Què és el CSP?
L'embalatge CSP (chip scale package) es refereix a una tecnologia d'embalatge en la qual el volum del paquet en si no supera el 20% de la mida del xip en si (la tecnologia d'última generació és l'embalatge a nivell de substrat, i la mida del paquet és la mateixa que la del xip). Per aconseguir aquest objectiu, els fabricants de LED redueixen al màxim les estructures innecessàries, com ara l'ús de LED estàndard d'alta potència, l'eliminació de substrats de dissipació de calor ceràmica i la connexió de cables, la metal·lització dels pols P i N, i la cobertura de la capa fluorescent directament per sobre del LED.
Segons les estadístiques de Yole Développement, els envasos CSP representaran el 34% del mercat de LED d'alta potència el 2020.
Per què els paquets CSP s'enfronten a reptes de dissipació de calor?
El paquet CSP està dissenyat per ser soldat directament en una placa de circuit imprès (PCB) a través de pols P i N metal·litzats. En un aspecte, de fet, és una bona cosa. Aquest disseny redueix la resistència tèrmica entre el substrat LED i el PCB.
No obstant això, com que el paquet CSP elimina el substrat ceràmic com un dissipador de calor, això fa que la transferència de calor directament del substrat LED a la placa pcb i per tant es converteixi en una font de calor de punt fort. En aquest moment, el repte de dissipació de calor per al CSP ha passat de "nivell 1 (nivell de substrat LED)" a "nivell dos (tot el nivell del mòdul)".
En resposta a aquesta situació, els dissenyadors de mòduls van començar a utilitzar plaques de circuits impresos coberts de metall (MCPCB) per fer front a l'embalatge CSP.
Figura 1. Model de radiació tèrmica de LED CSP 1x1 mm sobre substrat ceràmic AlN de 0,635 mm (170 W/mK)
Es pot veure a partir de les figures 1 i 2 que els investigadors van dur a terme una sèrie de proves de simulació de radiació calorífica en ceràmica MCPCB i nitrur d'alumini (AlN). A causa de l'estructura del paquet CSP, el flux de calor només es transfereix a través de les petites juntes de soldadura. , La major part de la calor es concentra a la part central, el que conduirà a una reducció de la vida útil, una reducció de la qualitat de la llum, i fins i tot una fallada del LED.
Model ideal de dissipació de calor per a MCPCB
Normalment l'estructura de la majoria dels MCPCBs: la superfície metàl·lica està banyada amb una capa de coure a la superfície d'unes 30 micres. Al mateix temps, la superfície metàl·lica està coberta per una capa mitjana de resina que conté partícules ceràmiques tèrmicament conductores. No obstant això, massa partícules ceràmiques tèrmicament conductores afectaran el rendiment i la fiabilitat de tot el MCPCB.
Al mateix temps, per a la capa mitjana tèrmicament conductora, sempre hi ha un equilibri entre el rendiment i la fiabilitat.
Segons l'anàlisi de l'investigador, per aconseguir una millor dissipació de calor, MCPCB necessita reduir el gruix de la capa dielèctrica. Atès que la resistència tèrmica (R) és igual al gruix (L) dividit per la conductivitat tèrmica (k) (R=L/(kA)), i la conductivitat tèrmica només està determinada per les propietats del medi, el gruix és l'única variable.
No obstant això, el gruix de la capa dielèctrica no es pot reduir indefinidament a causa de les limitacions del procés de producció i les consideracions de la vida útil, de manera que els investigadors necessiten un nou material per resoldre aquest problema.
Com pot la nano-ceràmica convertir-se en la millor solució per a MCPCB?
Els investigadors han descobert que un procés d'oxidació electroquímica (ECO) pot produir una capa de ceràmica d'alúmina (Al2O3) de desenes de micres a la superfície de l'alumini. Al mateix temps, aquesta ceràmica alúmina té bona resistència i conductivitat tèrmica relativament baixa (aproximadament 7,3 W/mK). No obstant això, atès que la pel·lícula d'òxid enllaça automàticament amb àtoms d'alumini durant el procés d'oxidació electroquímica, la resistència tèrmica entre els dos materials es redueix, i també té una certa força estructural.
Al mateix temps, els investigadors van combinar nano-ceràmiques amb revestiments de coure de manera que el gruix total d'aquesta estructura composta té una alta conductivitat tèrmica total (aproximadament 115W / mK) a un nivell molt baix. Per tant, aquest material és molt adequat per a les necessitats d'embalatge CSP.
En conclusió
Quan els dissenyadors continuen explorant i trobant materials d'embalatge CSP adequats, sovint troben que les seves necessitats han superat la tecnologia existent. El problema de dissipació de calor ha portat al naixement de la tecnologia nano-ceràmica. Aquesta capa dielèctrica nanomaterial pot omplir el buit entre la ceràmica tradicional MCPCB i AlN. Per tal de promoure els dissenyadors per introduir fonts de llum més compactes, netes i eficients.
