RGB-LED背光系統(tǒng)的散熱研究

　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(zhǎng)，色域?qū)挘?jīng)久耐用，設(shè)計(jì)靈活，控制簡(jiǎn)單，環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。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，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(zhǎng)，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。世界上第一臺(tái)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(gè)非常廣的色彩再現(xiàn)范圍，是美國(guó)國(guó)家電視系統(tǒng)委員會(huì)(NTSC) 標(biāo)準(zhǔn)色域覆蓋面的105% 。

　　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(huì)導(dǎo)致LED 的輸出光強(qiáng)度減小，并使其主波長(zhǎng)漂移。這兩個(gè)因素會(huì)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(huì)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(gè)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。作為一個(gè)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?gòu)慕Y(jié)點(diǎn)到環(huán)境的熱阻。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(duì)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(gè)絕緣金屬基板的熱阻。此外，傳統(tǒng)的IMS 技術(shù)在高溫下會(huì)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?cè)阡X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(cè)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(gè)表面，從而形成一層薄膜的真空工藝過程。基本濺射工藝如下: 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(chǎng)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(chǎng)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(shí)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(gè)強(qiáng)大的磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)使得電子沿著磁場(chǎng)線在目標(biāo)區(qū)域運(yùn)動(dòng)，而不會(huì)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(gè)優(yōu)點(diǎn): (1) 等離子區(qū)僅限于目標(biāo)材料附近，不會(huì)損害正在形成薄膜。(2) 電子運(yùn)動(dòng)的距離變得更長(zhǎng)，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(yáng)極氧化絕緣鋁基線路板設(shè)計(jì)

　　如圖3 所示，陽(yáng)極氧化絕緣鋁基線路板由3 層組成: 鋁基層，陽(yáng)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(yáng)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(gè)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(yáng)極氧化絕緣層

　　陽(yáng)極氧化絕緣層，通過特殊的陽(yáng)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(shí)，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(gè)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(yáng)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?yáng)極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(shí)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(gè)方面，一個(gè)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(shí)，通過導(dǎo)電膜的緩沖作用來保證整個(gè)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)

1—焊接膜2—導(dǎo)電膜3—基底膜

　　4 制造工藝技術(shù)

　　如圖5 所示，整個(gè)工藝過程涉及5 個(gè)步驟，我們將其簡(jiǎn)化為3 個(gè)部分。

圖5 陽(yáng)極氧化絕緣鋁基線路板的制造工藝流程圖

　　4. 1 鋁基的陽(yáng)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(yáng)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(yáng)極氧化絕緣層，電解時(shí)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(yáng)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(shí)，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(shí)，只是在裝夾氧化處理好的鋁板時(shí)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(duì)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。

　　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(cè)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(gè)改進(jìn)的電氣參數(shù)法。我們看一個(gè)結(jié)點(diǎn)與環(huán)境之間的熱阻測(cè)量的例子，參照?qǐng)D7。

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(cè)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(cè)試LED 電功率和光功率。通過測(cè)量測(cè)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(cè)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(cè)量步驟如下所述，其測(cè)量設(shè)備的示意圖如圖8 所示。

　　1) 選擇一個(gè)大功率LED 為加熱LED 并且選擇一個(gè)常規(guī)的LED 作為測(cè)試LED。

　　2) 根據(jù)公式(4) 所示，測(cè)量并計(jì)算測(cè)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(gè)LED。

　　4) 用細(xì)長(zhǎng)導(dǎo)線將加熱LED 正極一端與測(cè)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(cè)量測(cè)試LED 的ΔVf，所以導(dǎo)線需要足夠長(zhǎng)以用于外部的擴(kuò)展。

　　5) 在測(cè)試電流If很小的情況下，測(cè)量測(cè)試LED的初始Vf0 。只有測(cè)試電流非常小時(shí)， 才會(huì)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(cè)量測(cè)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(cè)量測(cè)試LED 的Vf1 。

　　9) 將ΔVf( Vf1 － Vf0) 與K 相乘以計(jì)算測(cè)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(cè)量設(shè)備示意圖

　　6 陽(yáng)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(yáng)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(shí)也測(cè)量計(jì)算了線路板各個(gè)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(cè)量設(shè)備，圖10 是陽(yáng)極氧化絕緣鋁基線路板的測(cè)量設(shè)備。

圖9 常規(guī)聚合物絕緣金屬基線路板的測(cè)量設(shè)備

圖10 陽(yáng)極氧化絕緣鋁基線路板的測(cè)量設(shè)備

　　常規(guī)聚合物絕緣金屬基線路板和陽(yáng)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

圖12 陽(yáng)極氧化絕緣鋁基線路板的熱阻

　　從上述的計(jì)算結(jié)果我們可以發(fā)現(xiàn)，陽(yáng)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(gè)因素導(dǎo)致了陽(yáng)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:

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

　　2) 陽(yáng)極氧化絕緣鋁基線路板上的陽(yáng)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(gè)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(cè)量方法。相對(duì)于常規(guī)聚合物絕緣金屬基線路板，陽(yáng)極氧化絕緣鋁基線路板具有如下優(yōu)勢(shì):

　　1) 在線路板的陽(yáng)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(duì)比與常規(guī)聚合物絕緣金屬基線路板，陽(yáng)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。