RGB-LED背光系統(tǒng)的散熱研究

蔡 勇 邵旭敏 沈嘉平 黃 忠 吳明光

(1.杭州億奧光電有限公司，杭州 311100;2.浙江大學(xué)工業(yè)控制技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310027)

1 介紹

發(fā)光二極管 (LED)是一種將電能轉(zhuǎn)換成光固態(tài)的半導(dǎo)體器件。相比傳統(tǒng)的白熾燈，LED具有使用壽命長，色域?qū)?，?jīng)久耐用，設(shè)計(jì)靈活，控制簡單，環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)［1］。因此，LED被認(rèn)為是未來最有潛力的光源。由于紅，綠，藍(lán) (RGB)三色LED可以混合得到非常寬色域的白色光源［2］，使其在液晶顯示器 (LCD)的背光應(yīng)用顯得非常吸引人，因?yàn)檫@意味著人類將擁有更薄，使用壽命更長，調(diào)光比更高，顏色更鮮艷的環(huán)保型液晶顯示器。因此，關(guān)于直下型LED背光板和導(dǎo)光型LED背光板的研究文章發(fā)表了很多［3］。世界上第一臺采用 RGB-LED混合背光的液晶電視也在索尼公司問世，該產(chǎn)品提供了一個非常廣的色彩再現(xiàn)范圍，是美國國家電視系統(tǒng)委員會 (NTSC)標(biāo)準(zhǔn)色域覆蓋面的105%［4］。然而，在這些研究成果背后散熱問題依然存在，LED發(fā)光過程中產(chǎn)生的熱量會導(dǎo)致LED的輸出光強(qiáng)度減小，并使其主波長漂移。這兩個因素會使顯示器的色溫變化，導(dǎo)致不同的NTSC結(jié)果。再者，熱量也會縮短顯示器的壽命。因此，為了保證圖像質(zhì)量和顯示器的可靠性，背光系統(tǒng)的散熱研究是至關(guān)重要的。

為了提高RGB-LED背光系統(tǒng)的散熱性能，兩個方面可以考慮:(1)提高單顆LED的散熱性能。(2)提高LED陣列的散熱性能［5］。作為一個 RGBLED背光系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員，我們選擇第二種方案來解決散熱問題。為了改善LED陣列系統(tǒng)的散熱性能，同樣有兩種散熱方法:(1)使用風(fēng)扇來增加背光系統(tǒng)周圍空氣的流速。 (2)減少從結(jié)點(diǎn)到環(huán)境的熱阻［6］。把背光模塊設(shè)計(jì)在經(jīng)濟(jì)的，散熱性能杰出的導(dǎo)熱基板印刷電路板上是更好的方案［7］。目前被廣泛應(yīng)用的常規(guī)聚合物絕緣金屬基板 (IMS)技術(shù)使用聚合物或環(huán)氧樹脂材料作為絕緣層，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，這種技術(shù)需要對金屬基底表面進(jìn)行特殊處理，而絕緣層的最小厚度大約是75微米，這將增加整個絕緣金屬基板的熱阻。此外，傳統(tǒng)的IMS技術(shù)在高溫下會產(chǎn)生絕緣層和金屬基底分層現(xiàn)象。

在本文中，我們用磁控濺射技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一種新型絕緣金屬基板的PCB。我們在鋁基表面用化學(xué)方法生成一層厚度為30至35微米的絕緣層，用磁控濺射技術(shù)在絕緣層上形成所設(shè)計(jì)的電路。這種絕緣金屬基板PCB散熱性能優(yōu)越，還能消除高溫下的分層或剝離。經(jīng)過測試，新型絕緣鋁基板和傳統(tǒng)的聚合物絕緣鋁基板的熱阻分別是4.78℃/W和7.61℃/W。

2 磁控濺射技術(shù)

2.1 基本濺射過程

濺射是一種將金屬，陶瓷和塑料等材料沉積到一個表面，從而形成一層薄膜的真空工藝過程?；緸R射工藝如下:電子撞擊惰性氣體原子 (通常氬)，使其成為離子。這些高能離子在電場的作用下轟擊欲沉積的目標(biāo)材料。強(qiáng)烈的轟擊使目標(biāo)原子逃出材料表面，在電場的作用下最終在基板的表面形成一層原子層薄膜，該原子層薄膜的厚度取決于濺射時間。

圖1 常規(guī)聚合物絕緣金屬基板PCB的結(jié)構(gòu)

圖2 磁控濺射過程示意圖

2.2 磁控濺射過程

圖2是磁控濺射全過程，和基本濺射過程相比，兩者的主要區(qū)別在于磁控濺射過程比基本直流濺射過程在目標(biāo)區(qū)域多一個強(qiáng)大的磁場，這個磁場使得電子沿著磁場線在目標(biāo)區(qū)域運(yùn)動，而不會被基底吸引過去。因此，相比于基本濺射過程，磁控濺射過程有三個優(yōu)點(diǎn):(1)等離子區(qū)僅限于目標(biāo)材料附近，不會損害正在形成薄膜。(2)電子運(yùn)動的距離變得更長，增加了電子電離氬原子的概率，這意味著更多的目標(biāo)原子將被轟擊出來，從而提高了濺射工藝的效率。(3)磁控濺射產(chǎn)生的薄膜雜質(zhì)含量最小，保證了膜的質(zhì)量。

3 陽極氧化絕緣鋁基線路板設(shè)計(jì)

如圖3所示，陽極氧化絕緣鋁基線路板由3層組成:鋁基層，陽極氧化絕緣層和金屬化層，其中金屬化層由3層膜組成，分別是基底膜，導(dǎo)電膜和焊接膜。

圖3 陽極氧化絕緣鋁基線路板的結(jié)構(gòu)

3.1 鋁基層

鋁基層是這個線路板的基礎(chǔ)，在選材上要綜合考慮兩方面的因素:(1)選擇的鋁材需要有一定的機(jī)械強(qiáng)度和加工性能;(2)適合氧化和絕緣處理。在一定條件下，鋁基層可以加工成翅片形狀。

3.2 陽極氧化絕緣層

陽極氧化絕緣層，通過特殊的陽極氧化處理形成微孔結(jié)構(gòu)，這些微孔結(jié)構(gòu)決定其電氣絕緣性能。根據(jù)不同的加工技術(shù)，其抗電強(qiáng)度達(dá)到250V到3000V。通過光刻掩膜技術(shù)將線路圖畫在這一層上。這種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了無縫拼接基底層和絕緣層。與此同時，LED芯片將直接連接到該層上，這使得芯片、印刷電路板和散熱器形成一個統(tǒng)一的整體，顯著提高了線路板的散熱性能。

3.3 金屬化層

金屬化層由基底膜，導(dǎo)電膜和焊接膜組成。金屬化層不僅要滿足導(dǎo)電功能還要保證金屬化層和陽極氧化絕緣層之間足夠的結(jié)合力。電路將通過磁控濺射技術(shù)在該層上形成，如圖4所示。

1)基底膜

基底膜的厚度在0.1到0.15 μm之間，通過使用磁控濺射技術(shù)沉淀鉻或鈦金屬形成該膜?；啄さ淖饔弥饕翘峁┙饘倩瘜雍完枠O氧化絕緣層之間足夠的結(jié)合力。使用磁控濺射技術(shù)，這種結(jié)合力可以達(dá)到1000N/cm2，使得兩層之間的連接更加牢固穩(wěn)定。此外，基底膜還有很好的高溫?zé)嶙鑼傩?，?dāng)溫度高于320℃/10s時能保證不存在泡沫和剝落現(xiàn)象。因此，完全適用于無鉛焊接技術(shù)。

2)導(dǎo)電膜

導(dǎo)電膜的厚度在1到2μm之間，通過使用磁控濺射技術(shù)沉淀銅，鎳或銅鎳合金形成該膜。導(dǎo)電膜的主要功能主要包括兩個方面，一個方面是承載一定的電流密度，另一方面是當(dāng)基底膜和焊接膜因?yàn)椴煌呐蛎浵禂?shù)發(fā)生形變時，通過導(dǎo)電膜的緩沖作用來保證整個金屬化層的穩(wěn)定性。

3)焊接膜

焊接膜的厚度在0.3到0.8μm之間，通過使用磁控濺射技術(shù)沉淀類似于金、銀這樣具有良好導(dǎo)熱導(dǎo)電性能及焊接性能的金屬形成該膜。焊接膜的主要功能就是方便在上面焊接包括LED在內(nèi)的電子元器件。

圖4 金屬化層的結(jié)構(gòu)

4 制造工藝技術(shù)

如圖5所示，整個工藝過程涉及5個步驟，我們將其簡化為3個部分。

4.1 鋁基的陽極氧化處理

鋁基首先要進(jìn)行襯底表面脫脂和消毒處理，然后放進(jìn)充滿電解質(zhì)的電解槽中。電解質(zhì)可以是硫酸或者草酸，電解質(zhì)由氧化層的性能要求和工藝條件決定。在氧化處理的過程中，鋁基表面作為陽極。工藝條件包括電解液濃度，電流強(qiáng)度和電解溫度，為了得到合格的陽極氧化絕緣層，電解時間應(yīng)該被控制好。

4.2 磁控濺射技術(shù)鍍膜

在開始鍍膜之前，我們首先需要在陽極氧化絕緣層上用光刻或者掩膜技術(shù)畫出電路圖。如采用光刻工藝制作電路圖形時，要在氧化處理好的鋁板上涂布感光、曝光、顯影等處理，在將鋁板裝夾到?jīng)]有掩膜的夾具上。如采用掩膜工藝制作電路圖形時，只是在裝夾氧化處理好的鋁板時在夾具的面上裝掩膜板即可。

4.3 后道工序

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對鍍好膜的鋁基絕緣氧化印刷電路板在相應(yīng)的位置涂助焊劑和阻焊劑，以便安裝電子元器件。

圖5 陽極氧化絕緣鋁基線路板的制造工藝流程圖

5 熱阻計(jì)算方法

熱阻，即導(dǎo)熱物質(zhì)阻止熱量從熱源傳導(dǎo)到吸熱設(shè)備的一種阻抗，其單位為℃/W，如圖6所示。

圖6 熱阻即導(dǎo)熱物質(zhì)阻止熱量從熱源傳導(dǎo)到吸熱設(shè)備的一種阻抗

熱阻的定義如下:

其中，Rθ為兩點(diǎn)之間的熱阻，ΔT為這兩點(diǎn)間的溫度差，P為熱量在這兩點(diǎn)間的傳播速率。

5.1 熱阻計(jì)算方法

測量LED熱特性的主要方法有紅外熱成像法、光譜法、光功率法、引腳溫度法和電氣參數(shù)法。本文提出了一個改進(jìn)的電氣參數(shù)法。我們看一個結(jié)點(diǎn)與環(huán)境之間的熱阻測量的例子，參照圖7。

圖7 結(jié)點(diǎn)與環(huán)境之間的熱阻的計(jì)算方法示意圖

結(jié)點(diǎn)與環(huán)境之間的熱阻有如下表達(dá):

其中，Rθj－a為結(jié)點(diǎn)與環(huán)境之間的熱阻，Tj為結(jié)點(diǎn)的溫度，Ta為環(huán)境溫度，P為在熱平衡狀態(tài)下 LED的散熱功率，有如下表達(dá)式:

其中，PEL為電功率，POPT為光功率。如果電流足夠小，結(jié)點(diǎn)溫度變化量ΔTj與正向電壓變化量ΔVf呈良好的線性關(guān)系，因此，結(jié)點(diǎn)溫度可以做如下表達(dá):

其中，K為溫度靈敏度系數(shù)。此外，最初的結(jié)點(diǎn)的溫度Tj0幾乎和環(huán)境溫度Ta相同，所以，結(jié)點(diǎn)與環(huán)境之間的溫度差可用以下關(guān)系描述:

通過整合公式 (2)、(3)和 (5)，我們最終可以得到如下公式:

5.2 結(jié)點(diǎn)到環(huán)境的熱阻測量步驟

從公式 (6)可以看出，為了確定材料熱阻Rθj－a，必須確定結(jié)點(diǎn)上升的溫度、進(jìn)入測試LED電功率和光功率。通過測量測試LED的正向電壓的變化量，結(jié)點(diǎn)上升的溫度可以很容易的確定，如公式(4)所示。通過將測試LED的正向電壓和正向電流相乘，其電功率可以輕松計(jì)算而得。但其光功率卻不好確定，因?yàn)檩^電功率而言光功率實(shí)在太小了，因此我們忽略它的影響。

結(jié)點(diǎn)到環(huán)境的熱阻測量步驟如下所述，其測量設(shè)備的示意圖如圖8所示。

1)選擇一個大功率LED為加熱LED并且選擇一個常規(guī)的LED作為測試LED。

2)根據(jù)公式 (4)所示，測量并計(jì)算測試LED的溫度靈敏度系數(shù)K，或在某些技術(shù)文件中查找。

3)電隔離兩個LED。

4)用細(xì)長導(dǎo)線將加熱LED正極一端與測試LED正極一端相焊接，并將他們公共的陰極相連。由于它們將用于承載加熱電流與測量測試LED的ΔVf，所以導(dǎo)線需要足夠長以用于外部的擴(kuò)展。

5)在測試電流If很小的情況下，測量測試LED的初始Vf0。只有測試電流非常小時，才會產(chǎn)生很少量的熱量。

6)給加熱LED加上設(shè)計(jì)之后的電壓。由于要使設(shè)備熱穩(wěn)定，所以至少保持這種狀態(tài)30分鐘。

7)在加熱電流下，測量測試LED的Vf。

8)關(guān)閉加熱LED，并立即再設(shè)計(jì)電流下，再次測量測試LED的Vf1。

9)將 ΔVf(Vf1－Vf0)與 K相乘以計(jì)算測試LED 的 ΔTj。

10)將Vf與If相乘以計(jì)算散熱功率，這里我們假設(shè)散熱功率等于它的電功率。

11)利用公式 (6)計(jì)算結(jié)點(diǎn)與環(huán)境之間的熱阻。

圖8 結(jié)點(diǎn)與環(huán)境之間熱阻的測量設(shè)備示意圖

6 陽極氧化絕緣鋁基線路板的熱阻

常規(guī)聚合物絕緣金屬基線路板和陽極氧化絕緣鋁基線路板的熱阻可以通過上述方法計(jì)算得到。

使用上述方法我們很容易能計(jì)算得到兩種金屬基線路板的熱阻，本文并不滿足于單一的整體熱阻，同時也測量計(jì)算了線路板各個部分的熱阻。

線路板各部分的熱阻呈串聯(lián)模式，例如基板到環(huán)境的熱阻就是基板到熱沉的熱阻與熱沉到環(huán)境的熱阻之和。

圖9是常規(guī)聚合物絕緣金屬基線路板的測量設(shè)備，圖10是陽極氧化絕緣鋁基線路板的測量設(shè)備。

圖9 常規(guī)聚合物絕緣金屬基線路板的測量設(shè)備

圖10 陽極氧化絕緣鋁基線路板的測量設(shè)備

常規(guī)聚合物絕緣金屬基線路板和陽極氧化絕緣鋁基線路板的熱阻值如圖11和圖12所示。

圖11 常規(guī)聚合物絕緣金屬基線路板的熱阻

從上述的計(jì)算結(jié)果我們可以發(fā)現(xiàn)，陽極氧化絕緣鋁基線路板的熱阻要比常規(guī)聚合物絕緣金屬基線路板的熱阻低59.2%。

從上述示意圖中我們也能發(fā)現(xiàn)，有兩個因素導(dǎo)致了陽極氧化絕緣鋁基線路板的熱阻要比常規(guī)聚合物絕緣金屬基線路板的熱阻低:

圖12 陽極氧化絕緣鋁基線路板的熱阻

1)常規(guī)聚合物絕緣金屬基線路板在結(jié)構(gòu)上比陽極氧化絕緣鋁基線路板多一層。

2)陽極氧化絕緣鋁基線路板上的陽極氧化絕緣層要比常規(guī)聚合物絕緣金屬基線路板上的聚合物絕緣層薄很多，而且其導(dǎo)熱性能也優(yōu)良得多。

7 結(jié)論

在RGB-LED背光系統(tǒng)的開發(fā)過程當(dāng)中，散熱是個非常重要的課題，本文實(shí)現(xiàn)了一種新型的鋁基絕緣線路板并提出了一種改進(jìn)的電氣參數(shù)熱阻測量方法。相對于常規(guī)聚合物絕緣金屬基線路板，陽極氧化絕緣鋁基線路板具有如下優(yōu)勢:

1)在線路板的陽極氧化絕緣層和鋁基層之間沒有機(jī)械連接縫隙，提高了線路板整體的機(jī)械性能。

2)在金屬化層的三層膜使用磁控濺射技術(shù)生成，能提供至少1000N/cm2的結(jié)合力，這一點(diǎn)同樣提高了線路板整體的機(jī)械性能。

3)新型的線路板減少了常規(guī)線路板的層數(shù)，減小了絕緣層的厚度，使其整板的熱阻比常規(guī)線路板降低了59.2%。

因此，對比與常規(guī)聚合物絕緣金屬基線路板，陽極氧化絕緣鋁基線路板更加適合使用在RGB-LED背光系統(tǒng)當(dāng)中。

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