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芯片級封裝(CSP)LED技術(shù)并不新鮮，這一技術(shù)在電視背光已經(jīng)使用了一段時(shí)間，但它對于照明應(yīng)用來說相對比較新穎。CSP對于照明模塊制造商來說，在許多方面是新的技術(shù)領(lǐng)域，因?yàn)樗鼈兏。ǔ]有任何ESD保護(hù)，具有不同的光分布，以及具有較小的散熱面積。這最后一點(diǎn)則要求重新思考模塊的傳統(tǒng)熱設(shè)計(jì)。Cambridge Nanotherm應(yīng)用工程師Giles Humpston博士在本文將詳細(xì)解釋為什么CSP LED為模塊設(shè)計(jì)人員提出了重大的散熱挑戰(zhàn)，并概述了計(jì)算保持CSP LED所需的熱流的一些基本原理。

從銅盤的熱點(diǎn)源向外擴(kuò)散的熱量

CSP LED是倒裝LED芯片的最新典型體現(xiàn)，它源自于電視背光應(yīng)用。在這些應(yīng)用中，使用低功率和中功率的LED沒有任何問題。隨著市場對于通用照明需求的不斷變化，CSP的功率評級正在提高。通用照明的CSP屬于“大功率”類別(超過1 W)，同時(shí)現(xiàn)已有額定值高達(dá)3瓦的器件，這將會在使用中產(chǎn)生問題。

“芯片級封裝”一詞指的是封裝的尺寸不超過芯片的20%(下一步是晶片級封裝，它的封裝尺寸與芯片尺寸相同)。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，LED廠商盡可能多地剝離了多余的元素：采用標(biāo)準(zhǔn)的大功率封裝LED，并拆除陶瓷基板和引線鍵合，直接對P和N觸點(diǎn)進(jìn)行金屬化焊接，同時(shí)采用熒光粉涂覆，這樣你就擁有了一個(gè)CSP LED。這種方法對于LED制造商而言是極好的，因?yàn)樗档土瞬牧虾椭圃斐杀尽Ｋ€將制造出封裝尺寸非常小(通常為1x1 mm)的LED，能夠緊密地封裝在PCB模塊上，有助于創(chuàng)建更小、更亮、更便宜的燈具。

為什么CSP的散熱挑戰(zhàn)如此艱巨?

然而，CSP技術(shù)并非沒有難度。小尺寸可能會對拾取和放置機(jī)器產(chǎn)生處理問題;沒有透鏡意味著需要仔細(xì)考慮光束管理;但最直接的是向更高功率的CSP進(jìn)行轉(zhuǎn)變時(shí)所帶來的熱挑戰(zhàn)。

CSP設(shè)計(jì)是將P和N觸點(diǎn)直接金屬化焊接到PCB上。這就降低了LED管芯和PCB之間的熱阻，一方面這是一個(gè)很好的事情。然而，在傳統(tǒng)封裝的LED中，去除了作為LED管芯和線路板之間散熱器的陶瓷基板，就意味著從管芯到PCB的熱傳遞將成為強(qiáng)烈的熱源。熱管理的挑戰(zhàn)已經(jīng)從“一級”(LED封裝級)轉(zhuǎn)為“二級”(模塊級)。這意味著模塊和燈具設(shè)計(jì)人員必須非常小心，才能確保CSP LED具有足夠的散熱。為了滿足這些要求，需要使用帶有鋁或銅基板的金屬基印刷電路板(MCPCB)。

為了說明這一點(diǎn)，讓我們以一個(gè)引線焊接LED為例，它附著在由氮化鋁制成的標(biāo)準(zhǔn)“一級”基板上，尺寸為1x1mm，同時(shí)側(cè)面測量為3.5mm，厚度為0.635mm。在這種情況下，熱源是1平方毫米，假設(shè)氮化鋁的熱導(dǎo)率是各向同性的，這個(gè)簡單的熱模型顯示熱量將傳播到大約5平方毫米的范圍內(nèi)。顯然，即便如此，大部分熱量仍然集中在中心區(qū)域，該基板的作用是讓熱量到達(dá)模塊MCPCB之前大大降低熱流密度。反之，使用CSP LED也是如此。又及，使用1x1 mm器件時(shí)，焊盤必須小于這個(gè)數(shù)值，那么每個(gè)器件的尺寸可能只有0.3x0.8 mm。這使得能夠產(chǎn)生熱傳輸?shù)某跏济娣e減少了大約一半，因此熱量到達(dá)基板的冷側(cè)時(shí)只能產(chǎn)生較少的擴(kuò)散。這相當(dāng)于CSP LED的冷卻能力比起通過引線鍵合到基板上的LED要差上2倍。

不能有效地去除這種熱量的代價(jià)是很可能導(dǎo)致LED的壽命縮短、光線質(zhì)量差、顏色波偏移，最終導(dǎo)致災(zāi)難性的故障。

對于CSP LED來說，在沒有基座的情況下，只有使用MCPCB才能有效地傳導(dǎo)熱量，從而使得LED結(jié)溫保持在制造商的建議范圍內(nèi)。隨著CSP LED尺寸縮小，額定功率提高，模塊設(shè)計(jì)師將越來越多的CSP包裝到更密集的陣列中，這一挑戰(zhàn)變得更加困難——MCPCB現(xiàn)在真的需要做到物盡其值。

為了更好地了解這個(gè)問題的難度，有必要從最根本說起。

圖1：一個(gè)描述了將熱量從1x1mm CSP LED透過0.635mm AlN基板(170W / mK)散發(fā)到散熱器的熱通量模型，闡釋了其中發(fā)生的擴(kuò)散，有效地降低了路徑的熱阻。

圖2：銅盤中熱點(diǎn)源帶來的輻射熱擴(kuò)散，其尺寸大小表示在MCPCB上銅跡線的大量銅面積

圖3：MCPCB上CSP LED的簡化模擬，說明60um銅布線不能在任何相當(dāng)遠(yuǎn)的距離上橫向擴(kuò)散熱量。當(dāng)襯底是總熱導(dǎo)率超過150W / mK的高性能MCPCB時(shí)，預(yù)期熱流與圖1十分相似。

計(jì)算注意事項(xiàng)

在計(jì)算CSP設(shè)計(jì)中的熱流時(shí)，軸向傳導(dǎo)的主要因素是重要的：首先，值得考慮的是，在大多數(shù)CSP LED板的設(shè)計(jì)中，軸向?qū)崧时葯M向?qū)崧拾l(fā)揮更重要的作用。在這種情況下，軸向?qū)崧适荶軸，即通過MCPCB的厚度，而橫向或徑向?qū)崧蕜t處于x / y軸間的平面內(nèi)，并且主要發(fā)生在MCPCB的銅布線中。

為了說明這一點(diǎn)，我們假設(shè)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的CSP LED焊接到一個(gè)大約50μm厚和直徑為35mm的銅電路層上，然后依次放在一個(gè)電介質(zhì)上，隨后添加一個(gè)鋁制散熱器。根據(jù)電路板的等級，電介質(zhì)的熱導(dǎo)率通常約為3-10W / mK，同時(shí)電介質(zhì)厚度在10至50μm之間。這意味著軸向熱阻應(yīng)在0.16-0.01℃?㎝²/ W之間。也就是說，對于側(cè)面為10mm的電介質(zhì)板，每瓦熱量不會立即通過，而將導(dǎo)致兩個(gè)面之間出現(xiàn)計(jì)算溫差(0.16-0.01℃)。

下一步是檢查銅盤的徑向熱阻。銅是一種優(yōu)秀的導(dǎo)熱體，熱導(dǎo)率約為400 W / mK。但只有50μm厚，相當(dāng)于人頭發(fā)的一半，它能沿長度輸送熱量的能力受到嚴(yán)重限制。而取用長1mm寬、 50μm厚、5mm長的銅棒，其熱阻端對端超過250℃/ W。這顯然與軸向熱阻形成巨大的對比，所以當(dāng)銅盤被附著到具有非常低熱阻的電介質(zhì)層時(shí)，大部分的熱將迅速地通過電介質(zhì)消失，并且不會達(dá)到銅的邊緣。

這些都通過擴(kuò)展從前的模擬來進(jìn)行展示，包括覆蓋整個(gè)面積為3.5×3.5mm、厚度為35μm的銅層，但是保持了被加熱的CSP LED的尺寸相同。該模型顯示了一些在銅中發(fā)生的熱擴(kuò)散，但其范圍僅限于散熱片的面積增加了15%。

在實(shí)踐CSP LED的最佳冷卻方案時(shí)，有必要讓軸向和徑向電導(dǎo)率保持平衡。如果銅的面積太少，則會過于依賴軸向?qū)?，熱阻也會因此上升。這意味著CSP LED的緊密封裝可能導(dǎo)致陣列區(qū)域的熱失衡。相反，如果使銅面積過大收益也不大，因?yàn)殂~面內(nèi)的熱阻較高，將阻礙有效散熱。

通常，假定在MCPCB上覆蓋一層厚厚的銅層能夠有效地?cái)U(kuò)散熱量，從而降低通量密度，并且通過使用具有中等熱阻的電介質(zhì)傳導(dǎo)，能夠達(dá)到輕易消除熱量的目的。盡管這在某種程度上是真的，但是只有最好的MCPCB具有足夠低的熱阻以適應(yīng)高功率CSP LED。使用最好的MCPCB產(chǎn)品時(shí)，增加銅的厚度不會改變銅的最佳導(dǎo)熱面積(直徑約3.5毫米)，因?yàn)橄鄬τ陔娊橘|(zhì)Z軸的熱導(dǎo)率，質(zhì)量較好的MCPCB上105μm(3盎司)厚的銅平面內(nèi)的熱傳導(dǎo)率仍然較低。但同時(shí)還存在這樣的限制條件：CSP LED下面的銅軌跡需要具有大約200um的間隙，并且隨著銅的厚度增加而變得越來越困難。

在任何LED架構(gòu)的熱分析中，都必須記住LED和散熱片之間的熱路徑不是均勻材料的固體塊。通常它包括一堆復(fù)雜的材料，如LED封裝、焊點(diǎn)、電路板、熱界面材料、散熱器等等。每一種結(jié)構(gòu)都有完全不同的尺寸、熱導(dǎo)率和比熱容，各層之間具有不同的界面電阻。其中，界面電阻通常是最關(guān)鍵的，也是最難建模的一個(gè)。單個(gè)界面的熱阻可以使結(jié)構(gòu)中其他材料的熱性能降低，并且影響到整個(gè)性能的計(jì)算結(jié)果。最好的技術(shù)解決方案是盡量減少板中元件間的界面電阻，而實(shí)現(xiàn)這一目的的最可靠方法是從結(jié)構(gòu)中消除。涂層和其他層狀結(jié)構(gòu)特別容易受到高界面電阻的影響，并且這種可能性隨著時(shí)間的推移會發(fā)生變化。雖然均質(zhì)材料是最好的，但它需要通過組合不同材料來實(shí)現(xiàn)，最堅(jiān)固和可靠的方法是讓材料之間實(shí)現(xiàn)原子水平上粘合。只有在有限范圍的涂層和沉積工序這個(gè)前提下才起作用。

用于CSP LED的MCPCB解決方案的理想配置組合

因此，要重申，通過MCPCB進(jìn)行高軸向熱傳導(dǎo)是CSP設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。當(dāng)軸向熱傳導(dǎo)高時(shí)，它消除了通常使用厚銅布線所發(fā)現(xiàn)的散熱效果。為了有效地管理CSP產(chǎn)生的點(diǎn)熱通量，需要采用與MCPCB本身導(dǎo)熱方案不同的方法。

基于上述軸向優(yōu)先級的觀察，我們知道MCPCB需要減少其最薄弱的環(huán)節(jié)——介質(zhì)層的厚度。熱阻是材料厚度除以材料的熱導(dǎo)率。熱導(dǎo)率是介電材料固有的，所以唯一的變量是材料的厚度。鉆石能夠完美適用于這個(gè)應(yīng)用，但太貴了。介質(zhì)不能太薄，它需要維持可接受的電氣隔離，保證MCPCB符合相關(guān)規(guī)定。介質(zhì)層也必須足夠堅(jiān)固從而承受制造工藝，并且足夠耐用支撐持續(xù)使用。最后，MCPCB堆棧需要減少各種材料之間的界面電阻，以最大限度地提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。

圖4：由圖表可知，使用一個(gè)具有足夠低熱阻的MCPCB來適應(yīng)CSP LED，銅重量對性能影響可以忽略不計(jì)

用于CSP LED的MCPCB的替代解決方案

幾乎所有MCPCB在其結(jié)構(gòu)方面都采用相同的基本格式：它們由覆蓋有薄(30+μm)銅層的金屬片(通常為鋁，有時(shí)為銅)制成，用于布線。該銅片通過填充帶有導(dǎo)熱陶瓷顆粒的環(huán)氧樹脂的介電層附著(并且與金屬基底電隔離)，以增加熱性能。然而，可以添加多少導(dǎo)熱陶瓷有著一定的上限。使用陶瓷過載的環(huán)氧樹脂，會讓電介質(zhì)層變脆，導(dǎo)致金屬基片和銅跡線的粘附性會很差。這對于需要足夠穩(wěn)定耐用幾十年(50,000小時(shí))的主動服務(wù)的產(chǎn)品來說不太好。

雖然這些導(dǎo)熱介質(zhì)總是有新的發(fā)展，但性能和耐久性之間始終存在權(quán)衡。目前，這將MCPCB對復(fù)合材料的熱導(dǎo)率限制到遠(yuǎn)低于100 W / mK。這種熱性能是大多數(shù)LED模塊設(shè)計(jì)完全可以接受的，但當(dāng)涉及到CSP模塊，特別是功率密集型設(shè)計(jì)時(shí)，它們根本不提供所需的性能。到目前為止，當(dāng)MCPCB的熱性能低于要求時(shí)，制造商只有一種可供選擇的方法，即轉(zhuǎn)移到諸如氮化鋁的全陶瓷基板;一種具有極高的導(dǎo)熱性和標(biāo)價(jià)極高的材料。

通過同時(shí)采用陶瓷和金屬PCB的最佳元件，納米陶瓷利用軸向?qū)щ姷膬?yōu)先性和低界面電阻達(dá)到最佳的導(dǎo)熱效果。

如何將納米陶瓷作為MCPCB的解決方案

獲得專利的電化學(xué)氧化(ECO)工藝將鋁片的表面轉(zhuǎn)化成幾十微米厚的氧化鋁(Al2O?)層。雖然氧化鋁不是特別有效的導(dǎo)熱體(由ECO工藝生產(chǎn)的氧化鋁為7.3W / mK左右)，但是層的薄度意味著熱量在沖擊鋁基之前具有極短的距離。

ECO轉(zhuǎn)化的一個(gè)有趣的副作用，是導(dǎo)致氧化鋁層與鋁基原子鍵合。這對兩種材料之間的界面電阻有很大的影響，有助于降低堆棧的整體熱阻。其堅(jiān)固性也令人印象深刻，不可能將納米陶瓷機(jī)械地從其形成的鋁切割出來。

這種具有極高導(dǎo)熱性、非常薄的介電層與鋁基原子鍵合的組合，造就了含有層壓銅以及納米陶瓷的MCPCB，其特征在于總體熱導(dǎo)率為115W / mK(銅跡線用3-5μm環(huán)氧樹脂層附著在納米陶瓷上)。這使得該產(chǎn)品非常適合CSP應(yīng)用的需求。

結(jié)語

隨著設(shè)計(jì)人員繼續(xù)探索CSP LED的可行性，他們總能發(fā)現(xiàn)其設(shè)計(jì)超出了標(biāo)準(zhǔn)MCPCB技術(shù)的功能。這種熱限制正在為創(chuàng)新提供障礙，需要一種新技術(shù)來填補(bǔ)傳統(tǒng)MCPCB和昂貴的氮化鋁陶瓷之間的差距。納米陶瓷是能夠填補(bǔ)這個(gè)缺口的一種材料。通過滿足適用于CSP LED強(qiáng)點(diǎn)通量的需求，以及降低可制造性的熱性能，具有納米陶瓷電介質(zhì)的MCPCB彌合了傳統(tǒng)MCPCB和陶瓷之間的差距，使CSP LED設(shè)計(jì)人員能夠推動極限——創(chuàng)造更小，更明亮和更具成本效益的光源。