Co to jest CSP?
Opakowanie CSP (chip scale package) odnosi się do technologii pakowania, w której objętość samego opakowania nie przekracza 20% wielkości samego chipa (technologią nowej generacji jest opakowanie na poziomie podłoża, a wielkość opakowania to taki sam jak chip). Aby osiągnąć ten cel, producenci LED maksymalnie ograniczają niepotrzebne konstrukcje, takie jak stosowanie standardowych diod LED dużej mocy, usuwanie ceramicznych podłoży odprowadzających ciepło i przewodów połączeniowych, metalizowanie biegunów P i N oraz pokrywanie warstwy fluorescencyjnej bezpośrednio nad diodą LED .
Według statystyk Yole Développement, opakowania CSP będą stanowić 34% rynku diod LED dużej mocy w 2020 roku.
Dlaczego pakiety CSP stoją przed wyzwaniami związanymi z rozpraszaniem ciepła?
Pakiet CSP jest przeznaczony do bezpośredniego lutowania na płytce drukowanej (PCB) poprzez metalizowane bieguny P i N. Pod jednym względem to rzeczywiście dobra rzecz. Taka konstrukcja zmniejsza opór cieplny między podłożem LED a płytką drukowaną.
Ponieważ jednak pakiet CSP usuwa podłoże ceramiczne jako radiator, powoduje to przenoszenie ciepła bezpośrednio z podłoża LED na płytkę PCB, a tym samym staje się mocnym źródłem ciepła. W tym czasie wyzwanie rozpraszania ciepła dla CSP zmieniło się z&do poziomu pierwszego (poziom podłoża LED)&do; do"poziom drugi (cały poziom modułu)".
W odpowiedzi na tę sytuację projektanci modułów zaczęli używać płytek drukowanych pokrytych metalem (MCPCB), aby poradzić sobie z pakowaniem CSP.
Rysunek 1. Model promieniowania cieplnego 1x1 mm CSP LED na podłożu ceramicznym AlN 0,635 mm (170 W/mK)
Jak widać na rysunkach 1 i 2, naukowcy przeprowadzili serię testów symulacji promieniowania cieplnego na ceramice MCPCB i azotku glinu (AlN). Ze względu na konstrukcję pakietu CSP strumień ciepła jest przenoszony tylko przez małe złącza lutownicze. , Większość ciepła jest skoncentrowana w centralnej części, co prowadzi do skrócenia żywotności, obniżonej jakości światła, a nawet awarii diod LED.
Idealny model rozpraszania ciepła dla MCPCB
Zwykle struktura większości MCPCB: metalowa powierzchnia jest pokryta warstwą miedzi na powierzchni około 30 mikronów. Jednocześnie powierzchnia metalu pokryta jest warstwą żywicy zawierającej przewodzące ciepło cząstki ceramiczne. Jednak zbyt wiele przewodzących ciepło cząstek ceramicznych wpłynie na wydajność i niezawodność całego MCPCB.
Jednocześnie w przypadku warstwy medium przewodzącego ciepło zawsze istnieje kompromis między wydajnością a niezawodnością.
Według analizy badacza', aby uzyskać lepsze odprowadzanie ciepła, MCPCB musi zmniejszyć grubość warstwy dielektrycznej. Ponieważ opór cieplny (R) jest równy grubości (L) podzielonej przez przewodność cieplną (k) (R=L/(kA)), a przewodność cieplna jest określona tylko przez właściwości medium, grubość wynosi jedyna zmienna.
Jednak grubości warstwy dielektrycznej nie można zmniejszać w nieskończoność ze względu na ograniczenia procesu produkcyjnego i względy dotyczące żywotności, dlatego naukowcy potrzebują nowego materiału, aby rozwiązać ten problem.
W jaki sposób nanoceramika może stać się najlepszym rozwiązaniem dla MCPCB?
Naukowcy odkryli, że proces utleniania elektrochemicznego (ECO) może wytworzyć warstwę ceramiki z tlenku glinu (Al2O3) o grubości kilkudziesięciu mikronów na powierzchni aluminium. Jednocześnie ta ceramika z tlenku glinu ma dobrą wytrzymałość i stosunkowo niską przewodność cieplną (około 7,3 W/mK). Jednakże, ponieważ film tlenkowy automatycznie wiąże się z atomami aluminium podczas procesu elektrochemicznego utleniania, odporność termiczna między dwoma materiałami jest zmniejszona, a także ma pewną wytrzymałość strukturalną.
Jednocześnie naukowcy połączyli nanoceramikę z platerowaną miedzią, dzięki czemu całkowita grubość tej struktury kompozytowej ma wysoką całkowitą przewodność cieplną (około 115 W/mK) na bardzo niskim poziomie. Dlatego materiał ten doskonale nadaje się na potrzeby opakowań CSP.
Podsumowując
Kiedy projektanci kontynuują poszukiwania i znajdowanie odpowiednich materiałów opakowaniowych CSP, często stwierdzają, że ich potrzeby przekroczyły istniejącą technologię. Problem rozpraszania ciepła doprowadził do narodzin technologii nanoceramicznej. Ta nanomateriałowa warstwa dielektryczna może wypełnić lukę między tradycyjną ceramiką MCPCB i AlN. Aby zachęcić projektantów do wprowadzenia bardziej kompaktowych, czystych i wydajnych źródeł światła.
