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，色域?qū)挘?jīng)久耐用，設(shè)計(jì)靈活，控制簡單，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，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，是美國國家電視系統(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) 減少從結(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(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，這個(gè)磁場使得電子沿著磁場線在目標(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，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(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(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。基底膜的作用主要是提供金屬化層和陽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，我們將其簡化為3 個(gè)部分。

圖5 陽極氧化絕緣鋁基線路板的制造工藝流程圖