Kühllösungen für Gehäuse im Chip-Maßstab

     CSP (Chip Scale Package) Packaging bezieht sich auf eine Verpackungstechnologie, bei der die Größe des Gehäuses selbst 20 Prozent der Größe des Chips selbst nicht überschreitet. Um dieses Ziel zu erreichen, reduzieren LED-Hersteller unnötige Strukturen so weit wie möglich, z. B. die Verwendung von Standard-Hochleistungs-LEDs, das Entfernen von keramischen Wärmeableitungssubstraten und Verbindungsdrähten, das Metallisieren von P- und N-Polen und das direkte Abdecken von Leuchtstoffschichten über LEDs.

Thermische Herausforderung:    

Das CSP-Gehäuse ist so konzipiert, dass es über metallisierte P- und N-Pole direkt an die Leiterplatte (PCB) geschweißt werden kann. In gewisser Weise ist es in der Tat eine gute Sache. Dieses Design reduziert den thermischen Widerstand zwischen dem LED-Substrat und der Leiterplatte.

Da das CSP-Gehäuse jedoch das Keramiksubstrat als Kühlkörper entfernt, wird die Wärme direkt vom LED-Substrat auf die Leiterplatte übertragen, die zu einer starken Punktwärmequelle wird. Zu diesem Zeitpunkt hat sich die Herausforderung der Wärmeableitung für CSP von "Ebene I (LED-Substratebene)" auf "Ebene II (Ebene des gesamten Moduls)" geändert.

Aus den Wärmestrahlungssimulationsexperimenten in den Abbildungen 1 und 2 ist ersichtlich, dass aufgrund der Struktur von CSP-Verpackungen der Wärmefluss nur mit einer kleinen Fläche durch die Lötstelle übertragen wird und die meiste Wärme in der Mitte konzentriert ist , was die Lebensdauer verringert, die Lichtqualität verringert und sogar zum Ausfall der LED führt.

Ideales Kühlmodell von MCPCB:

Die Struktur der meisten MCPCB: Die Metalloberfläche ist mit einer Kupferbeschichtung von etwa 30 Mikrometern plattiert. Gleichzeitig wird die Metalloberfläche auch mit einer Harzmediumschicht bedeckt, die wärmeleitende Keramikpartikel enthält. Zu viele wärmeleitende Keramikpartikel beeinträchtigen jedoch die Leistung und Zuverlässigkeit der gesamten MCPCB.

    Die Forscher fanden heraus, dass ein elektrochemischer Oxidationsprozess (ECO) eine Schicht aus Aluminiumoxidkeramik (Al2O3) mit mehreren zehn Mikrometern auf der Aluminiumoberfläche erzeugen kann. Gleichzeitig hat diese Aluminiumoxidkeramik eine gute Festigkeit und eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit (ca. 7,3 W/MK). Da der Oxidfilm jedoch im Prozess der elektrochemischen Oxidation automatisch mit Aluminiumatomen verbunden wird, wird der Wärmewiderstand zwischen den beiden Materialien verringert und es hat auch eine gewisse strukturelle Festigkeit.

Gleichzeitig kombinierten die Forscher Nanokeramik mit Kupferbeschichtung, um der Gesamtdicke der Verbundstruktur eine hohe Gesamtwärmeleitfähigkeit (etwa 115 W/MK) auf einem sehr niedrigen Niveau zu verleihen. Daher eignet sich dieses Material sehr gut für CSP-Verpackungen.

Das thermische Problem der CSP-Verpackung führt zur Geburt der Nanokeramik-Technologie. Diese dielektrische Schicht aus Nanomaterial kann die Lücke zwischen herkömmlichem MCPCB und AlN-Keramik schließen. Um Designer zu ermutigen, miniaturisiertere, sauberere und effizientere Lichtquellen auf den Markt zu bringen.