\n\n

\n\n\n\n

Berechnungsmethode f\u00fcr den W\u00e4rmewiderstand<\/h3>\n\n\n\n

Der W\u00e4rmewiderstand ist der Widerstand eines w\u00e4rmeleitenden Materials gegen\u00fcber dem W\u00e4rmefluss von einer W\u00e4rmequelle zu einem w\u00e4rmeabsorbierenden Ger\u00e4t. Seine Einheit ist \u00b0C\/W. Der W\u00e4rmewiderstand ist definiert als die Temperaturdifferenz geteilt durch die W\u00e4rme\u00fcbertragungsrate.<\/p>\n\n\n\n

\"Thermal<\/figure>\n\n\n\n

Der W\u00e4rmewiderstand zwischen zwei Punkten kann als Temperaturdifferenz geteilt durch die zwischen diesen Punkten abgegebene Leistung ausgedr\u00fcckt werden.<\/p>\n\n\n\n

Methode zur Messung des thermischen Widerstands<\/h4>\n\n\n\n

Zur Messung der thermischen Eigenschaften von LEDs werden in der Regel mehrere Methoden verwendet. Dazu geh\u00f6ren die Infrarot-W\u00e4rmebildtechnik, 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.<\/p>\n\n\n\n

\"Method<\/figure>\n\n\n\n

Der W\u00e4rmewiderstand zwischen der Sperrschicht und der Umgebung wird anhand der Sperrschichttemperatur, der Umgebungstemperatur und der Verlustleistung berechnet. Der Anstieg der Sperrschichttemperatur ist linear mit der \u00c4nderung der Durchlassspannung verbunden, wenn der Strom ausreichend klein ist. Da die anf\u00e4ngliche Sperrschichttemperatur nahezu gleich der Umgebungstemperatur ist, kann die Temperaturdifferenz zwischen Sperrschicht und Umgebung direkt ermittelt werden.<\/p>\n\n\n\n

Durch Kombination der entsprechenden Gleichungen kann der W\u00e4rmewiderstand zwischen \u00dcbergang und Umgebung berechnet werden. In der Praxis ist die optische Leistung im Vergleich zur elektrischen Leistung sehr gering, so dass sie vernachl\u00e4ssigt werden kann.<\/p>\n\n\n\n

Das Messverfahren umfasst die Auswahl einer Hochleistungs-LED als Heizquelle, die Verwendung einer Standard-LED als Testger\u00e4t, die elektrische Isolierung, die Messung der Spannungs\u00e4nderungen vor und nach der Erw\u00e4rmung, die Berechnung des Temperaturanstiegs, die Bestimmung der Verlustleistung und schlie\u00dflich die Berechnung des W\u00e4rmewiderstands.<\/p>\n\n\n\n

\"Schematic<\/figure>\n\n\n\n
\n\n\n\n

Ergebnisse des W\u00e4rmewiderstands einer Leiterplatte mit eloxiertem, isoliertem Aluminiumsubstrat<\/h3>\n\n\n\n

Mit der beschriebenen Methode kann der W\u00e4rmewiderstand sowohl von herk\u00f6mmlichen polymerisolierten Metallsubstrat-Leiterplatten als auch von eloxierten isolierten Aluminiumsubstrat-Leiterplatten berechnet werden. Neben dem Gesamtw\u00e4rmewiderstand wird auch der W\u00e4rmewiderstand jeder einzelnen Schicht gemessen.<\/p>\n\n\n\n

Die W\u00e4rmewiderst\u00e4nde der verschiedenen Schichten sind in Reihe geschaltet. Der Gesamtw\u00e4rmewiderstand ist die Summe der Widerst\u00e4nde von der Verbindungsstelle zur Metallschicht, von der Metallschicht zum Substrat und vom Substrat zur Umgebung.<\/p>\n\n\n\n

\"Thermal<\/figure>\n\n\n\n

Die Ergebnisse zeigen, dass der W\u00e4rmewiderstand der eloxierten isolierten Aluminiumsubstrat-Leiterplatte um 59,2% niedriger ist als der der herk\u00f6mmlichen polymerisolierten Metallsubstrat-Leiterplatte. Diese Verbesserung ist haupts\u00e4chlich auf zwei Faktoren zur\u00fcckzuf\u00fchren. Erstens hat die herk\u00f6mmliche Leiterplatte eine Strukturschicht mehr als die eloxierte Leiterplatte. Zweitens ist die anodisierte Isolierschicht viel d\u00fcnner und hat eine viel bessere W\u00e4rmeleitf\u00e4higkeit als die Polymer-Isolierschicht.<\/p>\n\n\n\n

\n\n\n\n

Schlussfolgerung<\/h3>\n\n\n\n

Das W\u00e4rmemanagement 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 W\u00e4rmewiderstands vorgeschlagen.<\/p>\n\n\n\n

Im Vergleich zu herk\u00f6mmlichen polymerisolierten Metallsubstrat-Leiterplatten hat die eloxierte isolierte Aluminiumsubstrat-Leiterplatte mehrere Vorteile. Es gibt keine mechanische L\u00fccke 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\/cm\u00b2, was die mechanische Stabilit\u00e4t weiter erh\u00f6ht. Dar\u00fcber hinaus wird durch die geringere Anzahl von Schichten und die d\u00fcnnere Isolierschicht der Gesamtw\u00e4rmewiderstand um 59,2% gesenkt.<\/p>\n\n\n\n

Aufgrund dieser Vorteile sind eloxierte, isolierte Aluminiumsubstrat-Leiterplatten besser f\u00fcr den Einsatz in RGB-LED-Hintergrundbeleuchtungssystemen geeignet als herk\u00f6mmliche polymerisolierte Metallsubstrat-Leiterplatten.<\/p>\n\n\n\n

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