Giới thiệu
Đi-ốt phát quang (Đèn LEDLED là một thiết bị bán dẫn trạng thái rắn chuyển đổi năng lượng điện thành ánh sáng. So với đèn sợi đốt truyền thống, LED có nhiều ưu điểm rõ rệt. Những ưu điểm này bao gồm tuổi thọ cao, dải màu rộng, độ bền cao, thiết kế linh hoạt, điều khiển đơn giản và thân thiện với môi trường. Nhờ những lợi ích này, LED được coi là một trong những nguồn sáng tiềm năng nhất cho tương lai.
Đèn LED đỏ, xanh lá cây và xanh dương (RGB) có thể được kết hợp để tạo ra ánh sáng trắng với dải màu rất rộng. Nhờ đặc điểm này, đèn LED RGB rất hấp dẫn để sử dụng trong hệ thống đèn nền của màn hình tinh thể lỏng (LCD). Loại đèn nền này cho phép màn hình trở nên mỏng hơn, có tuổi thọ hoạt động dài hơn, cung cấp tỷ lệ điều chỉnh độ sáng cao hơn và hiển thị màu sắc sáng hơn, rực rỡ hơn. Đồng thời, các màn hình này cũng thân thiện hơn với môi trường.
Do những ưu điểm này, nhiều bài báo nghiên cứu đã được công bố về các bảng đèn nền LED chiếu sáng trực tiếp và bảng đèn nền LED chiếu sáng cạnh. Chiếc tivi LCD đầu tiên trên thế giới sử dụng đèn nền LED RGB hỗn hợp đã được Sony ra mắt. Sản phẩm này đạt được dải màu tái tạo rất rộng, đạt 105% của tiêu chuẩn dải màu NTSC (National Television System Committee).
Tuy nhiên, đằng sau những thành tựu nghiên cứu này, các vấn đề về nhiệt độ vẫn còn tồn tại. Trong quá trình hoạt động, đèn LED tạo ra nhiệt. Nhiệt độ này gây giảm cường độ ánh sáng và cũng dẫn đến sự thay đổi bước sóng chủ đạo. Hai tác động này làm thay đổi nhiệt độ màu của màn hình và gây ra sự biến đổi trong hiệu suất NTSC. Ngoài ra, nhiệt độ quá cao làm giảm tuổi thọ của màn hình. Do đó, để đảm bảo chất lượng hình ảnh và độ tin cậy lâu dài, quản lý nhiệt độ của hệ thống đèn nền là vô cùng quan trọng.
Để cải thiện hiệu suất nhiệt của hệ thống đèn nền RGB-LED, có hai phương pháp chính có thể được xem xét. Phương pháp đầu tiên là cải thiện khả năng tản nhiệt của một LED đơn lẻ. Phương pháp thứ hai là cải thiện khả năng tản nhiệt của mảng LED. Với tư cách là nhà thiết kế của hệ thống đèn nền RGB-LED, chúng tôi đã chọn phương pháp thứ hai để giải quyết vấn đề nhiệt.
Để cải thiện hiệu suất nhiệt của hệ thống mảng LED, có hai phương pháp phổ biến. Một phương pháp là sử dụng quạt để tăng tốc độ lưu thông không khí xung quanh hệ thống đèn nền. Phương pháp còn lại là giảm điện trở nhiệt từ điểm nối LED đến môi trường xung quanh. Thiết kế mô-đun đèn nền trên bảng mạch in có độ dẫn nhiệt cao và chi phí hợp lý là giải pháp tối ưu hơn.
Hiện nay, công nghệ tấm nền kim loại cách điện (IMS) truyền thống được sử dụng rộng rãi sử dụng vật liệu polymer hoặc nhựa epoxy làm lớp cách điện. Công nghệ này yêu cầu xử lý bề mặt đặc biệt cho lớp nền kim loại. Ngoài ra, độ dày tối thiểu của lớp cách điện thường khoảng 75 micromet. Độ dày này làm tăng điện trở nhiệt tổng thể của tấm IMS. Hơn nữa, trong điều kiện nhiệt độ cao, các bảng IMS truyền thống có thể gặp hiện tượng bong tróc giữa lớp cách điện và nền kim loại.
Trong bài báo này, chúng tôi sử dụng công nghệ phún xạ magnetron để chế tạo một loại bảng mạch in (PCB) có lớp cách điện kim loại mới. Một lớp cách điện được hình thành bằng phương pháp hóa học với độ dày từ 30 đến 35 micromet được tạo ra trên bề mặt của lớp nền nhôm. Sau đó, mạch điện được thiết kế được hình thành trên lớp cách điện bằng công nghệ phún xạ magnetron. Loại PCB nền kim loại cách điện mới này có hiệu suất nhiệt xuất sắc và cũng có thể loại bỏ các vấn đề bong tróc hoặc bong vảy dưới điều kiện nhiệt độ cao.
Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ số dẫn nhiệt của tấm nền nhôm cách nhiệt mới là 4,78°C/W, trong khi hệ số dẫn nhiệt của tấm nền nhôm cách nhiệt bằng polymer truyền thống là 7,61°C/W.
Công nghệ phún xạ magnetron
Quy trình phún xạ cơ bản
Phương pháp phún xạ là một quy trình chân không được sử dụng để lắng đọng các vật liệu như kim loại, gốm sứ và nhựa lên bề mặt để tạo thành một lớp màng mỏng. Quy trình phún xạ cơ bản hoạt động như sau.
Electrons va chạm với các nguyên tử khí trơ, thường là argon, và ion hóa chúng. Các ion năng lượng cao này được gia tốc bởi một trường điện và bắn phá vật liệu mục tiêu cần được lắng đọng. Do sự bắn phá mạnh mẽ này, các nguyên tử bị tống ra khỏi bề mặt của vật liệu mục tiêu. Dưới tác động của trường điện, các nguyên tử này cuối cùng lắng đọng trên bề mặt của chất nền và hình thành một lớp màng nguyên tử mỏng. Độ dày của lớp màng mỏng này phụ thuộc vào thời gian bắn phá.
Một bảng mạch in (PCB) truyền thống có lớp cách điện bằng polymer và lớp nền kim loại thường bao gồm các thành phần sau: lớp đồng, lớp keo dán, lớp cách điện bằng polymer, chip LED, keo dán và lớp nền nhôm. Ngược lại, quá trình phún xạ magnetron đưa thêm một trường từ vào quy trình.
Quy trình phún xạ bằng magnetron
Quy trình phún xạ magnetron hoàn chỉnh khác biệt so với quy trình phún xạ dòng điện một chiều cơ bản chủ yếu do một trường từ mạnh được áp dụng gần khu vực mục tiêu. Trường từ này buộc các electron di chuyển dọc theo các đường sức từ gần bề mặt mục tiêu thay vì bị hút về phía substrat.
So với phương pháp phún xạ cơ bản, phún xạ magnetron có ba ưu điểm chính. Thứ nhất, vùng plasma được giới hạn gần vật liệu mục tiêu và không gây hư hỏng cho màng mỏng đang hình thành. Thứ hai, chiều dài đường đi của electron trở nên dài hơn, từ đó tăng khả năng ion hóa các nguyên tử argon. Kết quả là có nhiều nguyên tử vật liệu mục tiêu được bắn ra hơn, và hiệu suất phún xạ được cải thiện. Thứ ba, các lớp màng mỏng được sản xuất bằng phương pháp phún xạ magnetron chứa ít tạp chất hơn, đảm bảo chất lượng màng cao.
Thiết kế bảng mạch in (PCB) có lớp nền nhôm cách điện được anot hóa
Bo mạch in (PCB) có lớp nền nhôm cách điện được anot hóa bao gồm ba lớp: lớp nền nhôm, lớp cách điện được anot hóa và lớp kim loại hóa. Lớp kim loại hóa chính nó bao gồm ba lớp màng mỏng, đó là lớp màng nền, lớp màng dẫn điện và lớp màng hàn.
Lớp nền nhôm
Lớp nền nhôm tạo nên nền tảng của bảng mạch in (PCB). Khi lựa chọn vật liệu nhôm, có hai yếu tố cần được xem xét. Thứ nhất, nhôm phải có độ bền cơ học đủ cao và khả năng gia công tốt. Thứ hai, nó phải phù hợp cho quá trình anot hóa và xử lý cách điện. Trong một số điều kiện nhất định, lớp nền nhôm cũng có thể được gia công thành cấu trúc dạng cánh tản nhiệt để cải thiện khả năng tản nhiệt.
Lớp cách điện được anot hóa
Lớp cách điện được anot hóa được hình thành thông qua quá trình anot hóa đặc biệt tạo ra cấu trúc vi xốp. Cấu trúc vi xốp này quyết định hiệu suất cách điện của lớp. Tùy thuộc vào công nghệ gia công được sử dụng, độ bền điện môi của lớp này có thể dao động từ 250 V đến 3000 V.
Sử dụng công nghệ photolithography hoặc công nghệ che phủ, mẫu mạch được hình thành trên lớp này. Thiết kế này cho phép tích hợp liền mạch giữa lớp nền và lớp cách điện. Đồng thời, các chip LED được gắn trực tiếp lên lớp này. Kết quả là, chip LED, PCB và bộ tản nhiệt tạo thành một cấu trúc tích hợp duy nhất. Điều này cải thiện đáng kể hiệu suất nhiệt tổng thể của PCB.
Lớp mạ kim loại
Lớp kim loại hóa bao gồm một lớp nền, một lớp dẫn điện và một lớp hàn. Lớp này không chỉ phải đảm bảo độ dẫn điện tốt mà còn phải đảm bảo độ bám dính mạnh giữa lớp kim loại hóa và lớp cách điện anodized. Mạch được hình thành trên lớp này bằng công nghệ phún xạ magnetron.
Lớp phim nền có độ dày nằm trong khoảng từ 0,1 đến 0,15 micromet. Lớp phim này được hình thành bằng cách phún xạ các kim loại như crôm hoặc titan. Chức năng chính của lớp phim nền là cung cấp độ bám dính mạnh mẽ giữa lớp kim loại hóa và lớp cách điện anodized. Với công nghệ phún xạ magnetron, độ bám dính có thể đạt 1000 N/cm², giúp liên kết trở nên rất ổn định. Ngoài ra, lớp màng nền có khả năng chịu nhiệt độ cao xuất sắc. Ngay cả ở nhiệt độ trên 320°C trong 10 giây, không xảy ra hiện tượng phồng rộp hoặc bong tróc. Do đó, nó hoàn toàn phù hợp cho các quy trình hàn không chì.
Lớp phim dẫn điện có độ dày nằm trong khoảng từ 1 đến 2 micromet. Lớp phim này được hình thành bằng cách phún xạ đồng, niken hoặc hợp kim đồng-niken. Lớp phim này có hai chức năng chính. Chức năng đầu tiên là dẫn truyền mật độ dòng điện nhất định. Chức năng thứ hai là hoạt động như một lớp đệm khi xảy ra biến dạng do sự khác biệt về hệ số giãn nở nhiệt giữa lớp phim nền và lớp phim hàn. Tác dụng đệm này giúp duy trì sự ổn định của toàn bộ lớp kim loại hóa.
Lớp màng hàn có độ dày nằm trong khoảng từ 0,3 đến 0,8 micromet. Lớp này được tạo thành bằng cách phún xạ các kim loại như vàng hoặc bạc, có độ dẫn nhiệt, độ dẫn điện và khả năng hàn tốt. Chức năng chính của lớp này là giúp hàn các linh kiện điện tử, bao gồm cả chip LED.
Công nghệ quy trình sản xuất
Quy trình sản xuất hoàn chỉnh bao gồm năm bước, có thể chia thành ba giai đoạn chính. Các giai đoạn này bao gồm quá trình anot hóa lớp nền nhôm, tạo hình mạch điện trên lớp cách điện đã được anot hóa bằng công nghệ photolithography hoặc che phủ, lắng đọng lớp nền, lớp dẫn điện và lớp hàn bằng phương pháp phún xạ magnetron, và cuối cùng là in lưới và áp dụng chất trợ hàn và lớp phủ hàn.
Quá trình anot hóa bề mặt nhôm
Đầu tiên, bề mặt của tấm nhôm được tẩy dầu mỡ và làm sạch. Sau đó, nó được đặt vào bể điện phân chứa dung dịch điện phân. Dung dịch điện phân có thể là axit sunfuric hoặc axit oxalic, tùy thuộc vào các tính chất yêu cầu của lớp oxit và điều kiện quá trình. Trong quá trình anot hóa, tấm nhôm làm cực dương. Các thông số quá trình quan trọng bao gồm nồng độ dung dịch điện phân, mật độ dòng điện và nhiệt độ dung dịch điện phân. Để thu được lớp cách điện anot hóa đạt tiêu chuẩn, thời gian anot hóa phải được kiểm soát cẩn thận.
Phương pháp lắng đọng bằng phún xạ magnetron
Trước khi phủ phim, mẫu mạch phải được tạo ra trên lớp cách điện anodized bằng công nghệ photolithography hoặc công nghệ che chắn. Khi sử dụng photolithography, tấm nhôm anodized được phủ lớp photoresist, phơi sáng và phát triển. Sau đó, nó được lắp vào giá đỡ mà không cần tấm che. Khi sử dụng công nghệ che chắn, tấm che được lắp lên bề mặt giá đỡ khi kẹp tấm nhôm anodized.
Các bước xử lý sau
Theo yêu cầu thiết kế, chất hàn và lớp phủ chống hàn được áp dụng lên các vùng cụ thể của bảng mạch in (PCB) làm từ nhôm anodized phủ lớp, nhằm chuẩn bị cho việc lắp ráp các linh kiện điện tử.
Phương pháp tính toán điện trở nhiệt
Điện trở nhiệt là khả năng chống lại dòng nhiệt từ nguồn nhiệt đến thiết bị hấp thụ nhiệt của một vật liệu dẫn nhiệt. Đơn vị của nó là °C/W. Điện trở nhiệt được định nghĩa là tỷ lệ giữa chênh lệch nhiệt độ và tốc độ truyền nhiệt.
Điện trở nhiệt giữa hai điểm có thể được biểu diễn bằng cách chia chênh lệch nhiệt độ cho công suất tiêu tán giữa hai điểm đó.
Phương pháp đo điện trở nhiệt
Có một số phương pháp thường được sử dụng để đo đặc tính nhiệt của LED. Các phương pháp này bao gồm hình ảnh nhiệt hồng ngoại, phương pháp phổ, phương pháp công suất quang học, phương pháp nhiệt độ đầu nối và phương pháp thông số điện. Trong bài báo này, một phương pháp thông số điện được cải tiến được đề xuất.
Điện trở nhiệt giữa điểm nối và môi trường xung quanh được tính toán dựa trên nhiệt độ điểm nối, nhiệt độ môi trường và công suất tiêu tán. Sự tăng nhiệt độ điểm nối có mối quan hệ tuyến tính với sự thay đổi điện áp thuận khi dòng điện đủ nhỏ. Vì nhiệt độ ban đầu của điểm nối gần bằng nhiệt độ môi trường, sự chênh lệch nhiệt độ giữa điểm nối và môi trường có thể được xác định trực tiếp.
Bằng cách kết hợp các phương trình liên quan, có thể tính toán được điện trở nhiệt từ điểm nối đến môi trường xung quanh. Trên thực tế, công suất quang học rất nhỏ so với công suất điện, do đó có thể bỏ qua.
Quy trình đo lường bao gồm việc lựa chọn một đèn LED công suất cao làm nguồn nhiệt, sử dụng một đèn LED tiêu chuẩn làm thiết bị thử nghiệm, cách ly điện giữa chúng, đo sự thay đổi điện áp trước và sau khi gia nhiệt, tính toán sự tăng nhiệt độ, xác định công suất tiêu tán, và cuối cùng tính toán điện trở nhiệt.
Kết quả kháng nhiệt của bảng mạch in (PCB) có lớp nền nhôm cách điện được anot hóa
Sử dụng phương pháp được mô tả, có thể tính toán điện trở nhiệt của cả mạch in PCB có lớp cách điện bằng polymer truyền thống và mạch in PCB có lớp cách điện bằng nhôm anodized. Ngoài điện trở nhiệt tổng thể, điện trở nhiệt của từng lớp riêng lẻ cũng được đo lường.
Điện trở nhiệt của các lớp khác nhau được kết nối theo chuỗi. Điện trở nhiệt tổng là tổng của các điện trở từ điểm nối đến lớp kim loại, từ lớp kim loại đến lớp nền, và từ lớp nền đến môi trường xung quanh.
Kết quả cho thấy độ dẫn nhiệt của bảng mạch in (PCB) có lớp cách điện nhôm anodized thấp hơn 59,2% so với PCB có lớp cách điện polymer truyền thống. Sự cải thiện này chủ yếu do hai yếu tố. Thứ nhất, PCB truyền thống có thêm một lớp cấu trúc so với PCB anodized. Thứ hai, lớp cách điện anodized mỏng hơn nhiều và có độ dẫn nhiệt tốt hơn nhiều so với lớp cách điện polymer.
Kết luận
Quản lý nhiệt là một vấn đề quan trọng trong quá trình phát triển hệ thống đèn nền RGB-LED. Trong nghiên cứu này, một loại bảng mạch in (PCB) bằng nhôm cách điện được anod hóa mới đã được phát triển, và một phương pháp cải tiến để đo điện trở nhiệt được đề xuất.
So với các bảng mạch in (PCB) có lớp cách điện bằng polymer truyền thống, PCB có lớp cách điện bằng nhôm anodized có nhiều ưu điểm. Không có khe hở cơ học giữa lớp cách điện anodized và nền nhôm, điều này cải thiện độ bền cơ học tổng thể. Cấu trúc kim loại ba lớp được hình thành bằng phương pháp phún xạ magnetron cung cấp độ bám dính mạnh mẽ ít nhất 1000 N/cm², từ đó nâng cao độ ổn định cơ học. Ngoài ra, số lượng lớp giảm và lớp cách điện mỏng hơn đáng kể làm giảm điện trở nhiệt tổng thể xuống 59,2%.
Do những ưu điểm này, bảng mạch in (PCB) có lớp nền nhôm cách điện được anot hóa phù hợp hơn để sử dụng trong hệ thống đèn nền LED RGB so với bảng mạch in có lớp nền kim loại cách điện bằng polymer truyền thống.
