Co je CSP?
Balení CSP (chip scale package) označuje technologii balení, ve které samotný objem balení nepřesahuje 20% velikosti samotného čipu (technologie nové generace jsou obaly na úrovni substrátu a velikost balení je stejné jako u čipu). Aby toho bylo dosaženo, výrobci LED co nejvíce omezují nepotřebné struktury, jako je používání standardních vysoce výkonných LED, odstraňování keramických substrátů odvádějících teplo a spojovacích vodičů, metalizace P a N pólů a zakrytí fluorescenční vrstvy přímo nad LED .
Podle statistik Yole Développement bude CSP balení v roce 2020 představovat 34% trhu s vysoce výkonnými LED.
Proč se balíčky CSP potýkají s problémy s odvodem tepla?
Balíček CSP je určen k přímému pájení na desku plošných spojů (PCB) prostřednictvím metalizovaných P a N pólů. V jednom ohledu je to opravdu dobrá věc. Tato konstrukce snižuje tepelný odpor mezi LED substrátem a PCB.
Protože však balíček CSP odebírá keramický substrát jako chladič, přenos tepla z LED substrátu na desku plošných spojů je tím přímým zdrojem tepla. V této době se výzva pro odvod tepla pro CSP změnila z&"úrovně jedna (úroveň LED substrátu) &"; na&"úroveň dvě (celá úroveň modulu) &".
V reakci na tuto situaci začali designéři modulů používat obaly s tištěnými obvody potažené kovem (MCPCB), aby se vyrovnaly s balením CSP.
Obrázek 1. Model tepelného záření LED 1 × 1 mm CSP na keramickém substrátu AlN 0,635 mm (170 W/mK)
Na obrázcích 1 a 2 je vidět, že vědci provedli sérii testů simulace tepelného záření na keramice MCPCB a nitridu hliníku (AlN). Vzhledem ke struktuře balíčku CSP je tepelný tok přenášen pouze malými pájecími spoji. „Většina tepla je soustředěna ve střední části, což povede ke snížení životnosti, snížení kvality světla a dokonce k selhání LED.
Ideální model odvodu tepla pro MCPCB
Struktura většiny MCPCB: kovový povrch je potažen vrstvou mědi na povrchu asi 30 mikronů. Současně je kovový povrch pokryt vrstvou pryskyřičného média obsahujícího tepelně vodivé keramické částice. Příliš mnoho tepelně vodivých keramických částic však ovlivní výkon a spolehlivost celého MCPCB.
Přitom u vrstvy tepelně vodivého média vždy existuje kompromis mezi výkonem a spolehlivostí.
Podle analýzy výzkumníka&č. 39; aby bylo dosaženo lepšího odvodu tepla, musí MCPCB snížit tloušťku dielektrické vrstvy. Protože tepelný odpor (R) se rovná tloušťce (L) děleno tepelnou vodivostí (k) (R=L/(kA)) a tepelná vodivost je určena pouze vlastnostmi média, je tloušťka jediná proměnná.
Tloušťku dielektrické vrstvy však nelze omezovat neomezeně kvůli omezením výrobního procesu a úvahám o životnosti, takže vědci potřebují k vyřešení tohoto problému nový materiál.
Jak se může nano-keramika stát nejlepším řešením pro MCPCB?
Vědci zjistili, že elektrochemický oxidační proces (ECO) může na povrchu hliníku vytvořit vrstvu keramického oxidu hlinitého (Al2O3) o desítkách mikronů. Tato keramika z oxidu hlinitého má zároveň dobrou pevnost a relativně nízkou tepelnou vodivost (přibližně 7,3 W/mK). Protože se však oxidový film během procesu elektrochemické oxidace automaticky spojí s atomy hliníku, tepelný odpor mezi těmito dvěma materiály se sníží a má také určitou strukturní pevnost.
Vědci zároveň kombinovali nano-keramiku s mědí plátovanou tak, aby celková tloušťka této kompozitní struktury měla vysokou celkovou tepelnou vodivost (přibližně 115 W/mK) na velmi nízké úrovni. Proto je tento materiál velmi vhodný pro potřeby balení CSP.
Na závěr
Když designéři pokračují v průzkumu a hledání vhodných obalových materiálů CSP, často zjišťují, že jejich potřeby překročily stávající technologii. Problém odvodu tepla vedl k zrodu nano-keramické technologie. Tato nano-materiálová dielektrická vrstva může vyplnit mezeru mezi tradiční keramikou MCPCB a AlN. S cílem podpořit designéry zavádět kompaktnější, čistší a účinnější zdroje světla.
