Wat is CSP?
CSP -verpakking (chipschaalverpakking) verwijst naar een verpakkingstechnologie waarbij het volume van de verpakking zelf niet groter is dan 20% van de grootte van de chip zelf (de volgende generatie technologie is verpakking op substraatniveau en de verpakkingsgrootte is hetzelfde als die van de chip). Om dit doel te bereiken, verminderen LED-fabrikanten onnodige structuren zoveel mogelijk, zoals het gebruik van standaard high-power LED's, het verwijderen van keramische warmteafvoersubstraten en het verbinden van draden, het metaliseren van P- en N-polen en het bedekken van de fluorescerende laag direct boven de LED.
Volgens de statistieken van Yole Développement zullen CSP-verpakkingen in 2020 34% van de krachtige LED-markt vertegenwoordigen.
Waarom worden CSP-pakketten geconfronteerd met uitdagingen op het vlak van warmteafvoer?
Het CSP-pakket is ontworpen om direct op een printplaat (PCB) te worden gesoldeerd via gemetalliseerde P- en N-polen. In één opzicht is het inderdaad een goede zaak. Dit ontwerp vermindert de thermische weerstand tussen het LED-substraat en de PCB.
Omdat het CSP-pakket echter het keramische substraat als koellichaam verwijdert, maakt dit de warmteoverdracht rechtstreeks van het LED-substraat naar de PCB-plaat en wordt zo een sterke puntwarmtebron. Op dit moment is de warmteafvoeruitdaging voor CSP veranderd van "niveau één (LED-substraatniveau)" naar "niveau twee (het hele moduleniveau)".
Als reactie op deze situatie begonnen moduleontwerpers met metaal bedekte printplaten (MCPCB) te gebruiken om CSP-verpakkingen aan te kunnen.
Figuur 1. Thermisch stralingsmodel van 1x1 mm CSP LED op 0,635 mm AlN keramisch substraat (170 W/mK)
Uit de figuren 1 en 2 blijkt dat de onderzoekers een reeks hittestralingssimulatietests hebben uitgevoerd op MCPCB- en aluminiumnitride (AlN) keramiek. Door de structuur van het CSP-pakket wordt de warmteflux alleen via de kleine soldeerverbindingen overgebracht. , De meeste warmte is geconcentreerd in het centrale deel, wat zal leiden tot een kortere levensduur, verminderde lichtkwaliteit en zelfs LED-storing.
Ideaal warmteafvoermodel voor MCPCB
Meestal de structuur van de meeste MCPCBs: het metalen oppervlak is geplateerd met een laag koper op het oppervlak van ongeveer 30 micron. Tegelijkertijd is het metalen oppervlak bedekt met een harsmediumlaag die thermisch geleidende keramische deeltjes bevat. Te veel thermisch geleidende keramische deeltjes hebben echter invloed op de prestaties en betrouwbaarheid van de hele MCPCB.
Tegelijkertijd is er voor de thermisch geleidende mediumlaag altijd een afweging tussen prestaties en betrouwbaarheid.
Volgens de analyse van de onderzoeker moet MCPCB de dikte van de diëlektrische laag verminderen om een betere warmteafvoer te bereiken. Aangezien de thermische weerstand (R) gelijk is aan de dikte (L) gedeeld door de thermische geleidbaarheid (k) (R=L/(kA)), en de thermische geleidbaarheid alleen wordt bepaald door de eigenschappen van het medium, is de dikte de enige variabele.
De dikte van de diëlektrische laag kan echter niet voor onbepaalde tijd worden verminderd vanwege beperkingen van het productieproces en overwegingen met betrekking tot de levensduur, dus onderzoekers hebben een nieuw materiaal nodig om dit probleem op te lossen.
Hoe kan nanokeramiek de beste oplossing worden voor MCPCB?
Onderzoekers hebben ontdekt dat een elektrochemisch oxidatieproces (ECO) een laag aluminiumkeramiek (Al2O3) van tientallen microns op het oppervlak van aluminium kan produceren. Tegelijkertijd heeft dit aluminiumoxidekeramiek een goede sterkte en een relatief lage thermische geleidbaarheid (ongeveer 7,3 W/mK). Omdat de oxidefilm zich echter automatisch bindt met aluminiumatomen tijdens het elektrochemische oxidatieproces, wordt de thermische weerstand tussen de twee materialen verminderd en heeft het ook een bepaalde structurele sterkte.
Tegelijkertijd combineerden de onderzoekers nanokeramiek met koper bekleed, zodat de totale dikte van deze composietstructuur een hoge totale thermische geleidbaarheid (ongeveer 115W/mK) op een zeer laag niveau heeft. Daarom is dit materiaal zeer geschikt voor de behoeften van CSP-verpakkingen.
Tot slot
Wanneer ontwerpers doorgaan met het verkennen en vinden van geschikte CSP-verpakkingsmaterialen, merken ze vaak dat hun behoeften de bestaande technologie hebben overschreden. Het probleem van de warmteafvoer heeft geleid tot de geboorte van nanokeramische technologie. Deze diëlektrische laag van nanomateriaal kan de kloof tussen traditioneel MCPCB- en AlN-keramiek opvullen. Om ontwerpers te stimuleren compactere, schone en efficiëntere lichtbronnen te introduceren.
