芯片尺寸封裝（CSP）LED技術并不新鮮，但在電視背光應用中已經(jīng)使用了一段時間，但對于照明應用來說這是相對較新的。在許多方面，CSP對于照明模塊制造商來說是一個新的世界，因為它們較小，通常沒有任何ESD保護，具有不同的光分布，并且最后但并非最不重要的是具有較小的散熱面積。后者要求重新考慮模塊的傳統(tǒng)熱設計。Cambridge Nanotherm的應用工程師Giles Humpston博士詳細解釋了為什么CSP LED為模塊設計人員提出了重大的熱挑戰(zhàn)，并概述了計算保持CSP LED冷卻所需的熱流量的一些基礎知識。

CSP LED是倒裝芯片LED的最新產(chǎn)品，開始用于電視背光。在這些應用中，使用低功率和中功率的LED沒有任何問題。隨著市場對通用照明的不懈追求，CSP的額定功率正在逐漸增加。通用照明CSP屬于“高功率”類別（超過1 W），目前可提供額定功率高達3 W的器件，這會造成問題。

術語'芯片級封裝'是由芯片本身尺寸不超過20％（下一步是晶圓級封裝，其中芯片的尺寸與芯片尺寸相同）定義的。為了達到這個目標，LED制造商盡可能多地去掉了多余的元素。取一個標準的高功率封裝LED并去除陶瓷底座和引線鍵合，直接對P和N觸點進行金屬化并涂上一層熒光粉，并且你有一個CSP LED。這種方法對于LED制造商來說很好，因為它可以降低材料和制造成本。它還可以將非常?。ㄍǔ?x1 mm）的封裝LED封裝在PCB模塊上，從而幫助創(chuàng)建更小，更亮，更便宜的燈具。

由于這些好處，CSP市場正在享受強勁增長。行業(yè)分析師YoleDéveloppement估計，到2020年，CSP將占高功率LED市場的34％。

為什么CSP面臨這樣的熱量挑戰(zhàn)

但是，CSP并非沒有挑戰(zhàn)。小尺寸可能會給拾放機器帶來處理問題。沒有鏡頭就意味著需要仔細考慮光束管理。但最迫切的問題是向更高性能的CSP邁進的挑戰(zhàn)。

使用金屬化P和N觸點將CSP設計為直接焊接到PCB上。這從一個角度看減少了LED管芯和PCB之間的熱阻，這是一件好事。然而，在傳統(tǒng)封裝LED中，缺少用作芯片和電路板之間散熱片的陶瓷基臺，這意味著熱量將作為熱點熱源從芯片傳輸至PCB。熱管理挑戰(zhàn)已經(jīng)從“一級”（LED芯片封裝級）切換到“二級”（模塊級）。這意味著模塊和燈具設計師必須非常小心，以確保CSP LED提供足夠的冷卻。為了滿足這些要求，使用鋁或銅基的金屬包覆PCB（MCPCB）。

為了說明這一點，讓我們考慮一個焊線LED的例子，其尺寸為1x1 mm，連接到由氮化鋁制成的標準“Level One”底座上，側面測量為3.5 mm，厚度為0.635 mm。在這種情況下，熱源為1mm2，并假設氮化鋁的熱導率是各向同性的，一個簡單的熱模型揭示了熱會擴散到覆蓋約5毫米的區(qū)域2。顯然，大部分熱量仍然集中在中心區(qū)域，但即使如此，基臺的效果也是在熱通量密度到達組件MCPCB之前大大降低。使用CSP LED時，反之亦然。再次，采用1x1 mm的器件，焊盤區(qū)域必須小于這個尺寸，每個尺寸只能測量0.3x0.8 mm。這將熱量傳輸?shù)某跏济娣e減少了大約一半，因此當其到達基臺的冷端時已經(jīng)發(fā)生較少的擴散。這相當于CSP LED和基座上的引線鍵合LED之間冷卻能力的2倍差異。

未能有效去除這些熱量的代價可能是壽命縮短，光線質量差，顏色波動以及LED最終的災難性故障。

在沒有底座的情況下，對于CSP LED，僅靠MCPCB有效地傳導熱量足以將LED結溫保持在制造商建議的限制范圍內。隨著CSP LED尺寸縮小，額定功率增加以及模塊設計人員將越來越多的CSP集成到更密集的陣列中，這一挑戰(zhàn)變得更加困難--MCPCB現(xiàn)在確實需要為其資金而努力。

為了更好地理解這個問題的規(guī)模，有必要將其分解。

對計算的考慮

在計算CSP設計中的熱流量時，軸向傳導的首要性是重要的：

首先，值得考慮的是，在大多數(shù)CSP LED板設計中，軸向熱傳導的效率往往比側向熱傳導更重要。在這種情況下，軸向熱傳導是z軸，即通過MCPCB的厚度，而橫向或徑向熱傳導在x / y軸中面內，且主要發(fā)生在MCPCB的銅布線跡線中。

為了說明這一點，考慮將一個標準的CSP LED焊接到銅電路層上，厚度大約為50微米，直徑為35毫米，然后放置在電介質上，然后是鋁散熱器。取決于電路板的等級，電介質的導熱率通常在約3-10W / mK的范圍內以及在10-50μm的厚度范圍內。這意味著軸向熱阻抗將介于0.16和0.01°C?cm2/ W之間。也就是說，對于一側10毫米厚的介質板，每瓦熱流不會立即通過，但會導致兩個表面之間計算出的溫差（0.16 - 0.01°C）。

下一步是檢查銅盤的徑向熱阻。銅是一種優(yōu)秀的導熱體，導熱率幾乎達到400 W / mK。但只有50微米厚，這是人發(fā)的一半厚度，其沿著其長度傳輸熱量的能力受到嚴格限制。取一根寬1毫米，厚50毫米，長5毫米的銅條，端部到端的熱阻高于250°C / W。顯然，與軸向熱阻相比，這是巨大的，所以當銅盤連接到具有非常低的熱阻的絕緣層時，大部分熱量將通過電介質迅速消失并且到達散熱片，并且沒有一個會達到銅區(qū)的邊緣。

通過擴展之前的模擬演示可以證明這一點，其中包括覆蓋整個3.5x3.5 mm區(qū)域的35 um厚銅層，但保持熱CSP LED的尺寸相同。該模型顯示在銅中發(fā)生了一些散熱，但散熱片的面積增加了15％。

在實踐中，為了優(yōu)化CSP LED的冷卻，有必要平衡軸向和徑向電導率。如果銅面積過度減小，則軸向傳導過度依賴，導致熱阻上升。這意味著CSP LED的緊密封裝會導致陣列區(qū)域的熱失衡。相反，使銅面積過大沒有多大好處，因為它具有高的面內熱阻，防止熱量傳播任何顯著的距離。

通常假設在MCPCB上指定一層厚銅將會將熱量傳播到很遠的地方，從而降低通量密度，并且通過具有普通熱阻的電介質傳導可以很容易地去除熱量。盡管這在某種程度上是正確的，但只有最好的MCPCB具有足夠低的熱阻以適應高功率CSP LED。使用這些產(chǎn)品時，增加銅的厚度并不會改變最佳銅面積（約3.5毫米直徑），因為即使是105微米（3盎司）厚的銅平面在質量不錯的MCPCB上的面內熱傳導仍然是相對于電介質的z軸電導率低。

在LED結構的任何熱分析中，必須記住LED和散熱器之間的熱路徑不是均勻材料的固體塊。通常它包含一堆復雜的材料，例如LED封裝，焊點，電路板，熱界面材料，散熱器等等。這些結構中的每一個都將具有完全不同的尺寸，導熱率和比熱容，并且在所有不同的層之間具有各種界面電阻。其中，接口電阻通常是最關鍵的，也是最難建模的之一。單個界面的熱阻可以使結構中的其他材料的熱性能變矮，并且對風的性能進行計算。最好的技術解決方案旨在最大限度地減少電路板中元件之間的接口電阻，這是通過從結構中消除的最可靠方法。涂層和其他分層結構特別容易受到高界面電阻的影響，并且隨著時間的推移可能會發(fā)生變化。盡管均質材料是最好的，但在需要不同材料組裝的情況下，最穩(wěn)健可靠的方法是在材料之間的原子級別實現(xiàn)鍵合。在這個前提下，只有有限范圍的涂層和沉積過程起作用。盡管均質材料是最好的，但在需要不同材料組裝的情況下，最穩(wěn)健可靠的方法是在材料之間的原子級別實現(xiàn)鍵合。在這個前提下，只有有限范圍的涂層和沉積過程起作用。盡管均質材料是最好的，但在需要不同材料組裝的情況下，最穩(wěn)健可靠的方法是在材料之間的原子級別實現(xiàn)鍵合。在這個前提下，只有有限范圍的涂層和沉積過程起作用。

關于CSP LED MCPCB解決方案的理想配置

因此，要重申，通過MCPCB的高軸向傳導是成功的CSP設計的關鍵。當軸向傳導較高時，它將抵消通常通過使用厚銅布線追蹤獲得的散熱優(yōu)勢。為了有效管理由CSP產(chǎn)生的點熱通量，需要與MCPCB本身不同的方法。

基于以上概述的軸向首要性觀察，我們知道MCPCB需要最小化其最薄弱環(huán)節(jié) - 介電層的厚度。熱阻是厚度除以熱導率。導熱系數(shù)是為電介質選擇的材料固有的，所以唯一可用的變量是厚度。鉆石非常適合這種應用，但太貴了。電介質不能太薄，因為它需要保持可接受的電氣隔離，以確保MCPCB符合相關法規(guī)。電介質層還必須足夠堅固以經(jīng)受制造過程并且足夠耐用以持續(xù)主動服務。最后，MCPCB堆疊需要最小化各種材料之間的界面電阻以使復合導熱率最大化。

用于CSP LED的MCPCB的替代解決方案

幾乎所有的MCPCB在結構上都遵循相同的基本格式：它們由金屬薄片（通常是鋁，有時是銅）制成，并覆蓋一層薄的（30+μm）銅層，用于布線。該銅片通過填充有導熱陶瓷顆粒的環(huán)氧樹脂介電層附著（并與金屬基座電隔離）以增加熱性能。但是，可以添加多少導熱陶瓷存在上限。用陶瓷過載環(huán)氧樹脂，介電層變脆，對金屬基板和銅布線的粘附性差。對于需要足夠堅固以持續(xù)數(shù)十年（50,000小時）的現(xiàn)用服務的產(chǎn)品來說，這不太合適。

雖然這些導熱電介質總是有新的發(fā)展，但在性能和耐用性之間始終存在折衷。目前，這將MCPCB的性能限制在100 W / mK以下的復合導熱系數(shù)。

對于大多數(shù)LED模塊設計來說，這種散熱性能是完全可以接受的，但是對于CSP模塊，特別是對于功率密集型設計來說，它們根本無法提供所需的性能。從歷史上看，當MCPCB的熱性能達不到要求時，制造商只有一種選擇，那就是轉向全氮化鋁等陶瓷基板;一種具有極高導熱性和極高價格的材料。

通過采用陶瓷和金屬PCB的最佳元素，納米陶瓷利用了軸向傳導的優(yōu)先性和低界面電阻以達到最佳效果。

納米陶瓷作為MCPCBs解決方案的工作原理

獲得專利的電化學氧化（ECO）工藝將鋁片表面轉化為幾十微米厚的氧化鋁（Al2O 3）層。雖然氧化鋁不是一種特別有效的熱導體（ECO工藝生成的氧化鋁約為7.3 W / mK），但層的厚度意味著熱量在撞擊鋁基之前具有極短的行程。

ECO轉換的一個有趣的副作用是氧化鋁層原子結合到鋁基上。這對兩種材料之間的界面電阻有重大影響，有助于降低堆疊的整體熱阻。堅固性也令人印象深刻，并且不可能將納米陶瓷從其形成的鋁上機械切割下來。

這種具有較高導熱率的非常薄的電介質層（與鋁基體原子結合）的組合給出了一種含有層壓銅的納米陶瓷的MCPCB，具有約115W / mK的優(yōu)異總體熱導率（銅布線跡線連接到納米陶瓷具有3-5μm的環(huán)氧層）。這使得該產(chǎn)品非常適合CSP應用的需求。

結論

隨著設計師不斷探索CSP LED的可能性，他們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)他們的設計不符合標準MCPCB技術的功能。這種熱限制正在成為創(chuàng)新的障礙，需要一種新技術來彌補傳統(tǒng)MCPCB和昂貴的氮化鋁陶瓷之間的差距。納米陶瓷是一種能夠填補這個空白的材料。通過提供針對CSP LED的熱點光通量要求以及嵌入式可制造性的熱性能，采用納米陶瓷介質的MCPCB填補了傳統(tǒng)MCPCB與陶瓷之間的空白，使CSP LED設計師能夠突破極限 - 創(chuàng)建更小，更明亮，更具成本效益的光源。