소개
발광 다이오드(LED)는 전기 에너지를 빛으로 변환하는 고체 반도체 장치입니다. 기존의 백열등과 비교했을 때 LED는 여러 가지 분명한 장점이 있습니다. 이러한 장점에는 긴 수명, 넓은 색상 범위, 강력한 내구성, 유연한 디자인, 간단한 제어 및 환경 보호가 포함됩니다. 이러한 장점으로 인해 LED는 미래에 가장 유망한 광원 중 하나로 널리 알려져 있습니다.
빨간색, 녹색, 파란색(RGB) LED를 혼합하여 매우 넓은 색 영역의 백색광을 생성할 수 있습니다. 이러한 특징 때문에 RGB LED는 액정 디스플레이(LCD) 백라이트 시스템에 사용하기에 매우 매력적입니다. 이러한 유형의 백라이트를 사용하면 디스플레이가 더 얇아지고, 작동 수명이 길어지며, 더 높은 디밍 비율을 제공하고, 더 밝고 선명한 색상을 표시할 수 있습니다. 동시에 이러한 디스플레이는 더 환경 친화적입니다.
이러한 장점 때문에 직하형 LED 백라이트 기판과 엣지형 LED 백라이트 기판에 대한 많은 연구 논문이 발표되었습니다. 소니는 세계 최초로 RGB-LED 혼합 백라이트를 사용한 LCD TV를 출시했습니다. 이 제품은 미국 텔레비전 시스템 위원회(NTSC) 표준 색 영역인 105%에 도달하는 매우 넓은 색 재현 범위를 달성했습니다.
하지만 이러한 연구 성과 이면에는 여전히 열 문제가 존재합니다. LED는 작동 중에 열을 발생시킵니다. 이 열은 광 출력 강도를 감소시키고 주 파장의 변화를 초래합니다. 이 두 가지 효과는 디스플레이의 색온도를 변화시키고 NTSC 성능의 변화를 초래합니다. 또한 과도한 열은 디스플레이의 수명을 단축시킵니다. 따라서 이미지 품질과 장기적인 신뢰성을 보장하기 위해서는 백라이트 시스템의 열 관리가 매우 중요합니다.
RGB-LED 백라이트 시스템의 열 성능을 개선하기 위해 두 가지 주요 접근 방식을 고려할 수 있습니다. 첫 번째 접근 방식은 단일 LED의 방열 성능을 개선하는 것입니다. 두 번째 접근 방식은 LED 어레이의 방열 기능을 개선하는 것입니다. RGB-LED 백라이트 시스템 설계자로서 우리는 열 문제를 해결하기 위해 두 번째 접근 방식을 선택했습니다.
LED 어레이 시스템의 열 성능을 개선하기 위해 두 가지 일반적인 방법이 있습니다. 한 가지 방법은 팬을 사용하여 백라이트 시스템 주변의 공기 흐름 속도를 높이는 것입니다. 다른 방법은 LED 접합부에서 주변 환경으로의 열 저항을 줄이는 것입니다. 경제적이고 열전도율이 높은 인쇄 회로 기판에 백라이트 모듈을 설계하는 것이 더 나은 솔루션입니다.
현재 널리 사용되는 기존의 절연 금속 기판(IMS) 기술은 폴리머 또는 에폭시 수지 소재를 절연 층으로 사용합니다. 이 기술은 금속 베이스의 특수 표면 처리가 필요합니다. 또한 절연 층의 최소 두께는 일반적으로 약 75마이크로미터입니다. 이 두께는 IMS 보드의 전반적인 열 저항을 증가시킵니다. 또한 고온 조건에서 기존 IMS 보드는 절연층과 금속 베이스 사이에 박리가 발생할 수 있습니다.
이 논문에서는 마그네트론 스퍼터링 기술을 사용하여 새로운 유형의 절연 금속 기판 PCB를 제작합니다. 알루미늄 베이스 표면에 30~35 마이크로미터 두께의 화학적으로 형성된 절연층을 생성합니다. 그런 다음 마그네트론 스퍼터링을 사용하여 절연층에 설계된 회로를 형성합니다. 이 새로운 절연 금속 기판 PCB는 열 성능이 뛰어나며 고온 조건에서 박리 또는 박리 문제를 없앨 수 있습니다.
테스트 결과, 새로운 절연 알루미늄 기판의 열 저항은 4.78°C/W인 반면, 기존 폴리머 절연 알루미늄 기판의 열 저항은 7.61°C/W로 나타났습니다.
마그네트론 스퍼터링 기술
기본 스퍼터링 공정
스퍼터링은 금속, 세라믹, 플라스틱 등의 재료를 표면에 증착하여 박막을 형성하는 데 사용되는 진공 공정입니다. 기본적인 스퍼터링 공정은 다음과 같이 작동합니다.
전자는 일반적으로 아르곤과 같은 불활성 기체 원자와 충돌하여 이온화합니다. 이러한 고에너지 이온은 전기장에 의해 가속되어 증착할 대상 물질에 충격을 가합니다. 이 강한 충격으로 인해 원자가 대상 물질의 표면에서 방출됩니다. 전기장의 영향을 받아 이 원자들은 최종적으로 기판 표면에 증착되어 원자 박막을 형성합니다. 이 박막의 두께는 스퍼터링 시간에 따라 달라집니다.
기존의 폴리머 절연 금속 기판 PCB는 일반적으로 구리 층, 접착제 층, 폴리머 절연 층, LED 칩, 접착제 및 알루미늄 베이스로 구성됩니다. 이와 달리 마그네트론 스퍼터링은 공정에 추가적인 자기장을 도입합니다.
마그네트론 스퍼터링 공정
전체 마그네트론 스퍼터링 공정은 타겟 영역 근처에 강한 자기장을 적용한다는 점에서 기본 직류 스퍼터링과 다릅니다. 이 자기장은 전자가 기판 쪽으로 끌어당기는 대신 타겟 표면 근처의 자기장 선을 따라 이동하도록 합니다.
마그네트론 스퍼터링은 기본 스퍼터링과 비교하여 세 가지 주요 이점을 제공합니다. 첫째, 플라즈마 영역이 대상 물질 근처에 국한되어 형성되는 박막을 손상시키지 않습니다. 둘째, 전자 경로 길이가 길어져 아르곤 원자가 이온화될 확률이 높아집니다. 결과적으로 더 많은 표적 원자가 방출되고 스퍼터링 효율이 향상됩니다. 셋째, 마그네트론 스퍼터링으로 생성된 박막은 불순물을 적게 함유하고 있어 높은 박막 품질을 보장합니다.
양극산화 절연 알루미늄 기판 PCB 설계
양극 산화 처리된 절연 알루미늄 기판 PCB는 알루미늄 베이스 레이어, 양극 산화 처리된 절연 레이어, 금속화 레이어의 세 가지 레이어로 구성됩니다. 금속화 층 자체는 베이스 필름, 전도성 필름, 납땜 가능한 필름의 세 가지 박막으로 구성됩니다.
알루미늄 베이스 레이어
알루미늄 베이스 레이어는 PCB의 기초를 형성합니다. 알루미늄 소재를 선택할 때는 두 가지 요소를 고려해야 합니다. 첫째, 알루미늄은 충분한 기계적 강도와 우수한 가공성을 가져야 합니다. 둘째, 아노다이징 및 절연 처리에 적합해야 합니다. 특정 조건에서 알루미늄 베이스는 열 방출을 더욱 개선하기 위해 핀 모양의 구조로 가공할 수도 있습니다.
아노다이징 절연 층
양극 산화 처리된 절연 층은 미세 다공성 구조를 생성하는 특수 양극 산화 처리 공정을 통해 형성됩니다. 이 미세 다공성 구조가 층의 전기 절연 성능을 결정합니다. 사용된 처리 기술에 따라 이 층의 유전체 강도는 250V에서 3000V까지 다양합니다.
포토리소그래피 또는 마스킹 기술을 사용하여 이 레이어에 회로 패턴을 형성합니다. 이 설계는 베이스 레이어와 절연 레이어 사이의 완벽한 통합을 가능하게 합니다. 동시에 LED 칩은 이 레이어에 직접 장착됩니다. 그 결과 LED 칩, PCB, 방열판이 하나의 통합된 구조를 형성합니다. 이는 PCB의 전반적인 열 성능을 크게 향상시킵니다.
금속화 레이어
금속화 층은 베이스 필름, 전도성 필름, 납땜 가능한 필름으로 구성됩니다. 이 층은 우수한 전기 전도성을 제공해야 할 뿐만 아니라 금속화 층과 양극 산화 처리된 절연 층 사이의 강력한 접착력을 보장해야 합니다. 마그네트론 스퍼터링 기술을 사용하여 이 층에 회로를 형성합니다.
베이스 필름의 두께는 0.1~0.15마이크로미터입니다. 크롬 또는 티타늄과 같은 금속을 스퍼터링하여 형성됩니다. 베이스 필름의 주요 기능은 금속화 층과 양극 산화 처리된 절연 층 사이에 강력한 접착력을 제공하는 것입니다. 마그네트론 스퍼터링을 사용하면 접착 강도가 1000N/cm²에 달할 수 있어 결합이 매우 안정적입니다. 또한 베이스 필름은 고온 저항성이 뛰어납니다. 320°C 이상의 온도에서 10초 동안 사용해도 블리스터나 박리가 발생하지 않습니다. 따라서 무연 납땜 공정에 완벽하게 적합합니다.
전도성 필름의 두께는 1 마이크로미터에서 2 마이크로미터 사이입니다. 구리, 니켈 또는 구리-니켈 합금을 스퍼터링하여 형성됩니다. 이 필름은 두 가지 주요 용도로 사용됩니다. 한 가지 목적은 특정 전류 밀도를 전달하는 것입니다. 다른 목적은 베이스 필름과 납땜 가능한 필름 사이의 열팽창 계수 차이로 인해 변형이 발생할 때 완충층 역할을 하는 것입니다. 이 버퍼링 효과는 전체 금속화 층의 안정성을 유지하는 데 도움이 됩니다.
납땜 가능한 필름의 두께는 0.3~0.8마이크로미터입니다. 열 전도성, 전기 전도성, 납땜성이 좋은 금이나 은과 같은 금속을 스퍼터링하여 형성됩니다. 이 층의 주요 기능은 LED 칩을 포함한 전자 부품의 납땜을 용이하게 하는 것입니다.
제조 공정 기술
전체 제조 공정은 크게 세 단계로 구분할 수 있는 5단계로 구성됩니다. 이러한 단계에는 알루미늄 베이스의 양극산화, 포토리소그래피 또는 마스킹을 사용한 양극산화 절연층에 회로 패턴 형성, 마그네트론 스퍼터링을 사용한 베이스 필름, 전도성 필름 및 납땜 가능 필름 증착, 마지막으로 스크린 인쇄 및 플럭스와 납땜 마스크 도포가 포함됩니다.
알루미늄 베이스의 아노다이징
먼저 알루미늄 베이스는 표면 탈지 및 세척 과정을 거칩니다. 그런 다음 전해질로 채워진 전해조 안에 넣습니다. 전해질은 산화물 층의 요구되는 특성과 공정 조건에 따라 황산 또는 옥살산일 수 있습니다. 양극 산화 처리 중에는 알루미늄 베이스가 양극 역할을 합니다. 주요 공정 파라미터로는 전해질 농도, 전류 밀도, 전해질 온도 등이 있습니다. 적격 양극산화 절연층을 얻으려면 양극산화 시간을 신중하게 제어해야 합니다.
마그네트론 스퍼터링 증착
필름 증착 전에 포토리소그래피 또는 마스킹 기술을 사용하여 양극 산화 처리된 절연층에 회로 패턴을 만들어야 합니다. 포토리소그래피를 사용하는 경우 양극산화 알루미늄 판을 포토레지스트로 코팅하고 노출 및 현상합니다. 그런 다음 마스크 없이 고정 장치에 장착합니다. 마스킹 기술을 사용하는 경우 양극산화 알루미늄 판을 고정할 때 픽스처 표면에 마스크 판을 장착합니다.
후처리 단계
설계 요구 사항에 따라 코팅된 양극 산화 알루미늄 기판 PCB의 특정 영역에 플럭스 및 솔더 마스크를 적용하여 전자 부품 조립을 준비합니다.
열 저항 계산 방법
열 저항은 열원에서 열 흡수 장치로의 열 흐름에 대한 열 전도성 물질의 저항을 의미합니다. 단위는 °C/W입니다. 열 저항은 온도 차이를 열전달률로 나눈 값으로 정의됩니다.
두 지점 사이의 열 저항은 온도 차이를 해당 지점 사이에 소모되는 전력으로 나눈 값으로 표현할 수 있습니다.
열 저항 측정 방법
LED 열 특성을 측정하는 데는 일반적으로 여러 가지 방법이 사용됩니다. 여기에는 적외선 열화상, 스펙트럼 방법, 광 파워 방법, 납 온도 방법, 전기적 파라미터 방법 등이 포함됩니다. 이 백서에서는 개선된 전기적 파라미터 방법을 제안합니다.
접합부와 주변 환경 사이의 열 저항은 접합부 온도, 주변 온도 및 손실 전력을 사용하여 계산됩니다. 정션 온도 상승은 전류가 충분히 작을 때 순방향 전압의 변화와 선형적으로 관련되어 있습니다. 초기 정션 온도는 주변 온도와 거의 같기 때문에 정션과 주변 온도 차이를 직접 구할 수 있습니다.
관련 방정식을 조합하여 접합부 대 주변 열 저항을 계산할 수 있습니다. 실제로 광 전력은 전력에 비해 매우 작기 때문에 무시할 수 있습니다.
측정 절차에는 고출력 LED를 발열원으로 선택하고, 표준 LED를 테스트 장치로 사용하고, 전기적으로 절연하고, 가열 전후의 전압 변화를 측정하고, 온도 상승을 계산하고, 손실 전력을 측정하고, 마지막으로 열 저항을 계산하는 것이 포함됩니다.
양극산화 절연 알루미늄 기판 PCB의 열 저항 결과
설명된 방법을 사용하여 기존의 폴리머 절연 금속 기판 PCB와 양극 산화 처리된 절연 알루미늄 기판 PCB의 열 저항을 모두 계산할 수 있습니다. 전체 열 저항 외에도 각 개별 층의 열 저항도 측정됩니다.
서로 다른 층의 열 저항은 직렬로 연결됩니다. 총 열 저항은 접합부에서 금속층까지, 금속층에서 기판까지, 기판에서 주변 환경까지의 저항을 합한 값입니다.
그 결과 아노다이징 절연 알루미늄 기판 PCB의 열 저항은 기존 폴리머 절연 금속 기판 PCB보다 59.2% 낮습니다. 이러한 개선은 주로 두 가지 요인에 기인합니다. 첫째, 기존 PCB는 아노다이징 PCB보다 구조 층이 하나 더 있습니다. 둘째, 아노다이징 절연층은 폴리머 절연층보다 훨씬 얇고 열전도율이 훨씬 우수합니다.
결론
열 관리는 RGB-LED 백라이트 시스템 개발에서 매우 중요한 문제입니다. 이 연구에서는 새로운 유형의 양극산화 절연 알루미늄 기판 PCB를 개발하고 열 저항 측정을 위한 개선된 전기 파라미터 방법을 제안합니다.
기존의 폴리머 절연 금속 기판 PCB와 비교할 때 양극 산화 처리된 절연 알루미늄 기판 PCB는 몇 가지 장점이 있습니다. 양극 산화 처리된 절연 층과 알루미늄 베이스 사이에 기계적 간격이 없어 전반적인 기계적 강도가 향상됩니다. 마그네트론 스퍼터링으로 형성된 3 층 금속화 구조는 최소 1000 N / cm²의 강력한 접착력을 제공하여 기계적 안정성을 더욱 향상시킵니다. 또한 층 수를 줄이고 절연 층을 얇게 만들어 전체 열 저항을 59.2%까지 크게 낮췄습니다.
이러한 장점으로 인해 양극산화 절연 알루미늄 기판 PCB는 기존의 폴리머 절연 금속 기판 PCB보다 RGB-LED 백라이트 시스템에 사용하기에 더 적합합니다.
