Поиск лучшего теплового решения для дизайна модулей CSP

Светодиодная технология Chip Scale Package (CSP) не нова, но пока она используется в приложениях для подсветки ТВ, она относительно нова для задач освещения. Во многих отношениях CSP - это новый мир для производителей освещения, поскольку они меньше, обычно не имеют защиты от ESD, имеют различное распределение света и, что не менее важно, имеют меньшую площадь рассеивания тепла. Последнее требует пересмотра традиционного теплового дизайна модулей. Д-р Джайлс Хумпстон (Dr. Giles Humpston), инженер-программист в Cambridge Nanotherm, подробно объясняет, почему светодиоды CSP представляют собой серьезную проблему для дизайнеров модулей, и излагает некоторые основы расчета теплового потока, требуемого для охлаждения светодиодов CSP.

Поиск лучшего теплового решения для дизайна модулей CSP

Поиск лучшего теплового решения для дизайна модулей CSP

Радиальное тепло, распространяющееся от точечного источника тепла на медном диске

 

Светодиоды CSP, последнее воплощение светодиодов с флип-чипом, начали свою жизнь в качестве фоновой подсветки экранов телевизоров. Для этой задачи светодиоды низкой и средней мощности использовались без каких-либо проблем. Поскольку рынок неумолимо продвигается к общему освещению, рейтинг мощности CSP растет. CSP для общего освещения попадают в категорию «большой мощности» (более 1 Вт), а с доступными в настоящее время устройствами мощностью до 3 Вт это вызывает проблемы.

 

Термин «пакет размером с чип» (chip scale package, CSP) определяется пакетом, не превышающим на 20% сам чип. Для этого производители светодиодов снимают как можно больше лишних элементов. Возьмите стандартный высокомощный упакованный светодиод и снимите керамическую подложку и проволочные связи, непосредственно металлизируйте контакты P и N и покрывайте люминофором, и получите светодиод CSP. Этот метод отлично подходит для производителей светодиодов, поскольку он снижает как материальные, так и производственные затраты. Это также приводит к очень маленькому (часто 1x1 мм) упакованному светодиоду, который может быть плотно установлен на модули печатных плат, помогая создавать меньшие, яркие и более дешевые светильники.

    

В результате этих преимуществ рынок CSP испытывает устойчивый рост. По оценкам аналитика Yole Développement, к 2020 году CSP будет составлять 34% мощного светодиодного рынка.

 


Почему CSP создают такую задачу в термо-менеджменте 


Однако CSP не без проблем. Небольшие размеры могут представлять проблемы для автоматизированной сборки машинами. Отсутствие линз означает, что необходимо уделять особое внимание управлению пучком света. Но самым важным является термальный вызов, связанный со стремлением к использованию все более мощных CSP.

 

CSP предназначены для пайки непосредственно на печатную плату с использованием металлизированных контактов P и N. Это уменьшает тепловое сопротивление между светодиодной матрицей и печатной платой, что, с одной стороны, является позитивным фактором. Однако отсутствие керамической подложки, которая действует как рассеиватель тепла между матрицей и платой в традиционном упакованном светодиоде, означает передачу тепла от матрицы к печатной плате аналогично точечному источнику тепла. Термо-менеджмент, фактически, был перенесен с «уровня один» (уровень упаковки светодиодной матрицы) на «Уровень два» (уровень модуля). Это означает, что дизайнеры модулей и светильников должны быть предельно осторожны, чтобы гарантировать, что светодиоды CSP получат достаточное охлаждение. Для удовлетворения этих требований используются металлические кожухи (MCPCB) с алюминиевой или медной основой.

 

Чтобы проиллюстрировать это, рассмотрим пример светодиода с проводами, который имеет размеры 1 × 1 мм, со стандартным «Уровень один» монтажом на подложке, выполненной из нитрида алюминия и размером 3,5 мм по стороне и толщиной 0,635 мм. В этом случае источник тепла составляет 1 мм2, и при условии, что теплопроводность нитрида алюминия изотропна, простая тепловая модель показывает, что тепло распространяется на площадь около 5 мм2. Очевидно, что большая часть тепла остается сосредоточенной в центральной области, но, тем не менее, эффект применения подложки заключается в значительном уменьшении плотности теплового потока до того, как он достигнет модуля MCPCB. Со светодиодом CSP применяется обратное. Так же, взяв устройство размером 1x1 мм, участки припоя должны быть меньше и могут быть размером 0,3x0,8 мм. Это уменьшает начальную площадь, доступную для транспортировки тепла, примерно наполовину, так что меньшая площадь означает больше времен для охлаждения. Это соответствует двукратной разнице в способности охлаждения между светодиодами CSP и светодиодом с проводниками на подложке.

    

Ценой невозможности эффективного отвода тепла может быть сокращение срока службы, плохое качество света, колебания цвета и, в конечном счете, катастрофический отказ светодиода.

   

При отсутствии подложки у светодиодов CSP, обязанностью отводить тепло передается плате MCPCB, чтобы поддерживать температуру светодиодного перехода в пределах рекомендованных производителем. Эта проблема становится еще сложнее, поскольку размеры светодиодов CSP уменьшаются, повышаются номинальные мощности, а разработчик модулей все больше и больше CSP устанавливают во все более массивные / крупные сборки – в таких условиях MCPCB приходится полностью отрабатывать свои деньги.

Чтобы лучше понять масштаб этой проблемы, нужно глубже разобрать этот момент.

Рисунок 1: Термическая модель теплового потока, выходящего из светодиода CSP 1x1 мм, через подложку AlN 0,635 мм (170 Вт / мК) к теплоотводу, что иллюстрирует рассеивание, которое происходит, эффективно уменьшая тепловое сопротивление


Рисунок 1: Термическая модель теплового потока, выходящего из светодиода CSP 1x1 мм, через подложку AlN 0,635 мм (170 Вт / мК) к теплоотводу, что иллюстрирует рассеивание, которое происходит, эффективно уменьшая тепловое сопротивление

 


Рисунок 2: Тепловой поток, распространяющегося от точечного источника тепла через медный диск, имеющее размеры медной области основного контакта на MCPCB


Рисунок 2: Тепловой поток, распространяющегося от точечного источника тепла через медный диск, имеющее размеры медной области основного контакта на MCPCB


 Рисунок 3: Упрощенная имитация светодиода CSP на MCPCB, показывающая, что медная основа 60 мкм не способна распределять тепло горизонтально на любое значительное расстоянии.


Рисунок 3: Упрощенная имитация светодиода CSP на MCPCB, показывающая, что медная основа 60 мкм не способна распределять тепло горизонтально на любое значительное расстоянии. Близкое сходство теплового потока с рисунком 1 следует ожидать, когда подложка представляет собой высокопроизводительный MCPCB, имеющий общую теплопроводность свыше 150 Вт / мК


Оценка расчетов


При расчете теплового потока в конструкциях CSP важна первичность осевой проводимости:

Во-первых, стоит учитывать, что в большинстве конструкций светодиодных плат CSP эффективность осевой теплопроводности имеет тенденцию играть более важную роль, чем эффективность боковой теплопроводности. В этом контексте осевая теплопроводность представляет собой ось z, то есть через толщину MCPCB, в то время как боковая или радиальная теплопроводность находится в плоскости по оси x / y и встречается преимущественно с медными соединениями MCPCB.

Чтобы проиллюстрировать это, рассмотрим стандартный светодиод CSP, припаянный к медному контурному слою толщиной около 50 мкм и диаметром 35 мм, который, в свою очередь, находится на диэлектрике, а затем на алюминиевом радиаторе. В зависимости от класса платы теплопроводность диэлектрика обычно будет составлять от около 3 до 10 Вт / мК и от 10 до 50 мкм. Это означает, что осевой тепловой импеданс будет находиться в пределах от 0,16 до 0,01 ° C ∙ см2 / Вт. То есть для плиты диэлектрика, имеющей 10 мм в толщину, каждый ватт теплового потока не пройдет мгновенно, а приведет к расчетной разности температур (0,16-0,01 ° С) между двумя гранями.

Следующий шаг - изучить радиальное тепловое сопротивление медного диска. Медь является отличным проводником тепла с теплопроводностью почти 400 Вт / мК. Но при толщине всего 50 мкм, которая составляет половину толщины человеческого волоса, его способность переносить тепло по своей длине строго ограничена. Принимая брусок из меди шириной 1 мм толщиной 50 мкм, длинной 5 мм, тепловое сопротивление от края до края превысит 250 °С / Вт. Ясно, что это много по сравнению с осевым термическим сопротивлением, поэтому, когда медный диск прикреплен к диэлектрическому слою с очень низким тепловым сопротивлением, большая часть тепла будет быстро исчезать через диэлектрик и далее через радиатор, при этом ничего не дойдет до края медной области.

Это демонстрируется путем расширения предыдущего моделирования с включением слоя меди толщиной 35 мкм, охватывающего всю площадь 3,5 × 3,5 мм, но при этом горячий светодиод CSP имеет те же размеры. Модель демонстрирует некоторое распространение тепла в меди, но степень ограничена 15% -ным увеличением площади в радиаторе.

На практике для оптимального охлаждения светодиодов CSP необходимо сбалансировать осевую и радиальную проводимость. Если медная область чрезмерно уменьшена, слишком много приходится на осевую проводимость, поэтому тепловое сопротивление поднимается. Это означает, что плотная упаковка светодиодов CSP может привести к тепловому дисбалансу по площади массива. И наоборот, чрезмерное увеличение площади меди очень мало меняет ситуацию, поскольку из-за высокой термостойкости в горизонтальной плоскости, препятствующей распространению тепла на какое-либо значительное расстояние.

Часто предполагается, что определение толстого слоя меди на MCPCB будет распространять тепло по всему периметру, уменьшая плотность потока и позволяя легко удалять тепло через диэлектрик со средним термическим сопротивлением. Хотя это верно в определенной степени, только самые лучшие MCPCB имеют достаточно низкое тепловое сопротивление для размещения светодиодов CSP высокой мощности. Благодаря этим продуктам увеличение толщины меди не меняет оптимальную площадь меди (диаметром около 3,5 мм), поскольку теплопроводность в плоскости даже около 105 мкм (3 унции) толщины плоскости меди при достойном уровне качества MCPCB мало по сравнению с проводимостью диэлектрика по оси z. Существует также ограничение того, что медные дорожки под светодиодом CSP должны иметь зазор около 200 мкм, а это становится обеспечить все труднее, поскольку толщина меди увеличивается.

При любом тепловом анализе светодиодных структур следует помнить, что тепловой путь между светодиодом и радиатором не является сплошным куском однородного материала. Обычно он содержит сложный набор материалов, таких как упаковка светодиода, паяное соединение, монтажная плата, материал с тепловым интерфейсом, разбрасыватель тепла и многое другое. Каждая из этих структур будет иметь радикально разные размеры, теплопроводность и удельную теплоемкость, с различными сопротивлениями соединяющихся частей между всеми различными слоями. Из них сопротивление соединений часто является самым критичным и одним из самых сложных для моделирования. Тепловое сопротивление одного соединения может заглушить термические свойства других материалов в структуре, что заставит выкинуть расчеты производительности на ветер. Лучшие технические решения направлены на то, чтобы минимизировать сопротивление соединений между элементами на плате, наиболее гарантированным способом этого является их устранение из структуры. Покрытия и другие слоистые конструкции особенно уязвимы для высокого сопротивления соединений и возможности его изменения со временем. В то время как гомогенные материалы лучше всего тогда, когда требуется сборка из разных материалов, наиболее надежный и стабильный подход заключается в достижении сцепления на атомном уровне между материалами. Очень ограниченное число покрытий и диапазон процессов доступно для таких решений.


 

Об идеальном профиле решения MCPCB для светодиодов CSP



Таким образом, повторим, высокая осевая проводимость через MCPCB является ключом к успешному проектированию CSP. Когда осевая проводимость высока, это нивелирует преимущества распределения тепла, обычно обнаруживаемые при использовании толстой медной проводки. Для эффективного управления точечным тепловым потоком, генерируемым CSP, требуется другой подход к самому MCPCB.

Основываясь на наблюдениях осевых особенностей, изложенных выше, мы знаем, что MCPCB необходимо минимизировать толщину его самого слабого звена - диэлектрического слоя. Тепловое сопротивление - это толщина, деленная на теплопроводность. Теплопроводность является неотъемлемой частью материала, выбранного для диэлектрика, поэтому единственной доступной переменной является толщина. Алмаз идеально подходит для этой задачи, но слишком дорог. Диэлектрик не может быть слишком тонким, поскольку он должен поддерживать приемлемую электрическую изоляцию, чтобы гарантировать, что MCPCB соответствует соответствующим требованиям.

Диэлектрический слой также должен быть достаточно прочным, чтобы выдерживать производственный процесс и быть достаточно прочным для продолжения активного использования. И, наконец, MCPCB должен минимизировать сопротивление соединений между различными материалами, чтобы максимизировать композитную теплопроводность.

Рисунок 4: График, демонстрирующий, что для MCPCB с достаточно низким тепловым сопротивлением для размещения светодиодов CSP вес меди оказывает незначительное влияние на эффективность


Рисунок 4: График, демонстрирующий, что для MCPCB с достаточно низким тепловым сопротивлением для размещения светодиодов CSP вес меди оказывает незначительное влияние на эффективность



Альтернативные решения для MCPCB для светодиодов CSP



Почти все MCPCB следуют одному и тому же базовому формату с точки зрения их конструкции: они изготовлены из металлического листа (обычно из алюминия, иногда из меди), покрытого тонким (30+ мкм) слоем меди для электропроводки. Этот медный слой прикреплен (и электрически изолирован от металлического основания) диэлектрическим слоем эпоксидной смолы, заполненным частицами теплопроводной керамики, для увеличения тепловых характеристик. Однако существует верхний предел того, какая часть теплопроводящей керамики может быть добавлена. Перегрузка эпоксидной смолы керамической приводит к тому, что диэлектрический слой становится рыхлым, и адгезия к металлической подложке и медной проводке будет плохой. Не подходит для продукта, который должен быть достаточно прочным, чтобы обеспечить несколько десятилетий (50 000 часов) активной службы.

Хотя среди теплопроводящих диэлектриков всегда есть новые разработки, всегда существует компромисс между производительностью и долговечностью. В настоящее время это ограничивает производительность MCPCB по теплопроводности до 100 Вт / мК.

Эти тепловые характеристики вполне приемлемы для большинства конструкций светодиодных модулей, но когда речь идет о модулях CSP, особенно для мощных плотных конструкций, они просто не предлагают требуемой производительности. Исторически существует только один вариант, доступный производителям, когда тепловые характеристики MCPCB не соответствуют требованиям, и это переход на полностью керамическую подложку, такую, как нитрид алюминия; материал с исключительно высокой теплопроводностью и исключительно высокой ценой соответственно.

Имея лучшее от керамических и металлических печатных плат, нанокерамика обеспечивает осевую проводимость и низкую сопротивляемость на границах материала для оптимального эффекта.



Как работает Нанокерамика в качестве решения для MCPCB



Запатентованный процесс электрохимического окисления (ECO) превращает поверхность листа алюминия в слой оксида алюминия (Al2O3) толщиной всего в десятки микрон. Несмотря на то, что оксид алюминия не является особенно эффективным теплоносителем (около 7,3 Вт / мК для оксида алюминия, созданного процессом ECO), тонкость слоя означает, что тепло имеет чрезвычайно короткий маршрут, чтобы достичь алюминиевой основы.

Интересным побочным эффектом окисления ECO является то, что слой оксида алюминия атомарно связан с алюминиевым основанием. Это оказывает существенное влияние на сопротивление интерфейса между двумя материалами, что помогает снизить общее тепловое сопротивление стопки (сборок). Устойчивость также впечатляет и невозможно механически отщепить нанокерамику от алюминия, из которого он был сформирован.

Эта комбинация очень тонкого диэлектрического слоя с относительно высокой теплопроводностью, атомарно связанная с алюминиевым основанием, дает MCPCB, содержащий нанокерамику с ламинированной медью, исключительную общую теплопроводность около 115 Вт / мК (провод проводки меди прикреплен к нанокерамике с эпоксидным слоем 3-5 мкм). Это делает этот продукт идеально подходящим для требований приложений CSP.



Выводы



Поскольку дизайнеры продолжают изучать возможности светодиодов CSP, они регулярно находят, что их проекты находятся за пределами возможностей стандартной технологии MCPCB. Этот температурный предел создает препятствия на пути инноваций, и для преодоления разрыва между традиционными MCPCB и дорогой керамикой из нитрида алюминия требуется новая технология. Нанокерамика – пока единственный материал, способный заполнить эту нишу. Предлагая тепловые характеристики, адаптированные к требованиям интенсивного точечного потока светодиодов CSP, а также технологическую способность выпуска, MCPCB с нанокерамическими диэлектрическими мостиками разделяет промежуток между традиционными MCPCB и керамикой, что позволяет дизайнерам CSP LED отодвигать ограничения - создавая меньшие, более яркие и более экономичные источники света.