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，設計靈活，控制簡單，環(huán)保等優(yōu)點。因此，LED 被認為是未來最有潛力的光源。由于紅，綠，藍(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) 的背光應用顯得非常吸引人，因為這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，關于直下型LED 背光板和導光型LED 背光板的研究文章發(fā)表了很多。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) 標準色域覆蓋面的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)生的熱量會導致LED 的輸出光強度減小，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。作為一個RGBLED背光系統(tǒng)設計人員，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) 使用風扇來增加背光系統(tǒng)周圍空氣的流速。(2) 減少從結(jié)點到環(huán)境的熱阻。把背光模塊設計在經(jīng)濟的，散熱性能杰出的導熱基板印刷電路板上是更好的方案［7］。目前被廣泛應用的常規(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計的電路。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。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材料。強烈的轟擊使目標原子逃出材料表面，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區(qū)域多一個強大的磁場，這個磁場使得電子沿著磁場線在目標區(qū)域運動，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: (1) 等離子區(qū)僅限于目標材料附近，不會損害正在形成薄膜。(2) 電子運動的距離變得更長，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計

　　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，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械強度和加工性能; (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)， 其抗電強度達到250V 到3000V。通過光刻掩膜技術(shù)將線路圖畫在這一層上。

　　這種設計實現(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，導電膜和焊接膜組成。金屬化層不僅要滿足導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熱阻屬性，當溫度高于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) 導電膜

　　導電膜的厚度在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，另一方面是當基底膜和焊接膜因為不同的膨脹系數(shù)發(fā)生形變時，通過導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、銀這樣具有良好導熱導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—導電膜3—基底膜

　　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。

圖5 陽極氧化絕緣鋁基線路板的制造工藝流程圖