Qu'est-ce que le CSP ?
L'emballage CSP (chip scale package) fait référence à une technologie d'emballage dans laquelle le volume de l'emballage lui-même ne dépasse pas 20 % de la taille de la puce elle-même (la technologie de nouvelle génération est l'emballage au niveau du substrat, et la taille de l'emballage est la identique à celui de la puce). Afin d'atteindre cet objectif, les fabricants de LED réduisent autant que possible les structures inutiles, telles que l'utilisation de LED haute puissance standard, l'élimination des substrats de dissipation thermique en céramique et les fils de connexion, la métallisation des pôles P et N et le recouvrement de la couche fluorescente directement au-dessus de la LED. .
Selon les statistiques de Yole Développement, les emballages CSP représenteront 34 % du marché des LED haute puissance en 2020.
Pourquoi les emballages CSP sont-ils confrontés à des problèmes de dissipation thermique ?
Le boîtier CSP est conçu pour être directement soudé sur une carte de circuit imprimé (PCB) via des pôles P et N métallisés. À un certain égard, c'est en effet une bonne chose. Cette conception réduit la résistance thermique entre le substrat LED et le PCB.
Cependant, étant donné que le boîtier CSP supprime le substrat en céramique en tant que dissipateur thermique, cela permet le transfert de chaleur directement du substrat LED vers la carte PCB et devient ainsi une source de chaleur point fort. À l'heure actuelle, le défi de dissipation thermique pour le CSP est passé de"niveau un (niveau de substrat LED)" à"niveau deux (le niveau du module entier)".
En réponse à cette situation, les concepteurs de modules ont commencé à utiliser des cartes de circuits imprimés recouvertes de métal (MCPCB) pour faire face à l'emballage CSP.
Figure 1. Modèle de rayonnement thermique d'une LED CSP 1x1 mm sur un substrat céramique AlN de 0,635 mm (170 W/mK)
On peut voir sur les figures 1 et 2 que les chercheurs ont mené une série de tests de simulation de rayonnement thermique sur des céramiques MCPCB et nitrure d'aluminium (AlN). En raison de la structure du boîtier CSP, le flux de chaleur n'est transféré que par les petits joints de soudure. , La majeure partie de la chaleur est concentrée dans la partie centrale, ce qui entraînera une durée de vie réduite, une qualité de lumière réduite et même une défaillance des LED.
Modèle de dissipation thermique idéal pour MCPCB
Généralement la structure de la plupart des MCPCB : la surface métallique est plaquée d'une couche de cuivre sur la surface d'environ 30 microns. En même temps, la surface métallique est recouverte d'une couche de support en résine contenant des particules céramiques thermoconductrices. Cependant, un trop grand nombre de particules céramiques thermoconductrices affectera les performances et la fiabilité de l'ensemble du MCPCB.
Dans le même temps, pour la couche de support thermiquement conductrice, il y a toujours un compromis entre performances et fiabilité.
Selon l'analyse du chercheur's, afin d'obtenir une meilleure dissipation thermique, le MCPCB doit réduire l'épaisseur de la couche diélectrique. Étant donné que la résistance thermique (R) est égale à l'épaisseur (L) divisée par la conductivité thermique (k) (R=L/(kA)), et que la conductivité thermique n'est déterminée que par les propriétés du milieu, l'épaisseur est la seule variable.
Cependant, l'épaisseur de la couche diélectrique ne peut pas être réduite indéfiniment en raison des limitations du processus de production et des considérations de durée de vie, les chercheurs ont donc besoin d'un nouveau matériau pour résoudre ce problème.
Comment la nano-céramique peut-elle devenir la meilleure solution pour le MCPCB ?
Des chercheurs ont découvert qu'un processus d'oxydation électrochimique (ECO) peut produire une couche de céramique d'alumine (Al2O3) de plusieurs dizaines de microns à la surface de l'aluminium. En même temps, cette céramique d'alumine a une bonne résistance et une conductivité thermique relativement faible (environ 7,3 W/mK). Cependant, étant donné que le film d'oxyde se lie automatiquement aux atomes d'aluminium au cours du processus d'oxydation électrochimique, la résistance thermique entre les deux matériaux est réduite et il présente également une certaine résistance structurelle.
Dans le même temps, les chercheurs ont combiné la nano-céramique avec un revêtement en cuivre afin que l'épaisseur globale de cette structure composite présente une conductivité thermique totale élevée (environ 115 W/mK) à un niveau très faible. Par conséquent, ce matériau est très adapté aux besoins des emballages CSP.
En conclusion
Lorsque les concepteurs continuent d'explorer et de trouver des matériaux d'emballage CSP appropriés, ils constatent souvent que leurs besoins ont dépassé la technologie existante. Le problème de la dissipation thermique a conduit à la naissance de la technologie nano-céramique. Cette couche diélectrique en nano-matériau peut combler l'écart entre les céramiques traditionnelles MCPCB et AlN. Afin d'inciter les concepteurs à introduire des sources lumineuses plus compactes, propres et efficaces.
