芯片级封装(CSP)LED技术并不新鲜，这一技术在电视背光已经使用了一段时间，但它对于照明应用来说相对比较新颖。CSP对于照明模块制造商来说，在许多方面是新的技术领域，因为它们更小，通常没有任何ESD保护，具有不同的光分布，以及具有较小的散热面积。这最后一点则要求重新思考模块的传统热设计。Cambridge Nanotherm应用工程师Giles Humpston博士在本文将详细解释为什么CSP LED为模块设计人员提出了重大的散热挑战，并概述了计算保持CSP LED所需的热流的一些基本原理。
从铜盘的热点源向外扩散的热量
CSP LED是倒装LED芯片的最新典型体现，它源自于电视背光应用。在这些应用中，使用低功率和中功率的LED没有任何问题。随着市场对于通用照明需求的不断变化，CSP的功率评级正在提高。通用照明的CSP属于“大功率”类别(超过1 W)，同时现已有额定值高达3瓦的器件，这将会在使用中产生问题。
“芯片级封装”一词指的是封装的尺寸不超过芯片的20%(下一步是晶片级封装，它的封装尺寸与芯片尺寸相同)。为了实现这一点，LED厂商尽可能多地剥离了多余的元素：采用标准的大功率封装LED，并拆除陶瓷基板和引线键合，直接对P和N触点进行金属化焊接，同时采用荧光粉涂覆，这样你就拥有了一个CSP LED。这种方法对于LED制造商而言是极好的，因为它降低了材料和制造成本。它还将制造出封装尺寸非常小(通常为1x1 mm)的LED，能够紧密地封装在PCB模块上，有助于创建更小、更亮、更便宜的灯具。
为什么CSP的散热挑战如此艰巨?
然而，CSP技术并非没有难度。小尺寸可能会对拾取和放置机器产生处理问题;没有透镜意味着需要仔细考虑光束管理;但最直接的是向更高功率的CSP进行转变时所带来的热挑战。
CSP设计是将P和N触点直接金属化焊接到PCB上。这就降低了LED管芯和PCB之间的热阻，一方面这是一个很好的事情。然而，在传统封装的LED中，去除了作为LED管芯和线路板之间散热器的陶瓷基板，就意味着从管芯到PCB的热传递将成为强烈的热源。热管理的挑战已经从“一级”(LED封装级)转为“二级”(模块级)。这意味着模块和灯具设计人员必须非常小心，才能确保CSP LED具有足够的散热。为了满足这些要求，需要使用带有铝或铜基板的金属基印刷电路板(MCPCB)。
为了说明这一点，让我们以一个引线焊接LED为例，它附着在由氮化铝制成的标准“一级”基板上，尺寸为1x1mm，同时侧面测量为3.5mm，厚度为0.635mm。在这种情况下，热源是1平方毫米，假设氮化铝的热导率是各向同性的，这个简单的热模型显示热量将传播到大约5平方毫米的范围内。显然，即便如此，大部分热量仍然集中在中心区域，该基板的作用是让热量到达模块MCPCB之前大大降低热流密度。反之，使用CSP LED也是如此。又及，使用1x1 mm器件时，焊盘必须小于这个数值，那么每个器件的尺寸可能只有0.3x0.8 mm。这使得能够产生热传输的初始面积减少了大约一半，因此热量到达基板的冷侧时只能产生较少的扩散。这相当于CSP LED的冷却能力比起通过引线键合到基板上的LED要差上2倍。
不能有效地去除这种热量的代价是很可能导致LED的寿命缩短、光线质量差、颜色波偏移，最终导致灾难性的故障。
对于CSP LED来说，在没有基座的情况下，只有使用MCPCB才能有效地传导热量，从而使得LED结温保持在制造商的建议范围内。随着CSP LED尺寸缩小，额定功率提高，模块设计师将越来越多的CSP包装到更密集的阵列中，这一挑战变得更加困难——MCPCB现在真的需要做到物尽其值。
为了更好地了解这个问题的难度，有必要从最根本说起。
图1：一个描述了将热量从1x1mm CSP LED透过0.635mm AlN基板(170W / mK)散发到散热器的热通量模型，阐释了其中发生的扩散，有效地降低了路径的热阻。
图2：铜盘中热点源带来的辐射热扩散，其尺寸大小表示在MCPCB上铜迹线的大量铜面积
图3：MCPCB上CSP LED的简化模拟，说明60um铜布线不能在任何相当远的距离上横向扩散热量。当衬底是总热导率超过150W / mK的高性能MCPCB时，预期热流与图1十分相似。
计算注意事项
在计算CSP设计中的热流时，轴向传导的主要因素是重要的：首先，值得考虑的是，在大多数CSP LED板的设计中，轴向导热率比横向导热率发挥更重要的作用。在这种情况下，轴向导热率是Z轴，即通过MCPCB的厚度，而横向或径向导热率则处于x / y轴间的平面内，并且主要发生在MCPCB的铜布线中。
为了说明这一点，我们假设一个标准的CSP LED焊接到一个大约50μm厚和直径为35mm的铜电路层上，然后依次放在一个电介质上，随后添加一个铝制散热器。根据电路板的等级，电介质的热导率通常约为3-10W / mK，同时电介质厚度在10至50μm之间。这意味着轴向热阻应在0.16-0.01℃?㎝2/ W之间。也就是说，对于侧面为10mm的电介质板，每瓦热量不会立即通过，而将导致两个面之间出现计算温差(0.16-0.01℃)。
下一步是检查铜盘的径向热阻。铜是一种优秀的导热体，热导率约为400 W / mK。但只有50μm厚，相当于人头发的一半，它能沿长度输送热量的能力受到严重限制。而取用长1mm宽、 50μm厚、5mm长的铜棒，其热阻端对端超过250℃/ W。这显然与轴向热阻形成巨大的对比，所以当铜盘被附着到具有非常低热阻的电介质层时，大部分的热将迅速地通过电介质消失，并且不会达到铜的边缘。
这些都通过扩展从前的模拟来进行展示，包括覆盖整个面积为3.5×3.5mm、厚度为35μm的铜层，但是保持了被加热的CSP LED的尺寸相同。该模型显示了一些在铜中发生的热扩散，但其范围仅限于散热片的面积增加了15%。
在实践CSP LED的最佳冷却方案时，有必要让轴向和径向电导率保持平衡。如果铜的面积太少，则会过于依赖轴向导通，热阻也会因此上升。这意味着CSP LED的紧密封装可能导致阵列区域的热失衡。相反，如果使铜面积过大收益也不大，因为铜面内的热阻较高，将阻碍有效散热。
通常，假定在MCPCB上覆盖一层厚厚的铜层能够有效地扩散热量，从而降低通量密度，并且通过使用具有中等热阻的电介质传导，能够达到轻易消除热量的目的。尽管这在某种程度上是真的，但是只有最好的MCPCB具有足够低的热阻以适应高功率CSP LED。使用最好的MCPCB产品时，增加铜的厚度不会改变铜的最佳导热面积(直径约3.5毫米)，因为相对于电介质Z轴的热导率，质量较好的MCPCB上105μm(3盎司)厚的铜平面内的热传导率仍然较低。但同时还存在这样的限制条件：CSP LED下面的铜轨迹需要具有大约200um的间隙，并且随着铜的厚度增加而变得越来越困难。
在任何LED架构的热分析中，都必须记住LED和散热片之间的热路径不是均匀材料的固体块。通常它包括一堆复杂的材料，如LED封装、焊点、电路板、热界面材料、散热器等等。每一种结构都有完全不同的尺寸、热导率和比热容，各层之间具有不同的界面电阻。其中，界面电阻通常是最关键的，也是最难建模的一个。单个界面的热阻可以使结构中其他材料的热性能降低，并且影响到整个性能的计算结果。最好的技术解决方案是尽量减少板中元件间的界面电阻，而实现这一目的的最可靠方法是从结构中消除。涂层和其他层状结构特别容易受到高界面电阻的影响，并且这种可能性随着时间的推移会发生变化。虽然均质材料是最好的，但它需要通过组合不同材料来实现，最坚固和可靠的方法是让材料之间实现原子水平上粘合。只有在有限范围的涂层和沉积工序这个前提下才起作用。
用于CSP LED的MCPCB解决方案的理想配置组合
因此，要重申，通过MCPCB进行高轴向热传导是CSP设计成功的关键。当轴向热传导高时，它消除了通常使用厚铜布线所发现的散热效果。为了有效地管理CSP产生的点热通量，需要采用与MCPCB本身导热方案不同的方法。
基于上述轴向优先级的观察，我们知道MCPCB需要减少其最薄弱的环节——介质层的厚度。热阻是材料厚度除以材料的热导率。热导率是介电材料固有的，所以唯一的变量是材料的厚度。钻石能够完美适用于这个应用，但太贵了。介质不能太薄，它需要维持可接受的电气隔离，保证MCPCB符合相关规定。介质层也必须足够坚固从而承受制造工艺，并且足够耐用支撑持续使用。最后，MCPCB堆栈需要减少各种材料之间的界面电阻，以最大限度地提高复合材料的热导率。
图4：由图表可知，使用一个具有足够低热阻的MCPCB来适应CSP LED，铜重量对性能影响可以忽略不计
用于CSP LED的MCPCB的替代解决方案
几乎所有MCPCB在其结构方面都采用相同的基本格式：它们由覆盖有薄(30+μm)铜层的金属片(通常为铝，有时为铜)制成，用于布线。该铜片通过填充带有导热陶瓷颗粒的环氧树脂的介电层附着(并且与金属基底电隔离)，以增加热性能。然而，可以添加多少导热陶瓷有着一定的上限。使用陶瓷过载的环氧树脂，会让电介质层变脆，导致金属基片和铜迹线的粘附性会很差。这对于需要足够稳定耐用几十年(50,000小时)的主动服务的产品来说不太好。
虽然这些导热介质总是有新的发展，但性能和耐久性之间始终存在权衡。目前，这将MCPCB对复合材料的热导率限制到远低于100 W / mK。这种热性能是大多数LED模块设计完全可以接受的，但当涉及到CSP模块，特别是功率密集型设计时，它们根本不提供所需的性能。到目前为止，当MCPCB的热性能低于要求时，制造商只有一种可供选择的方法，即转移到诸如氮化铝的全陶瓷基板;一种具有极高的导热性和标价极高的材料。
通过同时采用陶瓷和金属PCB的最佳元件，纳米陶瓷利用轴向导电的优先性和低界面电阻达到最佳的导热效果。
如何将纳米陶瓷作为MCPCB的解决方案
获得专利的电化学氧化(ECO)工艺将铝片的表面转化成几十微米厚的氧化铝(Al2O?)层。虽然氧化铝不是特别有效的导热体(由ECO工艺生产的氧化铝为7.3W / mK左右)，但是层的薄度意味着热量在冲击铝基之前具有极短的距离。
ECO转化的一个有趣的副作用，是导致氧化铝层与铝基原子键合。这对两种材料之间的界面电阻有很大的影响，有助于降低堆栈的整体热阻。其坚固性也令人印象深刻，不可能将纳米陶瓷机械地从其形成的铝切割出来。
这种具有极高导热性、非常薄的介电层与铝基原子键合的组合，造就了含有层压铜以及纳米陶瓷的MCPCB，其特征在于总体热导率为115W / mK(铜迹线用3-5μm环氧树脂层附着在纳米陶瓷上)。这使得该产品非常适合CSP应用的需求。
结语
随着设计人员继续探索CSP LED的可行性，他们总能发现其设计超出了标准MCPCB技术的功能。这种热限制正在为创新提供障碍，需要一种新技术来填补传统MCPCB和昂贵的氮化铝陶瓷之间的差距。纳米陶瓷是能够填补这个缺口的一种材料。通过满足适用于CSP LED强点通量的需求，以及降低可制造性的热性能，具有纳米陶瓷电介质的MCPCB弥合了传统MCPCB和陶瓷之间的差距，使CSP LED设计人员能够推动极限——创造更小，更明亮和更具成本效益的光源。
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