Was ist CSP?
CSP-Packaging (Chip Scale Package) bezieht sich auf eine Packungstechnologie, bei der das Volumen des Pakets selbst 20 % der Größe des Chips selbst nicht überschreitet (die Technologie der nächsten Generation ist das Substrat-Level-Packaging, und die Packungsgröße ist wie beim Chip). Um dieses Ziel zu erreichen, reduzieren LED-Hersteller so weit wie möglich unnötige Strukturen, wie z .
Laut Statistiken von Yole Développement werden CSP-Verpackungen im Jahr 2020 34 % des Marktes für Hochleistungs-LEDs ausmachen.
Warum stehen CSP-Packages vor Herausforderungen bei der Wärmeableitung?
Das CSP-Gehäuse ist so konzipiert, dass es über metallisierte P- und N-Pole direkt auf eine Leiterplatte (PCB) gelötet werden kann. In einer Hinsicht ist es tatsächlich eine gute Sache. Dieses Design reduziert den thermischen Widerstand zwischen dem LED-Substrat und der Leiterplatte.
Da das CSP-Gehäuse jedoch das Keramiksubstrat als Kühlkörper entfernt, erfolgt die Wärmeübertragung direkt vom LED-Substrat auf die Leiterplatte und wird somit zu einer starken Wärmequelle. Zu diesem Zeitpunkt hat sich die Herausforderung der Wärmeableitung für CSP von"Ebene eins (LED-Substratebene)" bis"Ebene zwei (die gesamte Modulebene)".
Als Reaktion auf diese Situation begannen Moduldesigner, metallbeschichtete Leiterplatten (MCPCB) zu verwenden, um CSP-Packaging zu bewältigen.
Abbildung 1. Wärmestrahlungsmodell einer 1x1 mm CSP-LED auf einem 0,635 mm AlN-Keramiksubstrat (170 W/mK)
Aus den Abbildungen 1 und 2 ist ersichtlich, dass die Forscher eine Reihe von Wärmestrahlungssimulationstests an MCPCB- und Aluminiumnitrid (AlN)-Keramiken durchgeführt haben. Aufgrund der Struktur des CSP-Gehäuses wird der Wärmestrom nur durch die kleinen Lötstellen übertragen. , Der größte Teil der Wärme konzentriert sich im mittleren Teil, was zu einer verkürzten Lebensdauer, einer verringerten Lichtqualität und sogar zu einem LED-Ausfall führt.
Ideales Wärmeableitungsmodell für MCPCB
Normalerweise die Struktur der meisten MCPCBs: Die Metalloberfläche ist mit einer Kupferschicht auf der Oberfläche von etwa 30 Mikrometern plattiert. Gleichzeitig wird die Metalloberfläche mit einer Harzmediumschicht bedeckt, die wärmeleitende Keramikpartikel enthält. Zu viele wärmeleitende Keramikpartikel beeinträchtigen jedoch die Leistung und Zuverlässigkeit der gesamten MCPCB.
Gleichzeitig gibt es bei der wärmeleitenden Mediumschicht immer einen Kompromiss zwischen Leistung und Zuverlässigkeit.
Laut der Analyse des Forschers&muss MCPCB die Dicke der dielektrischen Schicht reduzieren, um eine bessere Wärmeableitung zu erreichen. Da der Wärmewiderstand (R) gleich der Dicke (L) dividiert durch die Wärmeleitfähigkeit (k) ist (R=L/(kA)) und die Wärmeleitfähigkeit nur durch die Eigenschaften des Mediums bestimmt wird, beträgt die Dicke die einzige Variable.
Die Dicke der dielektrischen Schicht kann jedoch aufgrund von Produktionsbeschränkungen und Lebensdauerüberlegungen nicht unbegrenzt reduziert werden, sodass die Forscher ein neues Material benötigen, um dieses Problem zu lösen.
Wie kann Nanokeramik die beste Lösung für MCPCB werden?
Forscher haben herausgefunden, dass ein elektrochemischer Oxidationsprozess (ECO) eine Schicht aus Aluminiumoxidkeramik (Al2O3) von mehreren zehn Mikrometern auf der Oberfläche von Aluminium erzeugen kann. Gleichzeitig weist diese Aluminiumoxidkeramik eine gute Festigkeit und eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit (ca. 7,3 W/mK) auf. Da sich der Oxidfilm jedoch während des elektrochemischen Oxidationsprozesses automatisch mit Aluminiumatomen verbindet, wird der Wärmewiderstand zwischen den beiden Materialien verringert und er weist auch eine gewisse strukturelle Festigkeit auf.
Gleichzeitig kombinierten die Forscher Nanokeramik mit einer Kupferkaschierung, sodass die Gesamtdicke dieser Verbundstruktur eine hohe Gesamtwärmeleitfähigkeit (ca. 115 W/mK) auf sehr niedrigem Niveau aufweist. Daher ist dieses Material sehr gut für die Anforderungen von CSP-Verpackungen geeignet.
Abschließend
Wenn Designer weiterhin geeignete CSP-Verpackungsmaterialien erforschen und finden, stellen sie oft fest, dass ihre Anforderungen die vorhandene Technologie übertroffen haben. Das Problem der Wärmeableitung hat zur Geburtsstunde der Nanokeramik-Technologie geführt. Diese dielektrische Schicht aus Nanomaterial kann die Lücke zwischen herkömmlicher MCPCB- und AlN-Keramik schließen. Um Designer zu ermutigen, kompaktere, sauberere und effizientere Lichtquellen einzuführen.
