Što je CSP?
CSP (chip scale package) pakiranje odnosi se na tehnologiju pakiranja u kojoj volumen samog pakiranja ne prelazi 20% veličine samog čipa (tehnologija sljedeće generacije je pakiranje na razini supstrata, a veličina pakiranja je ista kao i veličina čipa). Kako bi se postigao taj cilj, proizvođači LED-a smanjuju nepotrebne strukture što je više moguće, kao što su korištenje standardnih LED dioda velike snage, uklanjanje keramičkih podloga za rasipanje topline i spajanje žica, metaliziranje P i N stupova i pokrivanje fluorescentnog sloja neposredno iznad LED-a.
Prema statistikama Yole Développementa, CSP ambalaža činit će 34% LED tržišta velike snage u 2020. godini.
Zašto se CSP paketi suočavaju s izazovima rasipanja topline?
CSP paket je dizajniran da bude izravno zalemljen na tiskanoj pločici (PCB) kroz metalizirane P i N stupove. U jednom pogledu, to je zaista dobra stvar. Ovaj dizajn smanjuje toplinsku otpornost između LED podloge i PCB-a.
Međutim, budući da CSP paket uklanja keramičku podlogu kao hladnjak, to čini prijenos topline izravno iz LED podloge na PCB ploču i tako postaje izvor topline jake točke. U ovom trenutku, izazov rasipanja topline za CSP promijenio se iz "razina jedan (razina LED supstrata)" u "razinu dva (cijela razina modula)".
Kao odgovor na ovu situaciju, dizajneri modula počeli su koristiti tiskane pločice prekrivene metalom (MCPCB) kako bi se nosili s CSP ambalažom.
Slika 1. Model toplinskog zračenja 1x1 mm CSP LED na 0,635 mm AlN keramički supstrat (170 W/mK)
Iz slika 1 i 2 može se vidjeti da su istraživači proveli niz testova simulacije toplinskog zračenja na MCPCB i aluminijskoj nitritdskoj (AlN) keramici. Zbog strukture CSP paketa, toplinski tok se prenosi samo kroz male lemne spojeve. , Većina topline koncentrirana je u središnjem dijelu, što će dovesti do smanjenog vijeka trajanja, smanjene kvalitete svjetla, pa čak i LED kvara.
Idealan model rasipanja topline za MCPCB
Obično struktura većine MCPCB-ova: metalna površina je obložena slojem bakra na površini od oko 30 mikrona. Istodobno, metalna površina prekrivena je srednjim slojem smole koji sadrži termički vodljive keramičke čestice. Međutim, previše termički vodljivih keramičkih čestica utjecat će na performanse i pouzdanost cijelog MCPCB-a.
U isto vrijeme, za toplinski vodljivi srednji sloj uvijek postoji kompromis između performansi i pouzdanosti.
Prema analizi istraživača, kako bi se postiglo bolje rasipanje topline, MCPCB mora smanjiti debljinu dielektričnog sloja. Budući da je toplinski otpor (R) jednak debljini (L) podijeljenoj s toplinskom vodljivošću (k) (R=L/(kA)), a toplinska vodljivost određena je samo svojstvima medija, debljina je jedina varijabla.
Međutim, debljina dielektričnog sloja ne može se neograničeno smanjivati zbog ograničenja proizvodnog procesa i razmatranja životnog vijeka, pa istraživači trebaju novi materijal za rješavanje ovog problema.
Kako nano-keramika može postati najbolje rješenje za MCPCB?
Istraživači su otkrili da elektrokemijski proces oksidacije (ECO) može proizvesti sloj glinice keramike (Al2O3) desetaka mikrona na površini aluminija. U isto vrijeme, ova glinica keramika ima dobru čvrstoću i relativno nisku toplinsku vodljivost (oko 7,3 W / mK). Međutim, budući da se oksidni film automatski veže s aluminijskim atomima tijekom procesa elektrokemijske oksidacije, toplinska otpornost između dva materijala se smanjuje, a također ima određenu strukturnu čvrstoću.
Istodobno, istraživači su kombinirali nanokeramiku s bakrenom oblogom tako da ukupna debljina ove kompozitne strukture ima visoku ukupnu toplinsku vodljivost (oko 115W / mK) na vrlo niskoj razini. Stoga je ovaj materijal vrlo pogodan za potrebe CSP ambalaže.
Zaključno s
Kada dizajneri nastave istraživati i pronalaziti prikladne CSP materijale za pakiranje, često otkriju da su njihove potrebe premašile postojeću tehnologiju. Problem rasipanja topline doveo je do rođenja nanokeramičke tehnologije. Ovaj dielektrični sloj nano materijala može popuniti prazninu između tradicionalne MCPCB i AlN keramike. Kako bi promovirali dizajnere za uvođenje kompaktnijih, čistijih i učinkovitijih izvora svjetlosti.
