CSP là gì?
Bao bì CSP (gói quy mô chip) đề cập đến một công nghệ đóng gói trong đó khối lượng của bao bì không vượt quá 20% kích thước của chính chip (công nghệ thế hệ tiếp theo là bao bì cấp chất nền và kích thước bao bì giống như chip). Để đạt được mục tiêu này, các nhà sản xuất LED giảm các cấu trúc không cần thiết càng nhiều càng tốt, chẳng hạn như sử dụng đèn LED công suất cao tiêu chuẩn, loại bỏ chất nền tản nhiệt gốm và dây kết nối, kim loại hóa các cực P và N, và bao phủ lớp huỳnh quang ngay phía trên đèn LED.
Theo thống kê của Yole Développement, bao bì CSP sẽ chiếm 34% thị trường LED công suất cao vào năm 2020.
Tại sao các gói CSP phải đối mặt với những thách thức tản nhiệt?
Gói CSP được thiết kế để hàn trực tiếp trên bảng mạch in (PCB) thông qua các cực P và N kim loại. Ở một khía cạnh nào đó, đó thực sự là một điều tốt. Thiết kế này làm giảm sức đề kháng nhiệt giữa chất nền LED và PCB.
Tuy nhiên, bởi vì gói CSP loại bỏ chất nền gốm như một tản nhiệt, điều này làm cho việc truyền nhiệt trực tiếp từ chất nền LED sang bảng PCB và do đó trở thành một nguồn nhiệt điểm mạnh. Tại thời điểm này, thử thách tản nhiệt cho CSP đã thay đổi từ "cấp một (mức chất nền LED)" sang "cấp độ hai (toàn bộ cấp mô-đun)".
Để đối phó với tình huống này, các nhà thiết kế mô-đun bắt đầu sử dụng bảng mạch in phủ kim loại (MCPCB) để đối phó với bao bì CSP.
Hình 1. Mô hình bức xạ nhiệt của ĐÈN LED CSP 1x1 mm trên chất nền gốm AlN 0,635 mm (170 W / mK)
Có thể thấy từ Hình 1 và 2 rằng các nhà nghiên cứu đã tiến hành một loạt các thử nghiệm mô phỏng bức xạ nhiệt trên gốm MCPCB và nhôm nitride (AlN). Do cấu trúc của gói CSP, thông lượng nhiệt chỉ được truyền qua các khớp hàn nhỏ. , hầu hết nhiệt tập trung ở phần trung tâm, điều này sẽ dẫn đến giảm tuổi thọ, giảm chất lượng ánh sáng và thậm chí là lỗi LED.
Mô hình tản nhiệt lý tưởng cho MCPCB
Thông thường cấu trúc của hầu hết các MCPCB: bề mặt kim loại được mạ một lớp đồng trên bề mặt khoảng 30 micron. Đồng thời, bề mặt kim loại được bao phủ bởi một lớp nhựa trung bình có chứa các hạt gốm dẫn nhiệt. Tuy nhiên, quá nhiều hạt gốm dẫn nhiệt sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất và độ tin cậy của toàn bộ MCPCB.
Đồng thời, đối với lớp trung bình dẫn nhiệt, luôn có sự đánh đổi giữa hiệu suất và độ tin cậy.
Theo phân tích của nhà nghiên cứu, để đạt được tản nhiệt tốt hơn, MCPCB cần giảm độ dày của lớp điện môi. Vì điện trở nhiệt (R) bằng với độ dày (L) chia cho độ dẫn nhiệt (k) (R = L / (kA)), và độ dẫn nhiệt chỉ được xác định bởi các tính chất của môi trường, độ dày là biến duy nhất.
Tuy nhiên, độ dày của lớp điện môi không thể giảm vô thời hạn do hạn chế quy trình sản xuất và cân nhắc tuổi thọ, vì vậy các nhà nghiên cứu cần một vật liệu mới để giải quyết vấn đề này.
Làm thế nào để gốm nano trở thành giải pháp tốt nhất cho MCPCB?
Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng một quá trình oxy hóa điện hóa (ECO) có thể tạo ra một lớp gốm alumina (Al2O3) hàng chục micron trên bề mặt nhôm. Đồng thời, gốm alumina này có độ bền tốt và độ dẫn nhiệt tương đối thấp (khoảng 7,3 W / mK). Tuy nhiên, vì màng oxit tự động liên kết với các nguyên tử nhôm trong quá trình oxy hóa điện hóa, điện trở giữa hai vật liệu bị giảm, và nó cũng có một sức mạnh cấu trúc nhất định.
Đồng thời, các nhà nghiên cứu đã kết hợp gốm nano với ốp đồng để độ dày tổng thể của cấu trúc composite này có tổng độ dẫn nhiệt cao (khoảng 115W / mK) ở mức rất thấp. Do đó, vật liệu này rất phù hợp với nhu cầu đóng gói CSP.
Cho hay
Khi các nhà thiết kế tiếp tục khám phá và tìm ra vật liệu đóng gói CSP phù hợp, họ thường thấy rằng nhu cầu của họ đã vượt quá công nghệ hiện có. Vấn đề tản nhiệt đã dẫn đến sự ra đời của công nghệ gốm nano. Lớp điện môi vật liệu nano này có thể lấp đầy khoảng cách giữa gốm sứ MCPCB truyền thống và AlN. Để thúc đẩy các nhà thiết kế giới thiệu các nguồn ánh sáng nhỏ gọn, sạch sẽ và hiệu quả hơn.
