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寻找CSP模块设计的最佳散热解决方案

2018-06-26

芯片尺寸封装(CSP)LED技术并不新鲜,但在电视背光应用中已经使用了一段时间,但对于照明应用来说这是相对较新的。在许多方面,CSP对于照明模块制造商来说是一个新的世界,因为它们较小,通常没有任何ESD保护,具有不同的光分布,并且**但并非*不重要的是具有较小的散热面积。后者要求重新考虑模块的传统热设计。Cambridge Nanotherm的应用工程师Giles Humpston博士详细解释了为什么CSP LED为模块设计人员提出了重大的热挑战,并概述了计算保持CSP LED冷却所需的热流量的一些基础知识。


径向热量从铜盘中的点热源传播



CSP LED是倒装芯片LED的**产品,开始用于电视背光。在这些应用中,使用低功率和中功率的LED没有任何问题。随着市场对通用照明的不懈追求,CSP的额定功率正在逐渐增加。通用照明CSP属于“高功率”类别(超过1 W),目前可提供额定功率高达3 W的器件,这会造成问题。

术语'芯片级封装'是由芯片本身尺寸不超过20%(下一步是晶圆级封装,其中芯片的尺寸与芯片尺寸相同)定义的。为了达到这个目标,LED制造商尽可能多地去掉了多余的元素。取一个标准的高功率封装LED并去除陶瓷底座和引线键合,直接对P和N触点进行金属化并涂上一层荧光粉,并且你有一个CSP LED。这种方法对于LED制造商来说很好,因为它可以降低材料和制造成本。它还可以将非常小(通常为1x1 mm)的封装LED封装在PCB模块上,从而帮助创建更小,更亮,更便宜的灯具。

由于这些好处,CSP市场正在享受强劲增长。行业分析师YoleDéveloppement估计,到2020年,CSP将占高功率LED市场的34%。

为什么CSP面临这样的热量挑战

但是,CSP并非没有挑战。小尺寸可能会给拾放机器带来处理问题。没有镜头就意味着需要仔细考虑光束管理。但*迫切的问题是向更高性能的CSP迈进的挑战。

使用金属化P和N触点将CSP设计为直接焊接到PCB上。这从一个角度看减少了LED管芯和PCB之间的热阻,这是一件好事。然而,在传统封装LED中,缺少用作芯片和电路板之间散热片的陶瓷基台,这意味着热量将作为热点热源从芯片传输至PCB。热管理挑战已经从“一级”(LED芯片封装级)切换到“二级”(模块级)。这意味着模块和灯具设计师必须非常小心,以确保CSP LED提供足够的冷却。为了满足这些要求,使用铝或铜基的金属包覆PCB(MCPCB)。

为了说明这一点,让我们考虑一个焊线LED的例子,其尺寸为1x1 mm,连接到由氮化铝制成的标准“Level One”底座上,侧面测量为3.5 mm,厚度为0.635 mm。在这种情况下,热源为1mm 2,并假设氮化铝的热导率是各向同性的,一个简单的热模型揭示了热会扩散到覆盖约5毫米的区域2。显然,大部分热量仍然集中在中心区域,但即使如此,基台的效果也是在热通量密度到达组件MCPCB之前大大降低。使用CSP LED时,反之亦然。再次,采用1x1 mm的器件,焊盘区域必须小于这个尺寸,每个尺寸只能测量0.3x0.8 mm。这将热量传输的初始面积减少了大约一半,因此当其到达基台的冷端时已经发生较少的扩散。这相当于CSP LED和基座上的引线键合LED之间冷却能力的2倍差异。

未能有效去除这些热量的代价可能是寿命缩短,光线质量差,颜色波动以及LED*终的灾难性故障。

在没有底座的情况下,对于CSP LED,仅靠MCPCB有效地传导热量足以将LED结温保持在制造商建议的限制范围内。随着CSP LED尺寸缩小,额定功率增加以及模块设计人员将越来越多的CSP集成到更密集的阵列中,这一挑战变得更加困难--MCPCB现在确实需要为其资金而努力。

为了更好地理解这个问题的规模,有必要将其分解。


图1: 从1x1 mm CSP LED通过0.635 mm AlN基板(170 W / mK)发射到散热片的热通量的热模型,说明发生的扩散,从而有效降低路径的热阻
图2: 从铜盘中的点热源扩散的径向热量,其尺寸代表MCPCB上布线迹线的大面积铜区域
图3:  MCPCB上CSP LED的简化仿真,说明60um铜布线无法将热量横向散布任何显着距离。当衬底是具有超过150W / mK的总热导率的高性能MCPCB时,预期热流与图1的紧密相似性



对计算的考虑

在计算CSP设计中的热流量时,轴向传导的首要性是重要的:


首先,值得考虑的是,在大多数CSP LED板设计中,轴向热传导的效率往往比侧向热传导更重要。在这种情况下,轴向热传导是z轴,即通过MCPCB的厚度,而横向或径向热传导在x / y轴中面内,且主要发生在MCPCB的铜布线迹线中。

为了说明这一点,考虑将一个标准的CSP LED焊接到铜电路层上,厚度大约为50微米,直径为35毫米,然后放置在电介质上,然后是铝散热器。取决于电路板的等级,电介质的导热率通常在约3-10W / mK的范围内以及在10-50μm的厚度范围内。这意味着轴向热阻抗将介于0.16和0.01°C∙cm 2 / W之间。也就是说,对于一侧10毫米厚的介质板,每瓦热流不会立即通过,但会导致两个表面之间计算出的温差(0.16 - 0.01°C)。

下一步是检查铜盘的径向热阻。铜是一种优秀的导热体,导热率几乎达到400 W / mK。但只有50微米厚,这是人发的一半厚度,其沿着其长度传输热量的能力受到严格限制。取一根宽1毫米,厚50毫米,长5毫米的铜条,端部到端的热阻高于250°C / W。显然,与轴向热阻相比,这是巨大的,所以当铜盘连接到具有非常低的热阻的绝缘层时,大部分热量将通过电介质迅速消失并且到达散热片,并且没有一个会达到铜区的边缘。

通过扩展之前的模拟演示可以证明这一点,其中包括覆盖整个3.5x3.5 mm区域的35 um厚铜层,但保持热CSP LED的尺寸相同。该模型显示在铜中发生了一些散热,但散热片的面积增加了15%。

在实践中,为了优化CSP LED的冷却,有必要平衡轴向和径向电导率。如果铜面积过度减小,则轴向传导过度依赖,导致热阻上升。这意味着CSP LED的紧密封装会导致阵列区域的热失衡。相反,使铜面积过大没有多大好处,因为它具有高的面内热阻,防止热量传播任何显着的距离。

通常假设在MCPCB上指定一层厚铜将会将热量传播到很远的地方,从而降低通量密度,并且通过具有普通热阻的电介质传导可以很容易地去除热量。尽管这在某种程度上是正确的,但只有**的MCPCB具有足够低的热阻以适应高功率CSP LED。使用这些产品时,增加铜的厚度并不会改变*佳铜面积(约3.5毫米直径),因为即使是105微米(3盎司)厚的铜平面在质量不错的MCPCB上的面内热传导仍然是相对于电介质的z轴电导率低。

在LED结构的任何热分析中,必须记住LED和散热器之间的热路径不是均匀材料的固体块。通常它包含一堆复杂的材料,例如LED封装,焊点,电路板,热界面材料,散热器等等。这些结构中的每一个都将具有完全不同的尺寸,导热率和比热容,并且在所有不同的层之间具有各种界面电阻。其中,接口电阻通常是*关键的,也是*难建模的之一。单个界面的热阻可以使结构中的其他材料的热性能变矮,并且对风的性能进行计算。**的技术解决方案旨在**限度地减少电路板中元件之间的接口电阻,这是通过从结构中消除的*可靠方法。涂层和其他分层结构特别容易受到高界面电阻的影响,并且随着时间的推移可能会发生变化。尽管均质材料是**的,但在需要不同材料组装的情况下,*稳健可靠的方法是在材料之间的原子级别实现键合。在这个前提下,只有有限范围的涂层和沉积过程起作用。尽管均质材料是**的,但在需要不同材料组装的情况下,*稳健可靠的方法是在材料之间的原子级别实现键合。在这个前提下,只有有限范围的涂层和沉积过程起作用。尽管均质材料是**的,但在需要不同材料组装的情况下,*稳健可靠的方法是在材料之间的原子级别实现键合。在这个前提下,只有有限范围的涂层和沉积过程起作用。

关于CSP LED MCPCB解决方案的理想配置

因此,要重申,通过MCPCB的高轴向传导是成功的CSP设计的关键。当轴向传导较高时,它将抵消通常通过使用厚铜布线追踪获得的散热优势。为了有效管理由CSP产生的点热通量,需要与MCPCB本身不同的方法。

基于以上概述的轴向首要性观察,我们知道MCPCB需要*小化其*薄弱环节 - 介电层的厚度。热阻是厚度除以热导率。导热系数是为电介质选择的材料固有的,所以**可用的变量是厚度。钻石非常适合这种应用,但太贵了。电介质不能太薄,因为它需要保持可接受的电气隔离,以确保MCPCB符合相关法规。电介质层还必须足够坚固以经受制造过程并且足够耐用以持续主动服务。**,MCPCB堆叠需要*小化各种材料之间的界面电阻以使复合导热率**化。


图4: 图表显示,对于具有足够低的热阻以适应CSP LED的MCPCB,铜重量对性能的影响可以忽略不计


用于CSP LED的MCPCB的替代解决方案

几乎所有的MCPCB在结构上都遵循相同的基本格式:它们由金属薄片(通常是铝,有时是铜)制成,并覆盖一层薄的(30+μm)铜层,用于布线。该铜片通过填充有导热陶瓷颗粒的环氧树脂介电层附着(并与金属基座电隔离)以增加热性能。但是,可以添加多少导热陶瓷存在上限。用陶瓷过载环氧树脂,介电层变脆,对金属基板和铜布线的粘附性差。对于需要足够坚固以持续数十年(50,000小时)的现用服务的产品来说,这不太合适。

虽然这些导热电介质总是有新的发展,但在性能和耐用性之间始终存在折衷。目前,这将MCPCB的性能限制在100 W / mK以下的复合导热系数。

对于大多数LED模块设计来说,这种散热性能是完全可以接受的,但是对于CSP模块,特别是对于功率密集型设计来说,它们根本无法提供所需的性能。从历史上看,当MCPCB的热性能达不到要求时,制造商只有一种选择,那就是转向全氮化铝等陶瓷基板; 一种具有极高导热性和极高价格的材料。

通过采用陶瓷和金属PCB的*佳元素,纳米陶瓷利用了轴向传导的优先性和低界面电阻以达到*佳效果。

纳米陶瓷作为MCPCBs解决方案的工作原理

获得专利的电化学氧化(ECO)工艺将铝片表面转化为几十微米厚的氧化铝(Al 2 O 3)层。虽然氧化铝不是一种特别有效的热导体(ECO工艺生成的氧化铝约为7.3 W / mK),但层的厚度意味着热量在撞击铝基之前具有极短的行程。

ECO转换的一个有趣的副作用是氧化铝层原子结合到铝基上。这对两种材料之间的界面电阻有重大影响,有助于降低堆叠的整体热阻。坚固性也令人印象深刻,并且不可能将纳米陶瓷从其形成的铝上机械切割下来。

这种具有较高导热率的非常薄的电介质层(与铝基体原子结合)的组合给出了一种含有层压铜的纳米陶瓷的MCPCB,具有约115W / mK的优异总体热导率(铜布线迹线连接到纳米陶瓷具有3-5μm的环氧层)。这使得该产品非常适合CSP应用的需求。

结论

随着设计师不断探索CSP LED的可能性,他们经常发现他们的设计不符合标准MCPCB技术的功能。这种热限制正在成为创新的障碍,需要一种新技术来弥补传统MCPCB和昂贵的氮化铝陶瓷之间的差距。纳米陶瓷是一种能够填补这个空白的材料。通过提供针对CSP LED的热点光通量要求以及嵌入式可制造性的热性能,采用纳米陶瓷介质的MCPCB填补了传统MCPCB与陶瓷之间的空白,使CSP LED设计师能够突破极限 - 创建更小,更明亮,更具成本效益的光源。

来源:led-professional



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