Introducción
Un diodo emisor de luz (LED) es un dispositivo semiconductor de estado sólido que convierte la energía eléctrica en luz. En comparación con las lámparas incandescentes tradicionales, los LED tienen muchas ventajas claras. Estas ventajas incluyen una larga vida útil, una amplia gama cromática, una gran durabilidad, un diseño flexible, un control sencillo y la protección del medio ambiente. Por todo ello, los LED se consideran una de las fuentes de luz más prometedoras del futuro.
Los LED rojos, verdes y azules (RGB) pueden mezclarse para generar luz blanca con una gama cromática muy amplia. Gracias a esta característica, los LED RGB resultan muy atractivos para su uso en sistemas de retroiluminación de pantallas de cristal líquido (LCD). Este tipo de retroiluminación permite que las pantallas sean más delgadas, tengan una vida útil más larga, ofrezcan una mayor relación de atenuación y muestren colores más vivos y brillantes. Al mismo tiempo, estas pantallas son más respetuosas con el medio ambiente.
Debido a estas ventajas, se han publicado muchos trabajos de investigación sobre las placas de retroiluminación LED con iluminación directa y las placas de retroiluminación LED con iluminación en los bordes. El primer televisor LCD del mundo que utilizó retroiluminación mixta RGB-LED fue lanzado por Sony. Este producto consiguió una gama de reproducción del color muy amplia, alcanzando 105% de la gama de color estándar del Comité del Sistema Nacional de Televisión (NTSC).
Sin embargo, tras estos logros de la investigación, siguen existiendo problemas térmicos. Durante su funcionamiento, los LED generan calor. Este calor provoca una reducción de la intensidad de salida de la luz y también un desplazamiento de la longitud de onda dominante. Estos dos efectos modifican la temperatura de color de la pantalla y provocan variaciones en el rendimiento NTSC. Además, el calor excesivo acorta la vida útil de la pantalla. Por lo tanto, para garantizar la calidad de imagen y la fiabilidad a largo plazo, la gestión térmica del sistema de retroiluminación es extremadamente importante.
Para mejorar el rendimiento térmico de un sistema de retroiluminación RGB-LED, se pueden considerar dos enfoques principales. El primero consiste en mejorar la capacidad de disipación de calor de un solo LED. El segundo consiste en mejorar la capacidad de disipación del conjunto de LED. Como diseñadores de un sistema de retroiluminación RGB-LED, elegimos el segundo enfoque para resolver el problema térmico.
Para mejorar el rendimiento térmico de un sistema de matriz de LED, también existen dos métodos habituales. Un método consiste en utilizar ventiladores para aumentar la velocidad del flujo de aire alrededor del sistema de retroiluminación. El otro método consiste en reducir la resistencia térmica de la unión de LED con el entorno. Diseñar el módulo de retroiluminación en una placa de circuito impreso económica y de alta conductividad térmica es una solución mejor.
En la actualidad, la tecnología convencional de sustrato metálico aislado (IMS), ampliamente utilizada, emplea materiales poliméricos o de resina epoxi como capa aislante. Esta tecnología requiere un tratamiento especial de la superficie de la base metálica. Además, el grosor mínimo de la capa aislante suele ser de unos 75 micrómetros. Este grosor aumenta la resistencia térmica global de la placa IMS. Además, en condiciones de alta temperatura, las placas IMS tradicionales pueden sufrir delaminación entre la capa aislante y la base metálica.
En este artículo, utilizamos la tecnología de pulverización catódica por magnetrón para fabricar un nuevo tipo de PCB de sustrato metálico aislado. Se genera una capa aislante formada químicamente con un grosor de 30 a 35 micrómetros sobre la superficie de una base de aluminio. A continuación, el circuito diseñado se forma sobre la capa aislante mediante pulverización catódica por magnetrón. Este nuevo PCB de sustrato metálico aislado tiene un excelente rendimiento térmico y también puede eliminar los problemas de delaminación o descascarillado en condiciones de alta temperatura.
Los resultados de las pruebas muestran que la resistencia térmica de la nueva placa de sustrato de aluminio aislado es de 4,78 °C/W, mientras que la resistencia térmica de una placa de sustrato de aluminio tradicional aislada con polímeros es de 7,61 °C/W.
Tecnología de pulverización catódica por magnetrón
Proceso básico de sputtering
El sputtering es un proceso de vacío utilizado para depositar materiales como metales, cerámicas y plásticos sobre una superficie para formar una película fina. El proceso básico de pulverización catódica funciona del siguiente modo.
Los electrones colisionan con átomos de gas inerte, normalmente argón, y los ionizan. Estos iones de alta energía son acelerados por un campo eléctrico y bombardean el material objetivo que se va a depositar. Debido a este fuerte bombardeo, los átomos son expulsados de la superficie del material objetivo. Bajo la influencia del campo eléctrico, estos átomos se depositan finalmente sobre la superficie del sustrato y forman una fina película atómica. El grosor de esta película fina depende del tiempo de sputtering.
Una placa de circuito impreso convencional con sustrato metálico aislado con polímero suele constar de una capa de cobre, una capa adhesiva, una capa aislante de polímero, un chip LED, adhesivo y una base de aluminio. En cambio, el sputtering por magnetrón introduce un campo magnético adicional en el proceso.
Proceso de sputtering con magnetrón
El proceso de sputtering por magnetrón completo difiere del sputtering básico por corriente continua principalmente porque se aplica un fuerte campo magnético cerca de la zona objetivo. Este campo magnético obliga a los electrones a moverse a lo largo de las líneas de campo magnético cerca de la superficie del blanco en lugar de ser atraídos hacia el sustrato.
En comparación con el sputtering básico, el sputtering por magnetrón ofrece tres ventajas principales. En primer lugar, la región de plasma queda confinada cerca del material objetivo y no daña la película fina en formación. En segundo lugar, la longitud del recorrido de los electrones es mayor, lo que aumenta la probabilidad de ionizar átomos de argón. Como resultado, se expulsan más átomos de argón y se mejora la eficacia del sputtering. En tercer lugar, las películas finas producidas mediante pulverización catódica por magnetrón contienen menos impurezas, lo que garantiza una alta calidad de la película.
Diseño de placas de circuito impreso con sustrato de aluminio anodizado aislado
El PCB de sustrato de aluminio anodizado aislado consta de tres capas: la capa base de aluminio, la capa aislante anodizada y la capa de metalización. La capa de metalización consta de tres películas finas: la película base, la película conductora y la película soldable.
Capa base de aluminio
La capa base de aluminio constituye la base de la placa de circuito impreso. Al seleccionar el material de aluminio, hay que tener en cuenta dos factores. En primer lugar, el aluminio debe tener suficiente resistencia mecánica y buena maquinabilidad. En segundo lugar, debe ser adecuado para la anodización y el tratamiento de aislamiento. En determinadas condiciones, la base de aluminio también puede transformarse en una estructura en forma de aleta para mejorar aún más la disipación del calor.
Capa aislante anodizada
La capa aislante anodizada se forma mediante un proceso de anodización especial que crea una estructura microporosa. Esta estructura microporosa determina el rendimiento de aislamiento eléctrico de la capa. Dependiendo de la tecnología de procesado utilizada, la rigidez dieléctrica de esta capa puede oscilar entre 250 V y 3000 V.
Mediante fotolitografía o tecnología de enmascaramiento, se forma el patrón del circuito en esta capa. Este diseño permite una integración perfecta entre la capa base y la capa aislante. Al mismo tiempo, los chips LED se montan directamente sobre esta capa. Como resultado, el chip LED, la placa de circuito impreso y el disipador de calor forman una única estructura integrada. Esto mejora enormemente el rendimiento térmico global de la placa de circuito impreso.
Capa de metalización
La capa de metalización consta de una película base, una película conductora y una película soldable. Esta capa no sólo debe proporcionar una buena conductividad eléctrica, sino también garantizar una fuerte adherencia entre la capa de metalización y la capa aislante anodizada. El circuito se forma sobre esta capa mediante la tecnología de pulverización catódica por magnetrón.
La película base tiene un grosor de entre 0,1 y 0,15 micrómetros. Se forma por pulverización catódica de metales como el cromo o el titanio. La función principal de la película base es proporcionar una fuerte adherencia entre la capa de metalización y la capa aislante anodizada. Con el sputtering por magnetrón, la fuerza de adhesión puede alcanzar los 1000 N/cm², lo que hace que la unión sea muy estable. Además, la película base tiene una excelente resistencia a las altas temperaturas. Incluso a temperaturas superiores a 320°C durante 10 segundos, no se producen ampollas ni descamación. Por lo tanto, es totalmente adecuada para procesos de soldadura sin plomo.
La película conductora tiene un grosor de entre 1 y 2 micrómetros. Se forma por pulverización catódica de cobre, níquel o aleaciones de cobre y níquel. Esta película tiene dos funciones principales. Una es transportar una determinada densidad de corriente. La otra es actuar como capa amortiguadora cuando se producen deformaciones debidas a diferencias en los coeficientes de expansión térmica entre la película base y la película soldable. Este efecto amortiguador ayuda a mantener la estabilidad de toda la capa de metalización.
La película soldable tiene un grosor de entre 0,3 y 0,8 micrómetros. Se forma por pulverización catódica de metales como el oro o la plata, que tienen buena conductividad térmica, conductividad eléctrica y soldabilidad. La función principal de esta capa es facilitar la soldadura de componentes electrónicos, incluidos los chips LED.
Tecnología de procesos de fabricación
El proceso de fabricación completo incluye cinco pasos, que pueden agruparse en tres etapas principales. Estas etapas incluyen la anodización de la base de aluminio, la formación del patrón del circuito en la capa aislante anodizada mediante fotolitografía o enmascaramiento, la deposición de la película base, la película conductora y la película soldable mediante pulverización catódica por magnetrón y, por último, la serigrafía y la aplicación de fundente y máscara de soldadura.
Anodización de la base de aluminio
En primer lugar, se desengrasa y limpia la superficie de la base de aluminio. A continuación, se introduce en un baño electrolítico lleno de un electrolito. El electrolito puede ser ácido sulfúrico o ácido oxálico, dependiendo de las propiedades requeridas de la capa de óxido y de las condiciones del proceso. Durante la anodización, la base de aluminio actúa como ánodo. Los parámetros clave del proceso incluyen la concentración de electrolito, la densidad de corriente y la temperatura del electrolito. Para obtener una capa aislante anodizada de calidad, el tiempo de anodización debe controlarse cuidadosamente.
Deposición por pulverización catódica de magnetrones
Antes de depositar la película, hay que crear el patrón del circuito en la capa aislante anodizada mediante fotolitografía o tecnología de enmascaramiento. Cuando se utiliza la fotolitografía, la placa de aluminio anodizado se recubre con fotorresistencia, se expone y se revela. A continuación, se monta en un soporte sin máscara. Cuando se utiliza la tecnología de enmascaramiento, se monta una placa de enmascaramiento en la superficie de la fijación al sujetar la placa de aluminio anodizado.
Pasos posteriores al tratamiento
De acuerdo con los requisitos de diseño, se aplica fundente y máscara de soldadura a zonas específicas de la placa de circuito impreso de sustrato de aluminio anodizado revestido para prepararla para el montaje de componentes electrónicos.
Método de cálculo de la resistencia térmica
La resistencia térmica se refiere a la resistencia de un material conductor del calor al flujo de calor desde una fuente de calor a un dispositivo que lo absorbe. Su unidad es °C/W. La resistencia térmica se define como la diferencia de temperatura dividida por la tasa de transferencia de potencia calorífica.
La resistencia térmica entre dos puntos puede expresarse como la diferencia de temperatura dividida por la potencia disipada entre esos puntos.
Método de medición de la resistencia térmica
Se suelen utilizar varios métodos para medir las características térmicas de los LED. Entre ellos se incluyen las imágenes térmicas por infrarrojos, los métodos espectrales, los métodos de potencia óptica, los métodos de temperatura del plomo y los métodos de parámetros eléctricos. En este artículo se propone un método de parámetros eléctricos mejorado.
La resistencia térmica entre la unión y el entorno se calcula utilizando la temperatura de la unión, la temperatura ambiente y la potencia disipada. El aumento de temperatura de la unión está relacionado linealmente con el cambio en la tensión de avance cuando la corriente es suficientemente pequeña. Dado que la temperatura inicial de la unión es casi igual a la temperatura ambiente, la diferencia de temperatura entre la unión y el ambiente puede obtenerse directamente.
Combinando las ecuaciones pertinentes, se puede calcular la resistencia térmica entre la unión y el ambiente. En la práctica, la potencia óptica es muy pequeña en comparación con la eléctrica, por lo que puede despreciarse.
El procedimiento de medición incluye seleccionar un LED de alta potencia como fuente de calentamiento, utilizar un LED estándar como dispositivo de prueba, aislarlos eléctricamente, medir los cambios de tensión antes y después del calentamiento, calcular el aumento de temperatura, determinar la potencia disipada y, por último, calcular la resistencia térmica.
Resultados de la resistencia térmica de la placa de circuito impreso de sustrato de aluminio anodizado aislado
Utilizando el método descrito, se puede calcular la resistencia térmica tanto de las placas de circuito impreso convencionales con sustrato metálico aislado con polímero como de las placas de circuito impreso con sustrato de aluminio anodizado aislado. Además de la resistencia térmica global, también se mide la resistencia térmica de cada capa individual.
Las resistencias térmicas de las distintas capas se conectan en serie. La resistencia térmica total es la suma de las resistencias de la unión a la capa metálica, de la capa metálica al sustrato y del sustrato al entorno.
Los resultados muestran que la resistencia térmica de la placa de circuito impreso con sustrato de aluminio anodizado aislado es 59,2% inferior a la de la placa de circuito impreso convencional con sustrato metálico aislado con polímero. Esta mejora se debe principalmente a dos factores. En primer lugar, la PCB convencional tiene una capa estructural más que la PCB anodizada. En segundo lugar, la capa aislante anodizada es mucho más fina y tiene una conductividad térmica mucho mejor que la capa aislante de polímero.
Conclusión
La gestión térmica es una cuestión crítica en el desarrollo de sistemas de retroiluminación RGB-LED. En este estudio, se desarrolla un nuevo tipo de PCB de sustrato de aluminio anodizado aislado y se propone un método mejorado de parámetros eléctricos para la medición de la resistencia térmica.
En comparación con las placas de circuito impreso de sustrato metálico con aislamiento de polímero convencionales, la placa de circuito impreso de sustrato de aluminio con aislamiento anodizado presenta varias ventajas. No hay separación mecánica entre la capa aislante anodizada y la base de aluminio, lo que mejora la resistencia mecánica general. La estructura de metalización de tres capas formada por pulverización catódica por magnetrón proporciona una fuerte adhesión de al menos 1000 N/cm², lo que mejora aún más la estabilidad mecánica. Además, el reducido número de capas y la capa aislante más fina reducen significativamente la resistencia térmica global en 59,2%.
Debido a estas ventajas, las placas de circuito impreso con sustrato de aluminio anodizado aislado son más adecuadas para su uso en sistemas de retroiluminación RGB-LED que las placas de circuito impreso convencionales con sustrato metálico aislado con polímero.
