芯片級封裝(CSP)LED技術并不新鮮，這一技術在電視背光已經(jīng)使用了一段時間，但它對于照明應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領域，因為它們更小，通常沒有任何ESD保護，具有不同的光分布，以及具有較小的散熱面積。這最后一點則要求重新思考模塊的傳統(tǒng)熱設計。Cambridge Nanotherm應用工程師Giles Humpston博士在本文將詳細解釋為什么CSP LED為模塊設計人員提出了重大的散熱挑戰(zhàn)，并概述了計算保持CSP LED所需的熱流的一些基本原理。

從銅盤的熱點源向外擴散的熱量

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用。在這些應用中，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)，同時現(xiàn)已有額定值高達3瓦的器件，這將會在使用中產生問題。

“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)。為了實現(xiàn)這一點，LED廠商盡可能多地剝離了多余的元素：采用標準的大功率封裝LED，并拆除陶瓷基板和引線鍵合，直接對P和N觸點進行金屬化焊接，同時采用熒光粉涂覆，這樣你就擁有了一個CSP LED。這種方法對于LED制造商而言是極好的，因為它降低了材料和制造成本。它還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技術并非沒有難度。小尺寸可能會對拾取和放置機器產生處理問題;沒有透鏡意味著需要仔細考慮光束管理;但最直接的是向更高功率的CSP進行轉變時所帶來的熱挑戰(zhàn)。

CSP設計是將P和N觸點直接金屬化焊接到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的熱傳遞將成為強烈的熱源。熱管理的挑戰(zhàn)已經(jīng)從“一級”(LED封裝級)轉為“二級”(模塊級)。這意味著模塊和燈具設計人員必須非常小心，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，讓我們以一個引線焊接LED為例，它附著在由氮化鋁制成的標準“一級”基板上，尺寸為1x1mm，同時側面測量為3.5mm，厚度為0.635mm。在這種情況下，熱源是1平方毫米，假設氮化鋁的熱導率是各向同性的，這個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。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，焊盤必須小于這個數(shù)值，那么每個器件的尺寸可能只有0.3x0.8 mm。這使得能夠產生熱傳輸?shù)某跏济娣e減少了大約一半，因此熱量到達基板的冷側時只能產生較少的擴散。這相當于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是很可能導致LED的壽命縮短、光線質量差、顏色波偏移，最終導致災難性的故障。

對于CSP LED來說，在沒有基座的情況下，只有使用MCPCB才能有效地傳導熱量，從而使得LED結溫保持在制造商的建議范圍內。隨著CSP LED尺寸縮小，額定功率提高，模塊設計師將越來越多的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問題的難度，有必要從最根本說起。

圖1：一個描述了將熱量從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)生的擴散，有效地降低了路徑的熱阻。

圖2：銅盤中熱點源帶來的輻射熱擴散，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遠的距離上橫向擴散熱量。當襯底是總熱導率超過150W / mK的高性能MCPCB時，預期熱流與圖1十分相似。

計算注意事項

在計算CSP設計中的熱流時，軸向傳導的主要因素是重要的：首先，值得考慮的是，在大多數(shù)CSP LED板的設計中，軸向導熱率比橫向導熱率發(fā)揮更重要的作用。在這種情況下，軸向導熱率是Z軸，即通過MCPCB的厚度，而橫向或徑向導熱率則處于x / y軸間的平面內，并且主要發(fā)生在MCPCB的銅布線中。

為了說明這一點，我們假設一個標準的CSP LED焊接到一個大約50μm厚和直徑為35mm的銅電路層上，然后依次放在一個電介質上，隨后添加一個鋁制散熱器。根據(jù)電路板的等級，電介質的熱導率通常約為3-10W / mK，同時電介質厚度在10至50μm之間。這意味著軸向熱阻應在0.16-0.01℃?㎝²/ W之間。也就是說，對于側面為10mm的電介質板，每瓦熱量不會立即通過，而將導致兩個面之間出現(xiàn)計算溫差(0.16-0.01℃)。

下一步是檢查銅盤的徑向熱阻。銅是一種優(yōu)秀的導熱體，熱導率約為400 W / mK。但只有50μm厚，相當于人頭發(fā)的一半，它能沿長度輸送熱量的能力受到嚴重限制。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，所以當銅盤被附著到具有非常低熱阻的電介質層時，大部分的熱將迅速地通過電介質消失，并且不會達到銅的邊緣。

這些都通過擴展從前的模擬來進行展示，包括覆蓋整個面積為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)生的熱擴散，但其范圍僅限于散熱片的面積增加了15%。

在實踐CSP LED的最佳冷卻方案時，有必要讓軸向和徑向電導率保持平衡。如果銅的面積太少，則會過于依賴軸向導通，熱阻也會因此上升。這意味著CSP LED的緊密封裝可能導致陣列區(qū)域的熱失衡。相反，如果使銅面積過大收益也不大，因為銅面內的熱阻較高，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擴散熱量，從而降低通量密度，并且通過使用具有中等熱阻的電介質傳導，能夠達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高功率CSP LED。使用最好的MCPCB產品時，增加銅的厚度不會改變銅的最佳導熱面積(直徑約3.5毫米)，因為相對于電介質Z軸的熱導率，質量較好的MCPCB上105μm(3盎司)厚的銅平面內的熱傳導率仍然較低。但同時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。通常它包括一堆復雜的材料，如LED封裝、焊點、電路板、熱界面材料、散熱器等等。每一種結構都有完全不同的尺寸、熱導率和比熱容，各層之間具有不同的界面電阻。其中，界面電阻通常是最關鍵的，也是最難建模的一個。單個界面的熱阻可以使結構中其他材料的熱性能降低，并且影響到整個性能的計算結果。最好的技術解決方案是盡量減少板中元件間的界面電阻，而實現(xiàn)這一目的的最可靠方法是從結構中消除。涂層和其他層狀結構特別容易受到高界面電阻的影響，并且這種可能性隨著時間的推移會發(fā)生變化。雖然均質材料是最好的，但它需要通過組合不同材料來實現(xiàn)，最堅固和可靠的方法是讓材料之間實現(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進行高軸向熱傳導是CSP設計成功的關鍵。當軸向熱傳導高時，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產生的點熱通量，需要采用與MCPCB本身導熱方案不同的方法。

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)——介質層的厚度。熱阻是材料厚度除以材料的熱導率。熱導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應用，但太貴了。介質不能太薄，它需要維持可接受的電氣隔離，保證MCPCB符合相關規(guī)定。介質層也必須足夠堅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合材料的熱導率。

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

用于CSP LED的MCPCB的替代解決方案

幾乎所有MCPCB在其結構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，有時為銅)制成，用于布線。該銅片通過填充帶有導熱陶瓷顆粒的環(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，會讓電介質層變脆，導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)的主動服務的產品來說不太好。

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

通過同時采用陶瓷和金屬PCB的最佳元件，納米陶瓷利用軸向導電的優(yōu)先性和低界面電阻達到最佳的導熱效果。

如何將納米陶瓷作為MCPCB的解決方案

獲得專利的電化學氧化(ECO)工藝將鋁片的表面轉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熱體(由ECO工藝生產的氧化鋁為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轉化的一個有趣的副作用，是導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。其堅固性也令人印象深刻，不可能將納米陶瓷機械地從其形成的鋁切割出來。

這種具有極高導熱性、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)。這使得該產品非常適合CSP應用的需求。

結語

隨著設計人員繼續(xù)探索CSP LED的可行性，他們總能發(fā)現(xiàn)其設計超出了標準MCPCB技術的功能。這種熱限制正在為創(chuàng)新提供障礙，需要一種新技術來填補傳統(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這個缺口的一種材料。通過滿足適用于CSP LED強點通量的需求，以及降低可制造性的熱性能，具有納米陶瓷電介質的MCPCB彌合了傳統(tǒng)MCPCB和陶瓷之間的差距，使CSP LED設計人員能夠推動極限——創(chuàng)造更小，更明亮和更具成本效益的光源。