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芯片自身大小的20%的封裝技術(下一代技術為襯底級別封裝，其封裝大小與芯片相同)。為了達成這一目的，制造商盡可能的減少不必要的結構，比如采用標準高功率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Yole Développement 統計，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?

CSP封裝被設計成通過金屬化的P和N極直接焊接在印刷電路板(PCB)上。在某一方面來看的確是一件好事，這種設計減少了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板從而變成了強烈的點熱源。這時，對于CSP的散熱挑戰從“一級(LED基底層面)”轉變成了“二級(整個模塊層面)”。

針對于這種情況，模塊的設計者開始使用金屬覆蓋印刷電路板(MCPCB)來應對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MCPCB和氮化鋁(AlN)陶瓷進行了一系列的熱輻射模擬試驗，由于CSP封裝的結構，熱通量僅僅通過面積很小的焊點傳遞，大部分熱量均集中在中心部位，這會導致使用壽命減少，光質量降低，甚至LED失效。

MCPCB的理想散熱模型

通常大多數的MCPCB的結構：金屬表面鍍上一層大約30微米的表面覆銅。同時，這個金屬表面還有一層含有導熱陶瓷顆粒的樹脂介質層覆蓋。但是過多的導熱陶瓷顆粒會影響整個MCPCB的性能和可靠性。

同時，對于導熱介質層，總是存在性能與可靠性之間的權衡。

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

但是由于介質層因為生產工藝的限制和使用壽命的考慮無法無限制的減少厚度，因此研究人員需要一種新的材料來解決這個問題。

納米陶瓷如何變成MCPCB的最佳方案?

研究人員發現一種電化學氧化過程(ECO)可以在鋁表面上生成一層幾十微米的氧化鋁陶瓷(Al2O3)，同時這種氧化鋁陶瓷擁有良好的強度和相對較低的熱傳導率(大約7.3 W/mK)。但是由于氧化膜在電化學氧化過程中自動與鋁原子鍵合，從而降低了兩種材料之間的熱阻，而且還擁有一定的結構強度。

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

結論

當設計者繼續探索尋找合適CSP封裝的材料時，往往發現他們的需求已經超過了現有技術。散熱問題導致納米陶瓷技術的催生，這種納米材料介質層能夠填補傳統MCPCB與AlN陶瓷的空隙。從而推動設計者推出更加小型化，清潔高效的光源。