如何解決CSP封裝的散熱難題？

什么是CSP?

CSP(chip scale package)封裝是指一種封裝自身的體積大小不超過(guò)芯片自身大小的20%的封裝技術(shù)(下一代技術(shù)為襯底級(jí)別封裝，其封裝大小與芯片相同)。為了達(dá)成這一目的，制造商盡可能的減少不必要的結(jié)構(gòu)，比如采用標(biāo)準(zhǔn)高功率LED、去除陶瓷散熱基板和連接線、金屬化P和N極和直接在LED上方覆蓋熒光層。

根據(jù)Yole Développement 統(tǒng)計(jì)，CSP封裝將在2020年占到高功率的34%。

為什么CSP封裝面臨散熱挑戰(zhàn)?

CSP封裝被設(shè)計(jì)成通過(guò)金屬化的P和N極直接焊接在印刷電路板(PCB)上。在某一方面來(lái)看的確是一件好事，這種設(shè)計(jì)減少了LED基底和PCB之間的熱阻。

但是，由于CSP封裝移除了作為散熱器件的陶瓷基板，這使得熱量直接從LED基底傳遞到PCB板從而變成了強(qiáng)烈的點(diǎn)熱源。這時(shí)，對(duì)于CSP的散熱挑戰(zhàn)從“一級(jí)(LED基底層面)”轉(zhuǎn)變成了“二級(jí)(整個(gè)模塊層面)”。

針對(duì)于這種情況，模塊的設(shè)計(jì)者開(kāi)始使用金屬覆蓋印刷電路板(MCPCB)來(lái)應(yīng)對(duì)CSP封裝。

圖1、1x1 mm CSP LED 在0.635 mm AlN 陶瓷基板(170 W/mK)上的熱輻射模型

從圖1、 2中可以看出 ，研究人員針對(duì)MCPCB和氮化鋁(AlN)陶瓷進(jìn)行了一系列的熱輻射模擬試驗(yàn)，由于CSP封裝的結(jié)構(gòu)，熱通量?jī)H僅通過(guò)面積很小的焊點(diǎn)傳遞，大部分熱量均集中在中心部位，這會(huì)導(dǎo)致使用壽命減少，光質(zhì)量降低，甚至LED失效。

MCPCB的理想散熱模型

通常大多數(shù)的MCPCB的結(jié)構(gòu)：金屬表面鍍上一層大約30微米的表面覆銅。同時(shí)，這個(gè)金屬表面還有一層含有導(dǎo)熱陶瓷顆粒的樹(shù)脂介質(zhì)層覆蓋。但是過(guò)多的導(dǎo)熱陶瓷顆粒會(huì)影響整個(gè)MCPCB的性能和可靠性。

同時(shí)，對(duì)于導(dǎo)熱介質(zhì)層，總是存在性能與可靠性之間的權(quán)衡。

根據(jù)研究人員的分析，為了更好的散熱效果，MCPCB需要降低介質(zhì)層的厚度。由于熱阻(R)等于厚度(L)除以熱傳導(dǎo)率(k)(R= L/(kA))，而熱傳導(dǎo)率只由介質(zhì)的本身屬性決定，因此厚度是唯一的變量。

但是由于介質(zhì)層因?yàn)樯a(chǎn)工藝的限制和使用壽命的考慮無(wú)法無(wú)限制的減少厚度，因此研究人員需要一種新的材料來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

納米陶瓷如何變成MCPCB的最佳方案?

研究人員發(fā)現(xiàn)一種電化學(xué)氧化過(guò)程(ECO)可以在鋁表面上生成一層幾十微米的氧化鋁陶瓷(Al2O3)，同時(shí)這種氧化鋁陶瓷擁有良好的強(qiáng)度和相對(duì)較低的熱傳導(dǎo)率(大約7.3 W/mK)。但是由于氧化膜在電化學(xué)氧化過(guò)程中自動(dòng)與鋁原子鍵合，從而降低了兩種材料之間的熱阻，而且還擁有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

同時(shí)，研究人員將納米陶瓷與覆銅結(jié)合，讓這種復(fù)合結(jié)構(gòu)的整體厚度在非常低的情況下還擁有較高的總熱傳導(dǎo)率(大約115W/mK)。因此，這種材料很適合CSP封裝的需求。

結(jié)論

當(dāng)設(shè)計(jì)者繼續(xù)探索尋找合適CSP封裝的材料時(shí)，往往發(fā)現(xiàn)他們的需求已經(jīng)超過(guò)了現(xiàn)有技術(shù)。散熱問(wèn)題導(dǎo)致納米陶瓷技術(shù)的催生，這種納米材料介質(zhì)層能夠填補(bǔ)傳統(tǒng)MCPCB與AlN陶瓷的空隙。從而推動(dòng)設(shè)計(jì)者推出更加小型化，清潔高效的光源。