Джайлс Хампстон (Giles Humpston), инженер по приложениям, Cambridge Nanotherm
Светодиодная технология с использованием корпусов, размеры которых не превышают размеры кристалла более чем на 20% (Chip Scale Package, CSP), не нова, т.к. она уже достаточно долго применялась в системах подсветки телевизоров. Однако в приложениях по освещению она появилась сравнительно недавно. Во многих отношениях CSP-корпуса являются новинкой для производителей осветительных модулей. Модули на основе этой технологии имеют меньшие размеры, не используют защиту от электростатических разрядов, иначе распределяют свет и обладают меньшей площадью теплоотдачи. Последнее обстоятельство требует переосмысления традиционного теплового расчета для модулей.
CSP-светодиоды, самая последняя инкарнация flip-chip-светодиодов, впервые стали применяться в системах подсветки телеэкранов. В этих приложениях мало- и среднемощные светодиоды использовались, не вызывая каких-либо нареканий. По мере непреклонного продвижения рынка в сторону общего освещения номинальная мощность CSP-светодиодов возрастает. CSP-светодиоды относятся к категории высокомощных (выше 1 Вт) компонентов, но с увеличением их номинальной мощности до 3 Вт возникла необходимость в обеспечении соответствующего теплового режима.
Для реализации технологии CSP производители светодиодов вывели как можно больше лишних элементов за пределы кристалла. Грубо говоря, чтобы получить CSP-светодиод, необходимо у стандартного высокомощного корпусированного светодиода удалить керамическую подложку и проволочные соединения, нанести металлизацию на P- и N-контакты и задействовать покрытие из люминофора. Производители светодиодов используют именно этот метод, поскольку он позволяет сократить стоимость материалов и производственные издержки. Кроме того, с помощью этого метода можно создавать миниатюрные (порядка 1×1 мм2) корпусированные светодиоды, которые очень плотно размещаются на печатной плате в модуле. С помощью CSP-светодиодов создаются более яркие и дешевые компактные светильники.
Спрос на эти светодиоды постоянно растет. По оценкам аналитического агентства Yole Développement, к 2020 г. доля CSP-светодиодов составит 34% на рынке высокомощных светодиодов.
Проблема теплоотвода для CSP-светодиодов
Малые размеры CSP-светодиодов затрудняют работу с ними с помощью автоматов для захвата и установки деталей, а из-за отсутствия линз необходимо уделять тщательное внимание управлению световым пучком этих компонентов. Однако наиболее насущной задачей является реализация теплового режима при использовании более мощных CSP-светодиодов.
Пайка CSP-светодиодов осуществляется непосредственно на печатную плату с использованием металлизированных P- и N-контактов, что уменьшает тепловое сопротивление между кристаллом и печатной платой и является положительным фактором. Однако отсутствие у CSP-светодиодов керамической подложки, которая отводит тепло от кристалла к плате, как это происходит в светодиодах с традиционными корпусами, означает, что тепло непосредственно поступает на печатную плату. Таким образом, задача по отведению тепла должна решаться не на уровне корпуса кристалла, а на уровне модуля с соответствующим теплоотводом. С этой целью применяются печатные платы с алюминиевым или медным основанием.
Рассмотрим пример со светодиодом размером 1×1 мм2 с проволочным соединением и подложкой из нитрида алюминия со стороной 3,5 мм и толщиной 0,635 мм. В этом случае площадь источника тепла составляет 1 мм2. Считая, что теплопроводность подложки одинакова во всех направлениях (изотропна), с помощью простой модели теплового режима (см. рис. 1–3) получаем, что тепловой поток проходит через площадь около 5 мм2. Очевидно, что наибольшая часть отводимого тепла сосредоточена в центральной части подложки, но ее роль заключается в существенном уменьшении плотности теплового потока, прежде чем он достигнет печатной платы с металлическим основанием. У CSP-светодиода того же размера контактные площадки меньше.
Рис. 1. Модель, поясняющая распространение теплового потока от CSP-светодиода размером 1×1 мм2 через AlN-подложку толщиной 0,635 мм с теплопроводностью 170 Вт/(м∙К) к радиатору. Тепловое сопротивление тракта мало
Heat – Тепло
Flux – Поток
Aluminium nitride submount – Подложка из нитрида алюминия
CSP LED – CSP-светодиод
Heat cone 1.75mm – Тепловой конус с основанием 1,75 мм
Solder joints – Паяные соединения
Размер каждой из них составляет всего 0,3×0,8 мм2. В результате исходная площадь, необходимая для отвода тепла, по грубым оценкам, уменьшается вполовину. Таким образом, охлаждающая способность платы с CSP-светодиодом падает в два раза по сравнению со светодиодами с проволочными соединениями на подложке. На рисунке 1 представлена модель распространения теплового потока от CSP-светодиода размером 1×1 мм2 через AlN-подложку толщиной 0,635 мм с теплопроводностью 170 Вт/(м∙К) к радиатору.
Как известно, из-за неэффективного отвода тепла уменьшается срок службы светодиодов, ухудшается качество света, изменяется цвет излучения, и происходят катастрофические отказы. В отсутствие подложки тепло от CSP-светодиодов поступает сразу на печатную плату с металлическим основанием, что позволяет поддерживать температуру перехода в рекомендованном производителем диапазоне. Задача теплоотвода усложняется с уменьшением размеров CSP-светодиодов, увеличением номинальной мощности и плотности упаковки их в модули. Рассмотрим подробнее эту проблему.
Расчет теплового режима
При расчете теплового потока в модулях с CSP-светодиодами следует исходить из того, что у большинства печатных плат с компонентами этого типа теплопроводность в осевом направлении играет более важную роль, чем в поперечном направлении. Следовательно, основной тепловой поток распространяется по оси z (толщине) печатной платы с металлическим основанием, тогда как для расчета теплового потока по медным проводникам на плоскости x/y используется поперечная, или радиальная, теплопроводность (см. рис. 2).
Рис. 2. Распространение тепла в радиальном направлении от точечного источника в медном диске, размеры которого равны площади типового медного проводника на печатной плате с металлическим основанием
50um thick – Толщина: 50 мкм
Point heat source – Точечный источник тепла
5mm radius – Радиус: 5 мм
По вертикали: Тепловое сопротивление в радиальном направлении, К/Вт
По горизонтали: Радиус, мм
Рассмотрим, например, стандартный CSP-светодиод, припаянный к медному слою толщиной около 50 мкм и диаметром 35 мм. В свою очередь, этот слой находится на диэлектрике, под которым имеется алюминиевый теплоотвод. В зависимости от марки печатной платы теплопроводность диэлектрического слоя толщиной 10–50 мкм, как правило, находится в пределах 3–10 Вт/(м∙К). Это значит, что тепловое сопротивление в осевом направлении составляет 0,16–0,01°C∙см2/Вт. Таким образом, при прохождении теплового потока мощностью 1 Вт через диэлектрическую пластину со стороной 10 мм на границе двух сред возникает разность температур 0,16–0,01°C.
Использование упрощенной модели CSP-светодиода на плате с металлическим основанием показало, что медный проводник толщиной 60 мкм не в состоянии рассеивать тепло в боковых направлениях на большое расстояние (см. рис. 3). Эта модель распространения теплового потока становится во многом схожей с моделью на рисунке 1, если в качестве подложки применяется плата с металлическим основанием и суммарной теплопроводностью выше 150 Вт/(м∙К).
Далее рассчитаем тепловое сопротивление медного диска в радиальном направлении. Теплопроводность меди, являющейся отличным проводником тепла, равна 40 Вт/(м∙К). Однако при толщине медного проводника 50 мкм, которая вдвое меньше толщины человеческого волоса, способность медного покрытия проводить тепло вдоль оси х значительно падает. Тепловое сопротивление медной полоски шириной 1 мм, длиной 5 мм и толщиной 50 мкм между концами превышает 250°C/Вт. Поскольку эта величина очень велика по сравнению с тепловым сопротивлением в осевом направлении, наибольшая часть тепла быстро уходит сквозь диэлектрический слой с малым тепловым сопротивлением к радиатору, никогда не достигая краев медного покрытия.
Рис. 3. Упрощенная модель использования CSP-светодиода на плате с металлическим основанием
Heat – Тепло
Flux – Поток
Copper wiring trace – Медный проводник
150W/mK MCPCB – Плата с теплопроводностью 150 Вт/(м∙К)
Heat cone 1.90mm – Тепловой конус с основанием 1,90 мм
Solder joints – Паяные соединения
Эти выводы подтверждаются результатами моделирования с использованием медного покрытия площадью 3,5×3,5 мм2 и толщиной 35 мкм. Моделирование показало, что нагревшаяся часть теплоотвода увеличилась всего на 15%.
На практике для оптимального охлаждения CSP-светодиодов необходимо найти баланс между осевой и радиальной проводимостями. При чрезмерном уменьшении площади медного покрытия слишком большая нагрузка возлагается на теплоотвод в осевом направлении, что приводит к возрастанию теплового сопротивления. Это значит, что при плотной упаковке CSP-светодиодов может нарушиться тепловой баланс на всей площади массива. И наоборот, медное покрытие очень большой площади не дает выигрыша из-за высокого теплового сопротивления в радиальном направлении.
Часто считается, что толстый медный слой позволяет уменьшить плотность теплового потока и легко отвести тепло через диэлектрик с тепловым сопротивлением средней величины. До некоторой степени это верное суждение, но только самые лучшие печатные платы с металлическим основанием обладают достаточно малым тепловым сопротивлением, чтобы отводить тепло от высокомощных CSP-светодиодов. При использовании этих плат увеличение толщины медного слоя не позволяет изменить оптимальную площадь медного участка (диаметром около 3,5 мм), поскольку радиальная теплопроводность медного слоя даже толщиной 105 мкм на печатной плате хорошего качества низка по сравнению с теплопроводностью диэлектрика в z-направлении. Кроме того, требование, чтобы между медными проводниками под CSP-светодиодами был зазор около 200 мкм, становится труднее выполнить из-за увеличения толщины медного слоя.
При любом анализе теплового режима светодиодных структур необходимо помнить, что тепловой тракт между светодиодом и теплоотводом не является однородным. Как правило, он состоит из нескольких материалов: корпуса, паяного соединения, печатной платы, теплового интерфейса, теплоотвода и др. У этих элементов – совершенно разные размеры, значения теплопроводности, а также теплоемкости, причем между всеми слоями – разные сопротивления переходной области. Разумеется, ее сопротивление является наиболее критичным показателем, который, к тому же, очень трудно смоделировать. Тепловое сопротивление одного интерфейса может нивелировать тепловые свойства других материалов, входящих в структуру, и перечеркнуть достоверность расчетов.
Наилучшим техническими решением является то, которое позволяет минимизировать сопротивление переходных слоев между элементами печатной платы. Самый действенный метод добиться этого состоит в исключении переходных слоев из платы. Покрытия и другие слоистые структуры имеют очень высокое сопротивление переходных слоев, которое меняется со временем. Наилучшими в этом отношении являются гомогенные материалы. В тех случаях, когда необходимо использовать в сборке разные материалы, наиболее надежным методом, позволяющим исключить высокое сопротивление переходного слоя, является соединение материалов на атомном уровне. Однако лишь ограниченное число технологий формирования покрытия и осаждения используют этот метод.
Идеальное решение для модулей с CSP-светодиодами
Итак, повторимся, высокая теплопроводность в осевом направлении печатной платы с металлическим основанием является ключевым показателем, обеспечивающим успешное проектирование модуля на базе CSP-светодиодов (см. рис. 4). При достаточно высокой теплопроводности в осевом направлении нивелируются преимущества использования толстых медных проводников. Для эффективного управления тепловым потоком от точечных CSP-светодиодов требуется особая конструкция печатной платы с металлическим основанием.
Рис. 4. У печатной платы с металлическим основанием – очень малое тепловое сопротивление, что позволяет устанавливать на нее CSP-светодиоды
По вертикали: Тепловое сопротивление, °С/Вт
По горизонтали: Толщина меди, мкм
Low axial… – Малое тепловое сопротивление в осевом направлении
High axial… – Большое тепловое сопротивление в осевом направлении
Мы уже установили, что у печатной платы с металлическим основанием следует минимизировать толщину наиболее слабого звена – диэлектрического слоя. Тепловое сопротивление определяется как отношение толщины на теплопроводность. Поскольку второй из этих показателей – константа для выбранного материала, единственной переменной в этом отношении является толщина диэлектрика. Алмаз идеально подошел бы в качестве этого материала, если бы не его дороговизна. Диэлектрический слой не может быть очень тонким, поскольку он должен обеспечить необходимую электрическую изоляцию при эксплуатации печатной платы. Кроме того, диэлектрический слой должен быть достаточно прочным, чтобы выдержать технологический процесс и не разрушиться в процессе длительной активной эксплуатации. И, наконец, от печатной платы требуется, чтобы сопротивление переходных слоев между разными материалами было минимальным, благодаря чему ее суммарная теплопроводность повышается в максимальной степени.
Альтернативные решения
Почти все печатные платы с металлическим основанием изготовлены из металлической пластины, покрытой тонким медным слоем толщиной больше 30 мкм. Это медное покрытие крепится к металлическому основанию и электрически изолируется от него с помощью диэлектрического слоя из эпоксидной смолы с керамическим наполнителем, который позволяет увеличить теплопроводность. Однако существует предел, ограничивающий количество используемого наполнителя. Если превысить эту предельную величину, диэлектрический слой начинает крошиться, а также ухудшается его сцепление с металлической подложкой и медным проводником. Заметим, что печатные платы рассчитаны на несколько десятилетий (50 тыс ч) активной эксплуатации.
Несмотря на то, что эти теплопроводящие диэлектрики постоянно совершенствуются, приходится искать некий компромисс между их рабочими параметрами и долговечностью. К настоящему времени это обстоятельство ограничивает суммарную теплопроводность печатных плат на металлическом основании величиной, которая намного меньше 100 Вт/(м∙К).
Этой теплопроводности вполне достаточно для большинства светодиодных модулей, но если речь заходит о CSP-модулях, особенно с высокой плотностью размещения источников света, следует признать, что они не обеспечивают требуемых характеристик. Так сложилось, что производители печатных плат на металлическом основании всегда использовали только одну возможность повысить теплопроводность – изготавливать платы с керамической подложкой, например из нитрида алюминия. Однако у этого материала исключительно высокая цена.
Оптимальный выбор позволяют сделать нанокерамические подложки с осевой теплопроводностью и малым сопротивлением переходного слоя.
Принцип работы нанокерамических подложек
Запатентованный процесс электрохимического окисления (electro-chemical oxidation, ECO) позволяет преобразовать поверхность алюминиевой пластины в слой оксида алюминия (Al2O3) толщиной всего в десятки микрон. И хотя теплопроводность этого материала, полученного указанным методом, составляет около 7,3 Вт/(м∙К), тепловой поток проходит короткий путь к алюминиевому основанию платы благодаря очень малой толщине слоя из Al2O3.
Очень привлекательным побочным эффектом использования процесса электрохимического окисления алюминия является то, что слой Al2O3 соединяется с алюминиевой основой на атомном уровне. Это обстоятельство и определяет малое сопротивление между двумя материалами, позволяя уменьшить суммарное тепловое сопротивление всей сборки. Впечатляет и прочность этого соединения – невозможно механически отделить нанокерамический слой от алюминиевого основания.
Такое сочетание очень тонкого диэлектрического слоя с относительно высокой теплопроводностью, который соединен с алюминиевой основой на атомном уровне, обеспечивает исключительно высокую общую теплопроводность печатной платы с ламинированным медным покрытием – около 115 Вт/(м∙К). При этом медный проводник соединяется с нанокерамическим слоем с помощью эпоксидного слоя толщиной 3–5 мкм. Изготовленное таким образом изделие идеально подходит для приложений с CSP-светодиодами.
Выводы
Стандартные печатные платы с металлическим основанием не отвечают требованиям приложений с мощными CSP-светодиодами. Поскольку ограничения по тепловому режиму препятствуют реализации инновационных решений, требуется новая технология, которая восполнила бы пробел между использованием стандартных плат с металлическим основанием и дорогостоящих керамических подложек из нитрида алюминия. Нанокерамика является одним из таких материалов – она отвечает требованиям модулей с мощными CSP-светодиодами и в то же время является технологичным материалом, который расширяет границы применимости стандартных печатных плат с металлической основой, позволяя создавать миниатюрные и более экономичные источники света с большей яркостью.