芯片尺寸封裝（CSP）LED技術(shù)并不新鮮，但在電視背光應(yīng)用中已經(jīng)使用了一段時間，但對于照明應(yīng)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(hù)，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(shè)計。Cambridge Nanotherm的應(yīng)用工程師Giles Humpston博士詳細(xì)解釋了為什么CSP LED為模塊設(shè)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(chǔ)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(yīng)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(dá)3 W的器件，這會造成問題。

術(shù)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(dá)到這個目標(biāo)，LED制造商盡可能多地去掉了多余的元素。取一個標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)進(jìn)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(qiáng)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(jī)器帶來處理問題。沒有鏡頭就意味著需要仔細(xì)考慮光束管理。但最迫切的問題是向更高性能的CSP邁進(jìn)的挑戰(zhàn)。

使用金屬化P和N觸點(diǎn)將CSP設(shè)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(diǎn)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(shè)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(diǎn)，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(biāo)準(zhǔn)“Level One”底座上，側(cè)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(shè)氮化鋁的熱導(dǎo)率是各向同性的，一個簡單的熱模型揭示了熱會擴(kuò)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(dá)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(dāng)其到達(dá)基臺的冷端時已經(jīng)發(fā)生較少的擴(kuò)散。這相當(dāng)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(zhì)量差，顏色波動以及LED最終的災(zāi)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(dǎo)熱量足以將LED結(jié)溫保持在制造商建議的限制范圍內(nèi)。隨著CSP LED尺寸縮小，額定功率增加以及模塊設(shè)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(shí)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(shè)計中的熱流量時，軸向傳導(dǎo)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(shè)計中，軸向熱傳導(dǎo)的效率往往比側(cè)向熱傳導(dǎo)更重要。在這種情況下，軸向熱傳導(dǎo)是z軸，即通過MCPCB的厚度，而橫向或徑向熱傳導(dǎo)在x / y軸中面內(nèi)，且主要發(fā)生在MCPCB的銅布線跡線中。

為了說明這一點(diǎn)，考慮將一個標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)上，然后是鋁散熱器。取決于電路板的等級，電介質(zhì)的導(dǎo)熱率通常在約3-10W / mK的范圍內(nèi)以及在10-50μm的厚度范圍內(nèi)。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(cè)10毫米厚的介質(zhì)板，每瓦熱流不會立即通過，但會導(dǎo)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(dǎo)熱體，導(dǎo)熱率幾乎達(dá)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(yán)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(dāng)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(zhì)迅速消失并且到達(dá)散熱片，并且沒有一個會達(dá)到銅區(qū)的邊緣。

通過擴(kuò)展之前的模擬演示可以證明這一點(diǎn)，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(shí)踐中，為了優(yōu)化CSP LED的冷卻，有必要平衡軸向和徑向電導(dǎo)率。如果銅面積過度減小，則軸向傳導(dǎo)過度依賴，導(dǎo)致熱阻上升。這意味著CSP LED的緊密封裝會導(dǎo)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(nèi)熱阻，防止熱量傳播任何顯著的距離。

通常假設(shè)在MCPCB上指定一層厚銅將會將熱量傳播到很遠(yuǎn)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(zhì)傳導(dǎo)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(yīng)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(zhì)量不錯的MCPCB上的面內(nèi)熱傳導(dǎo)仍然是相對于電介質(zhì)的z軸電導(dǎo)率低。

在LED結(jié)構(gòu)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(fù)雜的材料，例如LED封裝，焊點(diǎn)，電路板，熱界面材料，散熱器等等。這些結(jié)構(gòu)中的每一個都將具有完全不同的尺寸，導(dǎo)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(guān)鍵的，也是最難建模的之一。單個界面的熱阻可以使結(jié)構(gòu)中的其他材料的熱性能變矮，并且對風(fēng)的性能進(jìn)行計算。最好的技術(shù)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(jié)構(gòu)中消除的最可靠方法。涂層和其他分層結(jié)構(gòu)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(zhì)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(shí)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(zhì)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(shí)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(zhì)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(shí)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(guān)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(dǎo)是成功的CSP設(shè)計的關(guān)鍵。當(dāng)軸向傳導(dǎo)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(diǎn)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(dǎo)率。導(dǎo)熱系數(shù)是為電介質(zhì)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(yīng)用，但太貴了。電介質(zhì)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(guān)法規(guī)。電介質(zhì)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(wù)。最后，MCPCB堆疊需要最小化各種材料之間的界面電阻以使復(fù)合導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(dǎo)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(dǎo)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(wù)的產(chǎn)品來說，這不太合適。

雖然這些導(dǎo)熱電介質(zhì)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(fù)合導(dǎo)熱系數(shù)。

對于大多數(shù)LED模塊設(shè)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(shè)計來說，它們根本無法提供所需的性能。從歷史上看，當(dāng)MCPCB的熱性能達(dá)不到要求時，制造商只有一種選擇，那就是轉(zhuǎn)向全氮化鋁等陶瓷基板;一種具有極高導(dǎo)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(dǎo)的優(yōu)先性和低界面電阻以達(dá)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(xué)氧化（ECO）工藝將鋁片表面轉(zhuǎn)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(dǎo)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(zhuǎn)換的一個有趣的副作用是氧化鋁層原子結(jié)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(jī)械切割下來。

這種具有較高導(dǎo)熱率的非常薄的電介質(zhì)層（與鋁基體原子結(jié)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(dǎo)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(yīng)用的需求。

結(jié)論

隨著設(shè)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(shè)計不符合標(biāo)準(zhǔn)MCPCB技術(shù)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(shù)來彌補(bǔ)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(bǔ)這個空白的材料。通過提供針對CSP LED的熱點(diǎn)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(zhì)的MCPCB填補(bǔ)了傳統(tǒng)MCPCB與陶瓷之間的空白，使CSP LED設(shè)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。