芯片尺寸封装(CSP)LED技术并不新鲜，但在电视背光应用中已经使用了一段时间，但对于照明应用来说这是相对较新的。在许多方面，CSP对于照明模块制造商来说是一个新的世界，因为它们较小，通常没有任何ESD保护，具有不同的光分布，并且最后但并非最不重要的是具有较小的散热面积。后者要求重新考虑模块的传统热设计。Cambridge Nanotherm的应用工程师Giles Humpston博士详细解释了为什么CSP LED为模块设计人员提出了重大的热挑战，并概述了计算保持CSP LED冷却所需的热流量的一些基础知识。
CSP LED是倒装芯片LED的最新产品，开始用于电视背光。在这些应用中，使用低功率和中功率的LED没有任何问题。随着市场对通用照明的不懈追求，CSP的额定功率正在逐渐增加。通用照明CSP属于“高功率”类别(超过1 W)，目前可提供额定功率高达3 W的器件，这会造成问题。
术语'芯片级封装'是由芯片本身尺寸不超过20%(下一步是晶圆级封装，其中芯片的尺寸与芯片尺寸相同)定义的。为了达到这个目标，LED制造商尽可能多地去掉了多余的元素。取一个标准的高功率封装LED并去除陶瓷底座和引线键合，直接对P和N触点进行金属化并涂上一层荧光粉，并且你有一个CSP LED。这种方法对于LED制造商来说很好，因为它可以降低材料和制造成本。它还可以将非常小(通常为1x1 mm)的封装LED封装在PCB模块上，从而帮助创建更小，更亮，更便宜的灯具。
由于这些好处，CSP市场正在享受强劲增长。行业分析师YoleDéveloppement估计，到2020年，CSP将占高功率LED市场的34%。
为什么CSP面临这样的热量挑战
但是，CSP并非没有挑战。小尺寸可能会给拾放机器带来处理问题。没有镜头就意味着需要仔细考虑光束管理。但最迫切的问题是向更高性能的CSP迈进的挑战。
使用金属化P和N触点将CSP设计为直接焊接到PCB上。这从一个角度看减少了LED管芯和PCB之间的热阻，这是一件好事。然而，在传统封装LED中，缺少用作芯片和电路板之间散热片的陶瓷基台，这意味着热量将作为热点热源从芯片传输至PCB。热管理挑战已经从“一级”(LED芯片封装级)切换到“二级”(模块级)。这意味着模块和灯具设计师必须非常小心，以确保CSP LED提供足够的冷却。为了满足这些要求，使用铝或铜基的金属包覆PCB(MCPCB)。
为了说明这一点，让我们考虑一个焊线LED的例子，其尺寸为1x1 mm，连接到由氮化铝制成的标准“Level One”底座上，侧面测量为3.5 mm，厚度为0.635 mm。在这种情况下，热源为1mm 2，并假设氮化铝的热导率是各向同性的，一个简单的热模型揭示了热会扩散到覆盖约5毫米的区域2。显然，大部分热量仍然集中在中心区域，但即使如此，基台的效果也是在热通量密度到达组件MCPCB之前大大降低。使用CSP LED时，反之亦然。再次，采用1x1 mm的器件，焊盘区域必须小于这个尺寸，每个尺寸只能测量0.3x0.8 mm。这将热量传输的初始面积减少了大约一半，因此当其到达基台的冷端时已经发生较少的扩散。这相当于CSP LED和基座上的引线键合LED之间冷却能力的2倍差异。
未能有效去除这些热量的代价可能是寿命缩短，光线质量差，颜色波动以及LED最终的灾难性故障。
在没有底座的情况下，对于CSP LED，仅靠MCPCB有效地传导热量足以将LED结温保持在制造商建议的限制范围内。随着CSP LED尺寸缩小，额定功率增加以及模块设计人员将越来越多的CSP集成到更密集的阵列中，这一挑战变得更加困难--MCPCB现在确实需要为其资金而努力。
为了更好地理解这个问题的规模，有必要将其分解。
对计算的考虑
在计算CSP设计中的热流量时，轴向传导的首要性是重要的：
首先，值得考虑的是，在大多数CSP LED板设计中，轴向热传导的效率往往比侧向热传导更重要。在这种情况下，轴向热传导是z轴，即通过MCPCB的厚度，而横向或径向热传导在x / y轴中面内，且主要发生在MCPCB的铜布线迹线中。
为了说明这一点，考虑将一个标准的CSP LED焊接到铜电路层上，厚度大约为50微米，直径为35毫米，然后放置在电介质上，然后是铝散热器。取决于电路板的等级，电介质的导热率通常在约3-10W / mK的范围内以及在10-50μm的厚度范围内。这意味着轴向热阻抗将介于0.16和0.01°C∙cm 2 / W之间。也就是说，对于一侧10毫米厚的介质板，每瓦热流不会立即通过，但会导致两个表面之间计算出的温差(0.16 - 0.01°C)。
下一步是检查铜盘的径向热阻。铜是一种优秀的导热体，导热率几乎达到400 W / mK。但只有50微米厚，这是人发的一半厚度，其沿着其长度传输热量的能力受到严格限制。取一根宽1毫米，厚50毫米，长5毫米的铜条，端部到端的热阻高于250°C / W。显然，与轴向热阻相比，这是巨大的，所以当铜盘连接到具有非常低的热阻的绝缘层时，大部分热量将通过电介质迅速消失并且到达散热片，并且没有一个会达到铜区的边缘。
通过扩展之前的模拟演示可以证明这一点，其中包括覆盖整个3.5x3.5 mm区域的35 um厚铜层，但保持热CSP LED的尺寸相同。该模型显示在铜中发生了一些散热，但散热片的面积增加了15%。
在实践中，为了优化CSP LED的冷却，有必要平衡轴向和径向电导率。如果铜面积过度减小，则轴向传导过度依赖，导致热阻上升。这意味着CSP LED的紧密封装会导致阵列区域的热失衡。相反，使铜面积过大没有多大好处，因为它具有高的面内热阻，防止热量传播任何显着的距离。
通常假设在MCPCB上指定一层厚铜将会将热量传播到很远的地方，从而降低通量密度，并且通过具有普通热阻的电介质传导可以很容易地去除热量。尽管这在某种程度上是正确的，但只有最好的MCPCB具有足够低的热阻以适应高功率CSP LED。使用这些产品时，增加铜的厚度并不会改变最佳铜面积(约3.5毫米直径)，因为即使是105微米(3盎司)厚的铜平面在质量不错的MCPCB上的面内热传导仍然是相对于电介质的z轴电导率低。
在LED结构的任何热分析中，必须记住LED和散热器之间的热路径不是均匀材料的固体块。通常它包含一堆复杂的材料，例如LED封装，焊点，电路板，热界面材料，散热器等等。这些结构中的每一个都将具有完全不同的尺寸，导热率和比热容，并且在所有不同的层之间具有各种界面电阻。其中，接口电阻通常是最关键的，也是最难建模的之一。单个界面的热阻可以使结构中的其他材料的热性能变矮，并且对风的性能进行计算。最好的技术解决方案旨在最大限度地减少电路板中元件之间的接口电阻，这是通过从结构中消除的最可靠方法。涂层和其他分层结构特别容易受到高界面电阻的影响，并且随着时间的推移可能会发生变化。尽管均质材料是最好的，但在需要不同材料组装的情况下，最稳健可靠的方法是在材料之间的原子级别实现键合。在这个前提下，只有有限范围的涂层和沉积过程起作用。尽管均质材料是最好的，但在需要不同材料组装的情况下，最稳健可靠的方法是在材料之间的原子级别实现键合。在这个前提下，只有有限范围的涂层和沉积过程起作用。尽管均质材料是最好的，但在需要不同材料组装的情况下，最稳健可靠的方法是在材料之间的原子级别实现键合。在这个前提下，只有有限范围的涂层和沉积过程起作用。
关于CSP LED MCPCB解决方案的理想配置
因此，要重申，通过MCPCB的高轴向传导是成功的CSP设计的关键。当轴向传导较高时，它将抵消通常通过使用厚铜布线追踪获得的散热优势。为了有效管理由CSP产生的点热通量，需要与MCPCB本身不同的方法。
基于以上概述的轴向首要性观察，我们知道MCPCB需要最小化其最薄弱环节 - 介电层的厚度。热阻是厚度除以热导率。导热系数是为电介质选择的材料固有的，所以唯一可用的变量是厚度。钻石非常适合这种应用，但太贵了。电介质不能太薄，因为它需要保持可接受的电气隔离，以确保MCPCB符合相关法规。电介质层还必须足够坚固以经受制造过程并且足够耐用以持续主动服务。最后，MCPCB堆叠需要最小化各种材料之间的界面电阻以使复合导热率最大化。
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