مقدمه
دیود نوری (الایدیدیود نوری (LED) یک دستگاه نیمهرسانا در حالت جامد است که انرژی الکتریکی را به نور تبدیل میکند. در مقایسه با لامپهای رشتهای سنتی، LEDها مزایای واضح بسیاری دارند. این مزایا شامل عمر طولانی، طیف رنگی گسترده، دوام بالا، طراحی انعطافپذیر، کنترل ساده و حفاظت از محیط زیست است. به دلیل این مزایا، LEDها به طور گسترده بهعنوان یکی از امیدوارکنندهترین منابع نور برای آینده در نظر گرفته میشوند.
LEDهای قرمز، سبز و آبی (RGB) را میتوان با هم ترکیب کرد تا نور سفید با گسترهٔ رنگی بسیار وسیع تولید شود. به همین دلیل، LEDهای RGB برای استفاده در سیستمهای نور پسزمینهٔ نمایشگرهای کریستال مایع (LCD) بسیار جذاب هستند. این نوع نور پسزمینه به نمایشگرها امکان میدهد باریکتر شوند، عمر عملیاتی طولانیتری داشته باشند، نسبت کاهش نور بیشتری ارائه دهند و رنگهایی روشنتر و زندهتر نمایش دهند. در عین حال، این نمایشگرها سازگارتر با محیط زیست هستند.
به دلیل این مزایا، مقالات پژوهشی زیادی درباره بردهای نور پسزمینه LED با نوردهی مستقیم و بردهای نور پسزمینه LED با نوردهی لبه منتشر شده است. اولین تلویزیون LCD جهان که از نور پسزمینه ترکیبی RGB-LED استفاده میکرد، توسط سونی عرضه شد. این محصول به محدوده بازتولید رنگ بسیار گستردهای دست یافت و توانست ۱۰۵۱TP3T از گستره رنگ استاندارد کمیته سیستم تلویزیون ملی (NTSC) را پوشش دهد.
با این حال، پشت این دستاوردهای تحقیقاتی، هنوز مسائل حرارتی وجود دارد. در حین کار، LEDها گرما تولید میکنند. این گرما باعث کاهش شدت نور خروجی میشود و همچنین به جابجایی طول موج غالب منجر میگردد. این دو اثر دمای رنگ نمایشگر را تغییر میدهند و به نوسانات در عملکرد NTSC منجر میشوند. علاوه بر این، گرمای بیش از حد عمر مفید نمایشگر را کوتاه میکند. بنابراین، برای تضمین کیفیت تصویر و قابلیت اطمینان بلندمدت، مدیریت حرارتی سیستم نور پسزمینه از اهمیت زیادی برخوردار است.
برای بهبود عملکرد حرارتی یک سیستم نور پسزمینه RGB-LED، دو رویکرد اصلی قابل بررسی است. رویکرد اول بهبود قابلیت دفع حرارت یک LED منفرد است. رویکرد دوم بهبود قابلیت دفع حرارت آرایه LED است. بهعنوان طراحان یک سیستم نور پسزمینه RGB-LED، ما رویکرد دوم را برای حل مسئله حرارتی انتخاب کردیم.
برای بهبود عملکرد حرارتی یک سیستم آرایه LED، دو روش رایج وجود دارد. یک روش استفاده از فنها برای افزایش سرعت جریان هوا در اطراف سیستم نور پسزمینه است. روش دیگر کاهش مقاومت حرارتی از محل اتصال LED تا محیط اطراف است. طراحی ماژول نور پسزمینه روی یک برد مدار چاپی اقتصادی با هدایت حرارتی بالا راهحل بهتری است.
در حال حاضر، فناوری رایج زیرلایه فلزی عایقشده (IMS) از مواد پلیمری یا رزین اپوکسی بهعنوان لایه عایق استفاده میکند. این فناوری نیازمند عملیات سطحی ویژه روی پایه فلزی است. علاوه بر این، حداقل ضخامت لایه عایق معمولاً حدود ۷۵ میکرومتر است. این ضخامت مقاومت حرارتی کلی برد IMS را افزایش میدهد. علاوه بر این، در شرایط دمای بالا، بردهای IMS سنتی ممکن است دچار جداشدگی لایهها بین لایه عایق و پایه فلزی شوند.
در این مقاله، از فناوری اسپاترینگ مگنترون برای ساخت نوع جدیدی از برد مدار چاپی با زیرلایه فلزی عایق استفاده میکنیم. یک لایه عایق شیمیایی با ضخامت ۳۰ تا ۳۵ میکرومتر بر روی سطح پایه آلومینیومی ایجاد میشود. سپس مدار طراحیشده با استفاده از اسپاترینگ مگنترون روی لایه عایق تشکیل میشود. این PCB با زیرلایه فلزی عایق جدید عملکرد حرارتی بسیار خوبی دارد و همچنین میتواند مشکلات لایهبرداری یا جداشدگی را در شرایط دمایی بالا از بین ببرد.
نتایج آزمایشها نشان میدهد که مقاومت حرارتی برد زیرلایه آلومینیومی عایقشده جدید ۴٫۷۸ درجه سانتیگراد بر وات است، در حالی که مقاومت حرارتی یک برد زیرلایه آلومینیومی عایقشده با پلیمر سنتی ۷٫۶۱ درجه سانتیگراد بر وات است.
فناوری اسپاترینگ مگنترون
فرآیند پایه اسپاترینگ
اسپاترینگ یک فرایند خلأ است که برای رسوبدهی موادی مانند فلزات، سرامیکها و پلاستیکها روی یک سطح بهمنظور تشکیل لایه نازک استفاده میشود. فرایند پایه اسپاترینگ به شرح زیر عمل میکند.
الکترونها با اتمهای گاز خنثی، معمولاً آرگون، برخورد کرده و آنها را یونیزه میکنند. این یونهای پرانرژی توسط یک میدان الکتریکی شتاب داده شده و به ماده هدف که قرار است رسوب کند، بمباران میکنند. بهدلیل این بمباران شدید، اتمها از سطح ماده هدف پرتاب میشوند. تحت تأثیر میدان الکتریکی، این اتمها در نهایت بر سطح زیرلایه رسوب کرده و یک لایه نازک اتمی تشکیل میدهند. ضخامت این لایه نازک به زمان اسپاترینگ بستگی دارد.
یک برد مدار چاپی (PCB) با زیرلایه فلزی عایقشده با پلیمر متداول معمولاً شامل یک لایه مس، لایه چسب، لایه عایق پلیمری، تراشه LED، چسب و پایه آلومینیومی است. در مقابل، اسپاترینگ مگنترون یک میدان مغناطیسی اضافی را به فرآیند وارد میکند.
فرآیند اسپاترینگ مگنترون
فرآیند کامل اسپاترینگ با مگنترون با اسپاترینگ پایهای جریان مستقیم عمدتاً به این دلیل متفاوت است که یک میدان مغناطیسی قوی در نزدیکی ناحیه هدف اعمال میشود. این میدان مغناطیسی الکترونها را مجبور میکند تا به جای جذب شدن به سمت زیرلایه، در امتداد خطوط میدان مغناطیسی در نزدیکی سطح هدف حرکت کنند.
در مقایسه با اسپاترینگ پایه، اسپاترینگ مگنترون سه مزیت عمده دارد. اول اینکه ناحیهٔ پلاسما در نزدیکی مادهٔ هدف محدود میشود و به فیلم نازک در حال تشکیل آسیب نمیرساند. دوم اینکه طول مسیر الکترونها افزایش مییابد که احتمال یونش اتمهای آرگون را افزایش میدهد. در نتیجه، اتمهای هدف بیشتری خارج میشوند و بازده اسپاترینگ بهبود مییابد. سوم اینکه فیلمهای نازکی که با اسپاترینگ مگنترون تولید میشوند، ناخالصیهای کمتری دارند که کیفیت بالای فیلم را تضمین میکند.
طراحی برد مدار چاپی با زیرلایه آلومینیومی عایق و آنودایز شده
برد مدار چاپی سوبسترا آلومینیومی عایقشده با آنودایز از سه لایه تشکیل شده است: لایه پایه آلومینیومی، لایه عایق آنودایز و لایه فلزیسازی. خود لایه فلزیسازی از سه فیلم نازک تشکیل شده است که عبارتند از فیلم پایه، فیلم رسانا و فیلم قابل لحیمکاری.
لایهٔ پایهٔ آلومینیومی
لایه پایه آلومینیومی، اساس برد مدار چاپی (PCB) را تشکیل میدهد. هنگام انتخاب آلومینیوم، دو عامل باید مدنظر قرار گیرند. اول اینکه آلومینیوم باید دارای استحکام مکانیکی کافی و قابلیت ماشینکاری خوبی باشد. دوم اینکه باید برای آنودایزینگ و عملیات عایقکاری مناسب باشد. تحت شرایط خاص، میتوان لایه پایه آلومینیومی را به ساختار پرهدار تبدیل کرد تا دفع حرارت را بیشتر بهبود بخشد.
لایه عایق آنودایز شده
لایه عایق آنودایز شده از طریق یک فرآیند آنودایز ویژه تشکیل میشود که ساختار میکرومتخلخل ایجاد میکند. این ساختار میکرومتخلخل عملکرد عایق الکتریکی لایه را تعیین میکند. بسته به فناوری پردازش بهکاررفته، استحکام دیالکتریک این لایه میتواند بین ۲۵۰ ولت تا ۳۰۰۰ ولت باشد.
با استفاده از فوتولیتوگرافی یا فناوری ماسکگذاری، الگوی مدار روی این لایه شکل میگیرد. این طراحی امکان یکپارچهسازی بیوقفه بین لایه پایه و لایه عایق را فراهم میکند. در عین حال، تراشههای LED مستقیماً روی این لایه نصب میشوند. در نتیجه، تراشه LED، برد مدار چاپی (PCB) و هیتسینک ساختار یکپارچهای را تشکیل میدهند. این امر عملکرد حرارتی کلی PCB را بهطور چشمگیری بهبود میبخشد.
لایه فلزیسازی
لایهٔ فلزی از یک لایهٔ پایه، یک لایهٔ رسانا و یک لایهٔ قلعپذیر تشکیل شده است. این لایه باید نه تنها رسانایی الکتریکی خوبی فراهم کند، بلکه چسبندگی قوی بین لایهٔ فلزی و لایهٔ عایق آنودایز شده را نیز تضمین نماید. مدار بر روی این لایه با استفاده از فناوری اسپاترینگ مغناطیسونی شکل میگیرد.
لایه پایه ضخامتی بین 0.1 تا 0.15 میکرومتر دارد. این لایه با اسپاترینگ فلزاتی مانند کروم یا تیتانیوم تشکیل میشود. عملکرد اصلی لایه پایه، ایجاد چسبندگی قوی بین لایه متالیزاسیون و لایه عایق آنودایز است. با اسپاترینگ مگنترون، استحکام چسبندگی میتواند به 1000 نیوتن بر سانتیمتر مربع برسد که پیوند را بسیار پایدار میکند. علاوه بر این، لایه پایه مقاومت عالی در برابر دمای بالا دارد. حتی در دمای بالای ۳۲۰ درجه سانتیگراد برای مدت ۱۰ ثانیه، هیچگونه تاولزدگی یا پوستهشدگی رخ نمیدهد. بنابراین، کاملاً برای فرآیندهای لحیمکاری بدون سرب مناسب است.
لایه رسانا ضخامتی بین ۱ تا ۲ میکرومتر دارد. این لایه با اسپاترینگ مس، نیکل یا آلیاژ مس-نیکل تشکیل میشود. این لایه دو هدف اصلی دارد. یکی انتقال تراکم جریان معین است. هدف دیگر عمل بهعنوان لایه بافر هنگام تغییرشکل ناشی از تفاوت ضریب انبساط حرارتی بین لایه پایه و لایه قابل لحیمکاری است. این اثر بافرینگ به حفظ پایداری کل لایه متالیزاسیون کمک میکند.
لایهٔ قابل لحیمکاری ضخامتی بین ۰٫۳ تا ۰٫۸ میکرومتر دارد. این لایه با اسپاترینگ فلزاتی مانند طلا یا نقره تشکیل میشود که رسانایی حرارتی، الکتریکی و قابلیت لحیمپذیری خوبی دارند. عملکرد اصلی این لایه تسهیل لحیمکاری قطعات الکترونیکی از جمله چیپهای LED است.
فناوری فرآیند تولید
کل فرآیند تولید شامل پنج مرحله است که میتوان آنها را در سه مرحله اصلی دستهبندی کرد. این مراحل شامل آندایز کردن پایه آلومینیومی، ایجاد الگوی مدار بر روی لایه عایق آندایز شده با استفاده از فوتولیتوگرافی یا ماسکگذاری، رسوب فیلم پایه، فیلم رسانا و فیلم قابل لحیمکاری با استفاده از اسپاترینگ مغناطروسی، و در نهایت چاپ سیلک و اعمال فلکس و ماسک لحیم است.
آنودایزینگ پایه آلومینیومی
ابتدا، پایه آلومینیومی تحت عملیات چربیزدایی و تمیزکاری سطحی قرار میگیرد. سپس آن را در حمام الکتروشیمیایی پر از الکترولیت قرار میدهند. الکترولیت میتواند اسید سولفوریک یا اسید اگزالیک باشد، بسته به خواص مورد نیاز لایه اکسید و شرایط فرآیند. در طول آنودایزینگ، پایه آلومینیوم بهعنوان آند عمل میکند. پارامترهای کلیدی فرآیند شامل غلظت الکترولیت، تراکم جریان و دمای الکترولیت هستند. برای دستیابی به لایه عایق آنودایز شده با کیفیت، زمان آنودایزینگ باید بهدقت کنترل شود.
رسوبدهی اسپاترینگ مگنترون
پیش از رسوب فیلم، الگوی مدار باید روی لایه عایق آنودایز شده با استفاده از فوتولیتوگرافی یا فناوری ماسکینگ ایجاد شود. وقتی از فوتولیتوگرافی استفاده میشود، صفحه آلومینیوم آنودایز شده با فوتورزیست پوشانده شده، نوردهی و ظهور مییابد. سپس بدون ماسک در یک قاب نصب میشود. وقتی از فناوری ماسکینگ استفاده میشود، هنگام سفت کردن صفحه آلومینیوم آنودایز شده، یک صفحه ماسک روی سطح قاب نصب میشود.
مراحل پس از پردازش
طبق الزامات طراحی، فلوکس و ماسک لحیمکاری بر نواحی مشخصی از زیرلایهٔ آلومینیومی آنودایز شدهٔ پوششدار PCB اعمال میشوند تا آن را برای مونتاژ قطعات الکترونیکی آماده کنند.
روش محاسبه مقاومت حرارتی
مقاومت حرارتی به مقاومت یک مادهٔ رسانای گرما در برابر جریان گرما از یک منبع حرارتی به یک دستگاه جذبکنندهٔ گرما گفته میشود. واحد آن درجهٔ سلسیوس بر وات است. مقاومت حرارتی بهعنوان اختلاف دما تقسیم بر نرخ انتقال توان گرمایی تعریف میشود.
مقاومت حرارتی بین دو نقطه را میتوان به صورت اختلاف دما تقسیم بر توان تلفشده بین آن دو نقطه بیان کرد.
روش اندازهگیری مقاومت حرارتی
چندین روش معمولاً برای اندازهگیری ویژگیهای حرارتی LED بهکار میروند. این روشها شامل تصویربرداری حرارتی مادونقرمز، روشهای طیفی، روشهای توان نوری، روشهای دمای پایهها و روشهای پارامترهای الکتریکی هستند. در این مقاله، یک روش پارامترهای الکتریکی بهبودیافته پیشنهاد شده است.
مقاومت حرارتی بین اتصال داخلی و محیط اطراف با استفاده از دمای اتصال داخلی، دمای محیط و توان تلفشده محاسبه میشود. افزایش دمای اتصال داخلی بهطور خطی با تغییر ولتاژ پیشرونده مرتبط است وقتی جریان بهاندازه کافی کم باشد. از آنجا که دمای اولیه اتصال داخلی تقریباً برابر با دمای محیط است، اختلاف دما بین اتصال داخلی و محیط را میتوان مستقیماً بهدست آورد.
با ترکیب معادلات مربوطه، مقاومت حرارتی اتصال به محیط را میتوان محاسبه کرد. در عمل، توان نوری در مقایسه با توان الکتریکی بسیار کم است، بنابراین میتوان آن را نادیده گرفت.
رویهٔ اندازهگیری شامل انتخاب یک LED با توان بالا بهعنوان منبع گرمایش، استفاده از یک LED استاندارد بهعنوان دستگاه آزمون، ایزولهسازی الکتریکی آنها، اندازهگیری تغییرات ولتاژ قبل و بعد از گرمایش، محاسبهٔ افزایش دما، تعیین توان تلفشده و در نهایت محاسبهٔ مقاومت حرارتی است.
نتایج مقاومت حرارتی برد مدار چاپی با زیرلایه آلومینیومی عایق و آنودایز شده
با استفاده از روش توصیفشده، مقاومت حرارتی هر دو نوع برد مدار چاپی با زیرلایه فلزی عایقشده با پلیمر متعارف و برد مدار چاپی با زیرلایه آلومینیومی عایقشده با آنودایز قابل محاسبه است. علاوه بر مقاومت حرارتی کلی، مقاومت حرارتی هر لایه بهطور جداگانه نیز اندازهگیری میشود.
مقاومتهای حرارتی لایههای مختلف بهصورت سری به هم متصل هستند. مقاومت حرارتی کل برابر با مجموع مقاومتهای از محل اتصال به لایه فلزی، از لایه فلزی به زیرلایه و از زیرلایه به محیط اطراف است.
نتایج نشان میدهد که مقاومت حرارتی برد مدار چاپی با زیرلایه آلومینیومی عایقشده آنودایز شده ۵۹٫۲۱ برابر کمتر از برد مدار چاپی با زیرلایه فلزی عایقشده با پلیمر متعارف است. این بهبود عمدتاً به دو عامل برمیگردد. اول اینکه برد مدار چاپی متعارف یک لایه ساختاری بیشتر از برد مدار چاپی آنودایز شده دارد. دوم اینکه لایه عایق آنودایز شده بسیار نازکتر است و رسانایی حرارتی بسیار بهتری نسبت به لایه عایق پلیمری دارد.
نتیجهگیری
مدیریت حرارتی مسئلهای حیاتی در توسعه سیستمهای نور پسزمینه LED سهرنگ (RGB) است. در این مطالعه، یک نوع جدید برد مدار چاپی (PCB) با زیرلایه آلومینیومی عایقشده و آنودایز شده توسعه یافته و روشی بهبودیافته مبتنی بر پارامترهای الکتریکی برای اندازهگیری مقاومت حرارتی پیشنهاد شده است.
در مقایسه با PCBهای با زیرلایه فلزی عایقشده با پلیمر متعارف، PCB با زیرلایه آلومینیومی آنودایز شده عایقشده دارای چندین مزیت است. هیچ شکاف مکانیکی بین لایه عایق آنودایز شده و پایه آلومینیومی وجود ندارد که استحکام مکانیکی کلی را بهبود میبخشد. ساختار سهلایه متالیزاسیون حاصل از اسپاترینگ مغناطیسونی تراکم چسبندگی قوی حداقل 1000 نیوتن بر سانتیمتر مربع را فراهم میکند که پایداری مکانیکی را بیش از پیش افزایش میدهد. علاوه بر این، کاهش تعداد لایهها و نازکتر شدن لایه عایق مقاومت حرارتی کلی را به میزان 59.2% کاهش میدهد.
به دلیل این مزایا، PCBهای با زیرلایه آلومینیومی عایقشده و آنودایز شده برای استفاده در سیستمهای نور پسزمینه LED RGB نسبت به PCBهای متداول با زیرلایه فلزی عایقشده با پلیمر مناسبتر هستند.
