Johdanto
Valodiodi (LED) on kiinteä puolijohdekomponentti, joka muuntaa sähköenergian valoksi. Perinteisiin hehkulamppuihin verrattuna LEDeillä on monia selkeitä etuja. Näihin etuihin kuuluvat pitkä käyttöikä, laaja värivalikoima, vahva kestävyys, joustava muotoilu, yksinkertainen ohjaus ja ympäristönsuojelu. Näiden etujen vuoksi ledejä pidetään yleisesti yhtenä tulevaisuuden lupaavimmista valonlähteistä.
Punaisia, vihreitä ja sinisiä (RGB) LED-valoja voidaan sekoittaa keskenään, jolloin saadaan aikaan valkoista valoa, jolla on hyvin laaja väriskaala. Tämän ominaisuuden vuoksi RGB-LEDit ovat erittäin houkuttelevia nestekidenäytön (LCD) taustavalojärjestelmissä. Tämäntyyppisten taustavalojen ansiosta näytöistä saadaan ohuempia, niiden käyttöikä pitenee, niiden himmennyssuhde on suurempi ja niiden värit ovat kirkkaampia ja elävämpiä. Samalla nämä näytöt ovat ympäristöystävällisempiä.
Näiden etujen vuoksi on julkaistu monia tutkimuksia suoraan valaistuista LED-taustavalolevyistä ja reunavalaistuista LED-taustavalolevyistä. Sony julkaisi maailman ensimmäisen LCD-television, jossa käytettiin RGB-LED-taustavalaistusta. Tällä tuotteella saavutettiin erittäin laaja värintoistoalue, joka oli 105% NTSC-standardin (National Television System Committee) mukaisesta väriskaalasta.
Näiden tutkimustulosten takana on kuitenkin edelleen lämpökysymyksiä. Toiminnan aikana LEDit tuottavat lämpöä. Tämä lämpö vähentää valon tehoa ja johtaa myös hallitsevan aallonpituuden siirtymiseen. Nämä kaksi vaikutusta muuttavat näytön värilämpötilaa ja aiheuttavat vaihtelua NTSC-suorituskyvyssä. Lisäksi liiallinen lämpö lyhentää näytön käyttöikää. Siksi taustavalojärjestelmän lämmönhallinta on erittäin tärkeää kuvanlaadun ja pitkäaikaisen luotettavuuden varmistamiseksi.
RGB-LED-taustavalojärjestelmän lämpötehokkuuden parantamiseksi voidaan harkita kahta pääasiallista lähestymistapaa. Ensimmäinen lähestymistapa on parantaa yksittäisen LEDin lämmönhaihdutuskykyä. Toinen lähestymistapa on parantaa LED-joukon lämmönhaihdutuskykyä. RGB-LED-taustavalojärjestelmän suunnittelijoina valitsimme toisen lähestymistavan lämpöongelman ratkaisemiseksi.
LED-joukkojärjestelmän lämpösuorituskyvyn parantamiseksi on myös kaksi yleistä menetelmää. Yksi menetelmä on käyttää tuulettimia, joilla lisätään ilmavirran nopeutta taustavalojärjestelmän ympärillä. Toinen menetelmä on vähentää lämpövastusta LED-risteyksestä ympäristöön. Taustavalomoduulin suunnittelu taloudelliselle ja hyvin lämpöä johtavalle piirilevylle on parempi ratkaisu.
Tällä hetkellä laajalti käytetyssä perinteisessä eristetyssä metallialustatekniikassa (IMS) käytetään eristekerroksena polymeeri- tai epoksihartsimateriaaleja. Tämä tekniikka edellyttää metallipohjan erityistä pintakäsittelyä. Lisäksi eristävän kerroksen vähimmäispaksuus on yleensä noin 75 mikrometriä. Tämä paksuus lisää IMS-levyn kokonaislämmönvastusta. Lisäksi korkeissa lämpötiloissa perinteiset IMS-levyt voivat kärsiä eristekerroksen ja metallipohjan välisestä delaminaatiosta.
Tässä artikkelissa käytämme magnetronipölytystekniikkaa uudenlaisen eristetyn metallialustan PCB: n valmistamiseen. Alumiinialustan pinnalle luodaan kemiallisesti muodostettu eristävä kerros, jonka paksuus on 30-35 mikrometriä. Sitten suunniteltu piiri muodostetaan eristävälle kerrokselle magnetronipölyttämällä. Tällä uudella eristetyllä metallisubstraattipiirilevyllä on erinomainen lämpökäyttäytyminen, ja sillä voidaan myös poistaa delaminaatio- tai kuorintaongelmat korkeissa lämpötiloissa.
Testitulokset osoittavat, että uuden eristetyn alumiinialustalevyn lämpövastus on 4,78 °C/W, kun taas perinteisen polymeerieristetyn alumiinialustalevyn lämpövastus on 7,61 °C/W.
Magnetroni sputterointitekniikka
Perus Sputterointiprosessi
Sputterointi on tyhjiöprosessi, jota käytetään materiaalien, kuten metallien, keramiikan ja muovien, pinnalle pinnoittamiseen ohueksi kalvoksi. Sputteroinnin perusprosessi toimii seuraavasti.
Elektronit törmäävät inertin kaasun, yleensä argonin, atomeihin ja ionisoivat ne. Nämä korkeaenergiset ionit kiihdytetään sähkökentän avulla, ja ne pommittavat kohdemateriaalia, joka on tarkoitus laskea. Tämän voimakkaan pommituksen vuoksi atomit sinkoutuvat kohdemateriaalin pinnalta. Sähkökentän vaikutuksesta nämä atomit laskeutuvat lopulta substraatin pinnalle ja muodostavat atomien muodostaman ohuen kalvon. Tämän ohutkalvon paksuus riippuu sputterointiajasta.
Perinteinen polymeerieristetty metallisubstraattipiirilevy koostuu tyypillisesti kuparikerroksesta, liimakerroksesta, polymeerieristekerroksesta, LED-sirusta, liimasta ja alumiinipohjasta. Sitä vastoin magnetronipölyttämisessä prosessiin lisätään magneettikenttä.
Magnetroni sputterointiprosessi
Täydellinen magnetronisumutusprosessi eroaa perus-suoravirtasumutuksesta pääasiassa siinä, että kohdealueen lähellä on voimakas magneettikenttä. Tämä magneettikenttä pakottaa elektronit liikkumaan magneettikenttäviivoja pitkin lähellä kohteen pintaa sen sijaan, että ne vetäytyisivät kohti substraattia.
Magnetronipölyttämisessä on kolme merkittävää etua verrattuna perusputterointiin. Ensinnäkin plasma-alue rajoittuu lähelle kohdemateriaalia eikä vahingoita muodostuvaa ohutkalvoa. Toiseksi elektronien kulkureitin pituus pitenee, mikä lisää argonatomien ionisoitumisen todennäköisyyttä. Tämän seurauksena kohdeatomeja sinkoutuu enemmän, ja sputteroinnin tehokkuus paranee. Kolmanneksi magnetronipölytyksellä tuotetut ohutkalvot sisältävät vähemmän epäpuhtauksia, mikä takaa kalvon korkean laadun.
Anodisoidun eristetyn alumiinisubstraatin PCB: n suunnittelu
Anodisoitu eristetty alumiinisubstraatti PCB koostuu kolmesta kerroksesta: alumiininen pohjakerros, anodisoitu eristävä kerros ja metallointikerros. Itse metallointikerros koostuu kolmesta ohuesta kalvosta, jotka ovat pohjakalvo, johtava kalvo ja juotettava kalvo.
Alumiininen pohjakerros
Alumiininen pohjakerros muodostaa piirilevyn perustan. Alumiinimateriaalia valittaessa on otettava huomioon kaksi tekijää. Ensinnäkin alumiinilla on oltava riittävä mekaaninen lujuus ja hyvä työstettävyys. Toiseksi sen on sovelluttava anodisointiin ja eristyskäsittelyyn. Tietyissä olosuhteissa alumiinipohja voidaan myös työstää evän muotoiseksi rakenteeksi, jotta lämmönhukka saadaan poistettua entistä paremmin.
Anodisoitu eristekerros
Anodisoitu eristävä kerros muodostetaan erityisellä anodisointiprosessilla, joka luo mikrohuokoisen rakenteen. Tämä mikrohuokoinen rakenne määrittää kerroksen sähköisen eristyskyvyn. Käytetystä käsittelytekniikasta riippuen tämän kerroksen dielektrinen lujuus voi vaihdella 250 V:sta 3000 V:iin.
Tähän kerrokseen muodostetaan piirikuvio fotolitografian tai peittotekniikan avulla. Tämä rakenne mahdollistaa saumattoman integroinnin pohjakerroksen ja eristekerroksen välillä. Samalla LED-sirut asennetaan suoraan tähän kerrokseen. Tämän seurauksena LED-siru, piirilevy ja jäähdytyselementti muodostavat yhden integroidun rakenteen. Tämä parantaa huomattavasti piirilevyn yleistä lämpötehoa.
Metallointi kerros
Metallointikerros koostuu pohjakalvosta, johtavasta kalvosta ja juotettavasta kalvosta. Tämän kerroksen on paitsi tarjottava hyvä sähkönjohtavuus myös varmistettava vahva tartunta metallointikerroksen ja anodisoidun eristekerroksen välillä. Piiri muodostetaan tähän kerrokseen magnetronipölyttämistekniikalla.
Pohjakalvon paksuus on 0,1-0,15 mikrometriä. Se muodostetaan sputteroimalla metalleja, kuten kromia tai titaania. Pohjakalvon päätehtävänä on luoda vahva tartunta metallointikerroksen ja anodisoidun eristekerroksen välille. Magnetronipölyttämällä adheesiolujuus voi olla jopa 1000 N/cm², mikä tekee sidoksesta erittäin vakaan. Lisäksi pohjakalvolla on erinomainen korkean lämpötilan kestävyys. Jopa yli 320 °C:n lämpötiloissa 10 sekunnin ajan ei tapahdu rakkuloita tai kuoriutumista. Siksi se soveltuu täysin lyijyttömiin juotosprosesseihin.
Johtavan kalvon paksuus on 1-2 mikrometriä. Se muodostuu kuparia, nikkeliä tai kupari-nikkeliseoksia sputteroimalla. Kalvolla on kaksi pääasiallista tarkoitusta. Yksi tarkoitus on johtaa tiettyä virrantiheyttä. Toinen tarkoitus on toimia puskurikerroksena, kun peruskalvon ja juotettavan kalvon lämpölaajenemiskertoimien eroista johtuva muodonmuutos tapahtuu. Tämä puskurivaikutus auttaa säilyttämään koko metallointikerroksen vakauden.
Juotettavan kalvon paksuus on 0,3-0,8 mikrometriä. Se muodostetaan sputteroimalla metalleja, kuten kultaa tai hopeaa, joilla on hyvä lämmönjohtavuus, sähkönjohtavuus ja juotettavuus. Tämän kerroksen päätehtävänä on helpottaa elektronisten komponenttien, kuten LED-sirujen, juottamista.
Valmistusprosessin teknologia
Koko valmistusprosessi sisältää viisi vaihetta, jotka voidaan jakaa kolmeen päävaiheeseen. Näihin vaiheisiin kuuluvat alumiinipohjan anodisointi, piirikuvion muodostaminen anodisoituun eristekerrokseen fotolitografian tai maskeerauksen avulla, pohjakalvon, johtavan kalvon ja juotettavan kalvon laskeutuminen magnetronipölyttämällä ja lopuksi silkkipainatus sekä juotosvirran ja juotosmaskin levittäminen.
Alumiinipohjan anodisointi
Aluksi alumiinipohja rasvanpoistetaan ja puhdistetaan. Sitten se asetetaan elektrolyyttikylpyyn, joka on täytetty elektrolyytillä. Elektrolyytti voi olla rikkihappoa tai oksaalihappoa riippuen oksidikerroksen vaadituista ominaisuuksista ja prosessiolosuhteista. Anodisoinnin aikana alumiinipohja toimii anodina. Keskeisiä prosessiparametreja ovat elektrolyyttikonsentraatio, virrantiheys ja elektrolyytin lämpötila. Jotta saadaan pätevä anodisoitu eristekerros, anodisointiaikaa on valvottava huolellisesti.
Magnetroni Sputterointi Deposition
Ennen kalvopäällystystä piirikuvio on luotava anodisoituun eristekerrokseen fotolitografian tai peitetekniikan avulla. Kun käytetään fotolitografiaa, anodisoitu alumiinilevy päällystetään fotoresistillä, valotetaan ja kehitetään. Sitten se asennetaan kiinnikkeeseen ilman maskia. Kun käytetään maskitekniikkaa, maskilevy asennetaan kiinnittimen pinnalle, kun anodisoitu alumiinilevy kiinnitetään.
Jälkikäsittelyvaiheet
Suunnitteluvaatimusten mukaan päällystetyn anodisoidun alumiinisubstraatin piirilevyn tietyille alueille levitetään vuota ja juotosmaski, jotta se voidaan valmistella elektronisten komponenttien kokoonpanoa varten.
Lämpöresistanssin laskentamenetelmä
Lämpöresistanssilla tarkoitetaan lämpöä johtavan materiaalin vastusta lämpövirralle lämmönlähteestä lämpöä absorboivaan laitteeseen. Sen yksikkö on °C/W. Lämpöresistanssi määritellään lämpötilaerona jaettuna lämpötehon siirtonopeudella.
Kahden pisteen välinen lämpöresistanssi voidaan ilmaista lämpötilaerona jaettuna pisteiden välillä haihtuvalla teholla.
Lämpöresistanssin mittausmenetelmä
LEDien lämpöominaisuuksien mittaamiseen käytetään yleisesti useita menetelmiä. Näitä ovat infrapunalämpökuvaus, spektrimenetelmät, optisen tehon menetelmät, lyijyn lämpötilamenetelmät ja sähköisten parametrien menetelmät. Tässä asiakirjassa ehdotetaan parannettua sähköisten parametrien menetelmää.
Liitoksen ja ympäristön välinen lämpöresistanssi lasketaan käyttäen liitoksen lämpötilaa, ympäristön lämpötilaa ja häviötehoa. Liitoslämpötilan nousu on lineaarisessa suhteessa eteenpäin suuntautuvan jännitteen muutokseen, kun virta on riittävän pieni. Koska liitoksen alkulämpötila on lähes sama kuin ympäristön lämpötila, liitoksen ja ympäristön lämpötilaero saadaan suoraan.
Yhdistämällä asiaankuuluvat yhtälöt voidaan laskea liittymän ja ympäristön välinen lämpöresistanssi. Käytännössä optinen teho on hyvin pieni verrattuna sähkötehoon, joten se voidaan jättää huomiotta.
Mittausmenetelmään kuuluu suuritehoisen LEDin valitseminen lämmityslähteeksi, vakio-LEDin käyttäminen testilaitteena, niiden sähköinen eristäminen, jännitteen muutosten mittaaminen ennen ja jälkeen lämmityksen, lämpötilan nousun laskeminen, häviötehon määrittäminen ja lopuksi lämpöresistanssin laskeminen.
Anodisoidun eristetyn alumiinisubstraatin PCB: n lämpöresistanssitulokset
Kuvatun menetelmän avulla voidaan laskea sekä tavanomaisten polymeerieristettyjen metallialustan piirilevyjen että anodisoitujen eristettyjen alumiinialustan piirilevyjen lämpöresistanssi. Kokonaislämpöresistanssin lisäksi mitataan myös kunkin yksittäisen kerroksen lämpöresistanssi.
Eri kerrosten lämpöresistanssit on kytketty sarjaan. Kokonaislämpöresistanssi on liitoskohdan ja metallikerroksen, metallikerroksen ja substraatin sekä substraatin ja ympäristön välisten vastusten summa.
Tulokset osoittavat, että anodisoidun eristetyn alumiinisubstraattipiirilevyn lämpöresistanssi on 59,2% alhaisempi kuin tavanomaisen polymeerieristetyn metallisubstraattipiirilevyn. Tämä parannus johtuu pääasiassa kahdesta tekijästä. Ensinnäkin tavanomaisella piirilevyllä on yksi rakennekerros enemmän kuin anodisoidulla piirilevyllä. Toiseksi anodisoitu eristekerros on paljon ohuempi ja sillä on paljon parempi lämmönjohtavuus kuin polymeerieristekerroksella.
Päätelmä
Lämmönhallinta on kriittinen kysymys RGB-LED-taustavalojärjestelmien kehittämisessä. Tässä tutkimuksessa kehitetään uudenlainen anodisoitu eristetty alumiinisubstraattipiirilevy ja ehdotetaan parannettua sähköistä parametrimenetelmää lämpövastuksen mittaamiseen.
Verrattuna tavanomaisiin polymeerieristettyihin metallialustan PCB: hen, anodisoidulla eristetyllä alumiinialustalla PCB: llä on useita etuja. Anodisoidun eristekerroksen ja alumiinialustan välillä ei ole mekaanista rakoa, mikä parantaa yleistä mekaanista lujuutta. Magnetronipölytyksellä muodostettu kolmikerrosmetallirakenne tarjoaa vahvan tartunnan, joka on vähintään 1000 N/cm², mikä parantaa mekaanista vakautta entisestään. Lisäksi kerrosten vähentynyt määrä ja ohuempi eristekerros alentavat kokonaislämpöresistanssia merkittävästi 59,2%.
Näiden etujen vuoksi anodisoidut eristetyt alumiinisubstraattipiirilevyt soveltuvat paremmin käytettäväksi RGB-LED-taustavalojärjestelmissä kuin perinteiset polymeerieristetyt metallisubstraattipiirilevyt.
