Csp светодиоды что это
Csp светодиоды что это
 |
 |
Одновременно с совершенствованием технологии производства кремниевых пластин, увеличением надежности чипов и улучшением их теплоотводящих свойств, произошло невероятное уменьшение размеров полупроводниковых приборов. Японский производитель электроники Mitsubishi был первым, кто запустил технологию Chip-Scale Package (CSP) в 1994 году. Сейчас CSP компоненты являются стандартными. Однако до недавнего времени технология CSP не применялась для светодиодов из-за невозможности отвода тепла от столь крошечных устройств. Но увеличение эффективности и устойчивости к высоким температурам (что являлось проблемой для предыдущих поколений светодиодов) изменили ситуацию. И сейчас производители, например Nichia, Lumileds, Samsung и Toshiba, объявили о запуске серийного производства CSP светодиодов.
Рассмотрим, как происходило развитие технологии упаковки (корпусировки) светодиодов, какие возможности проектировщикам предоставляет CSP по созданию новых компактных форм-факторов, непрактичных с использованием светодиодов предыдущего поколения.
2. Развитие технологии упаковки
Закон Мура, который недавно отпраздновал свое 50-летие, гласит, что число транзисторов на чипе заданного размера удваивается каждые 18 месяцев, с улучшением методов изготовления. Однако из этого закона также следует, что каждые 18 месяцев чип с определенным числом транзисторов уменьшается в площади до половины его предыдущего размера. И такая миниатюризация компонентов – благо для проектировщиков, сталкивающихся с ограничениями пространства, наложенными при проектировании. Например, носимых устройств (гаджетов).
Но сокращения размеров в связи с технологическими усовершенствованиями оказались недостаточными, чтобы удовлетворять запросам на бóльшую миниатюризацию. Для дальнейшего сокращения размеров электронных компонентов производители чипов систематически модифицировали упаковку, убирая ее малополезные части. Первым главным достижением в этом направлении стали компоненты для поверхностного монтажа (SMD). SMD обходились без выводов, которые проходили через отверстия в печатной плате, обеспечивая компоненту крепление и электрическое соединение. Монтаж SMD компонентов осуществлялся непосредственно на поверхность печатной платы, путем оплавления паяльной пасты, что обеспечивало механическое и электрическое соединение с одновременным сбережением значительного свободного пространства.
Однако изготовить CPS версию обычной микросхемы не так просто. Производителям полупроводников потребовалось немало лет для совершенствования производственных процессов, прежде чем начать поставку кремниевых чипов, достаточно надежных для непосредственного монтажа на печатную плату и способных выдерживать нагрузки ежедневного использования.
Хотя (за отдельными исключениями) светодиоды не производятся на кремнии, а чаще всего представляют собой структуры на основе полупроводниковых нитридов (GaN и его твердые растворы), выращенные на подложке из сапфира (Al2O3) или карбида кремния (SiC), они попадают под те же самые производственные процессы, которые привели к уменьшению размеров обычной электроники.
Высокая температура – основной фактор деградации светодиодов. Чем выше температура, тем короче срок службы. Однако за многие годы тестирования был накоплен большой объем данных, и все более очевидно, что каждое новое поколение полупроводниковых приборов становится более надежным, способным к более продолжительному сроку службы. Например, светодиоды, работавшие при очень высокой температуре перехода в 105°C, показывали полезный срок службы, превышающий 36 000 часов.
3. Меньше – значит лучше
Основное преимущество технологии CSP очевидно – она значительно сокращает размер упаковки (корпуса) светодиода (рис.2).
Но также имеются и другие важные преимущества. Например, эти крошечные приборы твердотельного освещения (SSL) существенно дешевле в производстве, что позволяет клиентам значительно снизить издержки при производстве осветительного оборудования.
Не существует четкого определения для CSP, но промышленность, в общем, считает что «chip-scale package LED» – любое устройство, равное по размеру или до 20 процентов большее активной области (области светового излучения светодиода).
Устройства такого размера предоставляют инженерам больше гибкости в дизайне. Например, они обеспечивают свободу изменения геометрии излучающей поверхности, уровня светимости светодиодов, позволяют уменьшить размер светильников.
Сборочные производства также заинтересованы в использовании CSP с их контактными площадками со стандартным шагом (как анод, так и катод на основании светодиода), потому что они делают сборочный процесс проще и дешевле. Устройства могут быть установлены непосредственно на печатную плату, используя стандартное «pick-and-place» оборудование и нет никакой нужды в разварке дополнительных проводников, необходимых другим миниатюрным типам упаковки, таким как flip-chip. Кроме того, CSP светодиоды могут быть протестированы с использованием стандартного автоматического оборудования для тестирования (ATE).
Другое важное преимущество CSP – более низкое тепловое сопротивление, чем у обычных светодиодов. Например, SMD светодиод TL2F2 компании Toshiba имеет тепловое сопротивление упаковки 30 К/Вт (от перехода до площадки пайки). Для сравнения, светодиод серии TL1WK этой же компании (рис.4) доступен в формате CSP и имеет тепловое сопротивление 17 К/Вт (от перехода до площадки пайки). Уже анонсированы светодиоды CSP с тепловым сопротивлением ниже 5 К/Вт.
Низкое тепловое сопротивление позволяет CSP светодиодам работать на более высоких токах, чем светодиоды в обычных корпусах, увеличивать яркость, без чрезмерного риска преждевременного отказа из-за перегрева. Из-за своих маленьких размеров CSP светодиоды излучают как точечный источник света, а не как более диффузный источник типа традиционных корпусных светодиодов. Это позволяет использовать в осветительных приборах линзы меньших размеров, снижая тем самым стоимость, а также применять более компактные форм-факторы, которые ранее были непрактичны. Другое, оптическое преимущество CSP вытекает из эмиссии света со всех пяти сторон чипа (обычный SMD корпус светодиода излучает лишь с верхней стороны), что повышает световой поток при заданном токе.
Улучшенная светимость приводит к более компактным световым «движкам», включающим меньшее количество светодиодов в излучающей матрице. Что будет востребовано для производства стандартных, готовых к применению Chip-on-Board (CoB) модулей, которые упрощают дизайн новых продуктов освещения для инженеров, даже не являющихся специалистами в светотехнике.
4. Светодиоды CSP в продаже
Ведущие производители светодиодных чипов проявляют активность в сегменте CSP решений. Так, например, компания Samsung Electronics представила свое второе поколение светодиодов CSP в середине 2015 года. Приборы изготовлены по методу flip-chip с использованием синего эмиттера и люминофора (для получения белого света), нанесенного непосредственно на каждую грань кристалла, за исключением нижней поверхности.
По утверждению производителя, данные светодиоды дают 10-процентное улучшение эффективности и светового потока относительно предыдущего поколения. Компания предлагает как одночиповые светодиоды (рис. 5), так и CSP матрицы 2х2 или 3х3 светодиода. Матрицы имеют достаточно небольшие размеры, что позволяет использовать единственную линзу, в то время как светодиоды в обычных корпусах потребовали бы множество отдельных линз.
Lumileds также выпускает собственные CSP светодиоды с размерами чипа 1х1 мм (LUXEON FlipChip White 05) и 1.4×1.4 мм (LUXEON FlipChip White 10). Последний обладает тепловым сопротивлением 2 К/Вт и обеспечивает эффективность до 141 лм/Вт (при 350 мА).
Nichia объявила весной 2015 года о коммерческом запуске Elemental LEDs (ELEDS) – flip-chip светодиодов, имеющих размер 1/9 от аналогичных по свойствам приборов предыдущего поколения. CSP светодиоды компании, позднее, получили серийное название Direct Mountable Chip (DMC) и доступны в двух версиях – площадью 1 мм 2 (NCSLE17AT 1717) и 2 мм 2 (NVSLE21AT 2121). Они являются эффективной по стоимости заменой обычных мощных (1-4 Вт) светодиодов и обладают эффективностью от 120 до 150 лм/Вт.
Toshiba вывела на рынок CSP светодиоды ранее упоминавшейся серии TL1WK. Устройство имеет размеры 0.65х0.65 мм (0.42 мм 2 ) и может работать на 180 мА без опасности перегрева, предоставляя проектировщику определенную свободу действий в пределах рекомендаций компании по тепловому дизайну.
Cree также разрабатывает CSP светодиоды, на сегодняшний день самая маленькая упаковка из коммерчески доступных – 1.6х1.6 мм (2.56 мм 2 ) серий XLamp XQ. Светодиоды основаны на технологии компании SC3, которая использует SiC (silicon-carbide) подложку.
Seoul Semiconductor, Epistar, Lextar и ряд других известных производителей уже имеют в своем портфеле CSP продукты. Причем, Epistar производит не только CSP светодиоды, но и модули на их основе (рис. 6), в диапазоне мощностей 20-40 Вт, предлагающие клиентам недорогую альтернативу модулям COB.
5. Доминирующая тенденция
Не видно ни конца, ни края в поисках того, как сделать электронные компоненты меньшими по размеру. Компактные продукты, такие как носимые устройства (гаджеты) требуют все большей миниатюризации.
Светодиоды претерпевали гораздо более медленное сокращение в своих размерах, чем другие электронные компоненты, потому что они были подвержены тепловому разрушению, особенно в миниатюрных корпусах. Но запрос индустрии освещения по минимизации затрат сборки, повышению «плотности люмен», заставил производителей светодиодных чипов преодолеть технические проблемы. Современные чипы стали гораздо надежнее и теперь могут противостоять более высоким температурам, особенно в формате CSP.
Как следствие, эти новые приборы могут работать при более высоких прямых токах, повышая световой поток.
Поиск лучшего теплового решения для дизайна модулей CSP
Поиск лучшего теплового решения для дизайна модулей CSP
Радиальное тепло, распространяющееся от точечного источника тепла на медном диске
Светодиоды CSP, последнее воплощение светодиодов с флип-чипом, начали свою жизнь в качестве фоновой подсветки экранов телевизоров. Для этой задачи светодиоды низкой и средней мощности использовались без каких-либо проблем. Поскольку рынок неумолимо продвигается к общему освещению, рейтинг мощности CSP растет. CSP для общего освещения попадают в категорию «большой мощности» (более 1 Вт), а с доступными в настоящее время устройствами мощностью до 3 Вт это вызывает проблемы.
Термин «пакет размером с чип» (chip scale package, CSP) определяется пакетом, не превышающим на 20% сам чип. Для этого производители светодиодов снимают как можно больше лишних элементов. Возьмите стандартный высокомощный упакованный светодиод и снимите керамическую подложку и проволочные связи, непосредственно металлизируйте контакты P и N и покрывайте люминофором, и получите светодиод CSP. Этот метод отлично подходит для производителей светодиодов, поскольку он снижает как материальные, так и производственные затраты. Это также приводит к очень маленькому (часто 1×1 мм) упакованному светодиоду, который может быть плотно установлен на модули печатных плат, помогая создавать меньшие, яркие и более дешевые светильники.
В результате этих преимуществ рынок CSP испытывает устойчивый рост. По оценкам аналитика Yole Développement, к 2020 году CSP будет составлять 34% мощного светодиодного рынка.
Почему CSP создают такую задачу в термо-менеджменте
Однако CSP не без проблем. Небольшие размеры могут представлять проблемы для автоматизированной сборки машинами. Отсутствие линз означает, что необходимо уделять особое внимание управлению пучком света. Но самым важным является термальный вызов, связанный со стремлением к использованию все более мощных CSP.
CSP предназначены для пайки непосредственно на печатную плату с использованием металлизированных контактов P и N. Это уменьшает тепловое сопротивление между светодиодной матрицей и печатной платой, что, с одной стороны, является позитивным фактором. Однако отсутствие керамической подложки, которая действует как рассеиватель тепла между матрицей и платой в традиционном упакованном светодиоде, означает передачу тепла от матрицы к печатной плате аналогично точечному источнику тепла. Термо-менеджмент, фактически, был перенесен с «уровня один» (уровень упаковки светодиодной матрицы) на «Уровень два» (уровень модуля). Это означает, что дизайнеры модулей и светильников должны быть предельно осторожны, чтобы гарантировать, что светодиоды CSP получат достаточное охлаждение. Для удовлетворения этих требований используются металлические кожухи (MCPCB) с алюминиевой или медной основой.
Ценой невозможности эффективного отвода тепла может быть сокращение срока службы, плохое качество света, колебания цвета и, в конечном счете, катастрофический отказ светодиода.
При отсутствии подложки у светодиодов CSP, обязанностью отводить тепло передается плате MCPCB, чтобы поддерживать температуру светодиодного перехода в пределах рекомендованных производителем. Эта проблема становится еще сложнее, поскольку размеры светодиодов CSP уменьшаются, повышаются номинальные мощности, а разработчик модулей все больше и больше CSP устанавливают во все более массивные / крупные сборки – в таких условиях MCPCB приходится полностью отрабатывать свои деньги.
Чтобы лучше понять масштаб этой проблемы, нужно глубже разобрать этот момент.
Рисунок 1: Термическая модель теплового потока, выходящего из светодиода CSP 1×1 мм, через подложку AlN 0,635 мм (170 Вт / мК) к теплоотводу, что иллюстрирует рассеивание, которое происходит, эффективно уменьшая тепловое сопротивление
Рисунок 2: Тепловой поток, распространяющегося от точечного источника тепла через медный диск, имеющее размеры медной области основного контакта на MCPCB
Рисунок 3: Упрощенная имитация светодиода CSP на MCPCB, показывающая, что медная основа 60 мкм не способна распределять тепло горизонтально на любое значительное расстоянии. Близкое сходство теплового потока с рисунком 1 следует ожидать, когда подложка представляет собой высокопроизводительный MCPCB, имеющий общую теплопроводность свыше 150 Вт / мК
Оценка расчетов
При расчете теплового потока в конструкциях CSP важна первичность осевой проводимости:
Во-первых, стоит учитывать, что в большинстве конструкций светодиодных плат CSP эффективность осевой теплопроводности имеет тенденцию играть более важную роль, чем эффективность боковой теплопроводности. В этом контексте осевая теплопроводность представляет собой ось z, то есть через толщину MCPCB, в то время как боковая или радиальная теплопроводность находится в плоскости по оси x / y и встречается преимущественно с медными соединениями MCPCB.
Чтобы проиллюстрировать это, рассмотрим стандартный светодиод CSP, припаянный к медному контурному слою толщиной около 50 мкм и диаметром 35 мм, который, в свою очередь, находится на диэлектрике, а затем на алюминиевом радиаторе. В зависимости от класса платы теплопроводность диэлектрика обычно будет составлять от около 3 до 10 Вт / мК и от 10 до 50 мкм. Это означает, что осевой тепловой импеданс будет находиться в пределах от 0,16 до 0,01 ° C ∙ см2 / Вт. То есть для плиты диэлектрика, имеющей 10 мм в толщину, каждый ватт теплового потока не пройдет мгновенно, а приведет к расчетной разности температур (0,16-0,01 ° С) между двумя гранями.
На практике для оптимального охлаждения светодиодов CSP необходимо сбалансировать осевую и радиальную проводимость. Если медная область чрезмерно уменьшена, слишком много приходится на осевую проводимость, поэтому тепловое сопротивление поднимается. Это означает, что плотная упаковка светодиодов CSP может привести к тепловому дисбалансу по площади массива. И наоборот, чрезмерное увеличение площади меди очень мало меняет ситуацию, поскольку из-за высокой термостойкости в горизонтальной плоскости, препятствующей распространению тепла на какое-либо значительное расстояние.
Часто предполагается, что определение толстого слоя меди на MCPCB будет распространять тепло по всему периметру, уменьшая плотность потока и позволяя легко удалять тепло через диэлектрик со средним термическим сопротивлением. Хотя это верно в определенной степени, только самые лучшие MCPCB имеют достаточно низкое тепловое сопротивление для размещения светодиодов CSP высокой мощности. Благодаря этим продуктам увеличение толщины меди не меняет оптимальную площадь меди (диаметром около 3,5 мм), поскольку теплопроводность в плоскости даже около 105 мкм (3 унции) толщины плоскости меди при достойном уровне качества MCPCB мало по сравнению с проводимостью диэлектрика по оси z. Существует также ограничение того, что медные дорожки под светодиодом CSP должны иметь зазор около 200 мкм, а это становится обеспечить все труднее, поскольку толщина меди увеличивается.
При любом тепловом анализе светодиодных структур следует помнить, что тепловой путь между светодиодом и радиатором не является сплошным куском однородного материала. Обычно он содержит сложный набор материалов, таких как упаковка светодиода, паяное соединение, монтажная плата, материал с тепловым интерфейсом, разбрасыватель тепла и многое другое. Каждая из этих структур будет иметь радикально разные размеры, теплопроводность и удельную теплоемкость, с различными сопротивлениями соединяющихся частей между всеми различными слоями. Из них сопротивление соединений часто является самым критичным и одним из самых сложных для моделирования. Тепловое сопротивление одного соединения может заглушить термические свойства других материалов в структуре, что заставит выкинуть расчеты производительности на ветер. Лучшие технические решения направлены на то, чтобы минимизировать сопротивление соединений между элементами на плате, наиболее гарантированным способом этого является их устранение из структуры. Покрытия и другие слоистые конструкции особенно уязвимы для высокого сопротивления соединений и возможности его изменения со временем. В то время как гомогенные материалы лучше всего тогда, когда требуется сборка из разных материалов, наиболее надежный и стабильный подход заключается в достижении сцепления на атомном уровне между материалами. Очень ограниченное число покрытий и диапазон процессов доступно для таких решений.
Об идеальном профиле решения MCPCB для светодиодов CSP
Таким образом, повторим, высокая осевая проводимость через MCPCB является ключом к успешному проектированию CSP. Когда осевая проводимость высока, это нивелирует преимущества распределения тепла, обычно обнаруживаемые при использовании толстой медной проводки. Для эффективного управления точечным тепловым потоком, генерируемым CSP, требуется другой подход к самому MCPCB.
Диэлектрический слой также должен быть достаточно прочным, чтобы выдерживать производственный процесс и быть достаточно прочным для продолжения активного использования. И, наконец, MCPCB должен минимизировать сопротивление соединений между различными материалами, чтобы максимизировать композитную теплопроводность.
Рисунок 4: График, демонстрирующий, что для MCPCB с достаточно низким тепловым сопротивлением для размещения светодиодов CSP вес меди оказывает незначительное влияние на эффективность
Альтернативные решения для MCPCB для светодиодов CSP
Почти все MCPCB следуют одному и тому же базовому формату с точки зрения их конструкции: они изготовлены из металлического листа (обычно из алюминия, иногда из меди), покрытого тонким (30+ мкм) слоем меди для электропроводки. Этот медный слой прикреплен (и электрически изолирован от металлического основания) диэлектрическим слоем эпоксидной смолы, заполненным частицами теплопроводной керамики, для увеличения тепловых характеристик. Однако существует верхний предел того, какая часть теплопроводящей керамики может быть добавлена. Перегрузка эпоксидной смолы керамической приводит к тому, что диэлектрический слой становится рыхлым, и адгезия к металлической подложке и медной проводке будет плохой. Не подходит для продукта, который должен быть достаточно прочным, чтобы обеспечить несколько десятилетий (50 000 часов) активной службы.
Хотя среди теплопроводящих диэлектриков всегда есть новые разработки, всегда существует компромисс между производительностью и долговечностью. В настоящее время это ограничивает производительность MCPCB по теплопроводности до 100 Вт / мК.
Эти тепловые характеристики вполне приемлемы для большинства конструкций светодиодных модулей, но когда речь идет о модулях CSP, особенно для мощных плотных конструкций, они просто не предлагают требуемой производительности. Исторически существует только один вариант, доступный производителям, когда тепловые характеристики MCPCB не соответствуют требованиям, и это переход на полностью керамическую подложку, такую, как нитрид алюминия; материал с исключительно высокой теплопроводностью и исключительно высокой ценой соответственно.
Имея лучшее от керамических и металлических печатных плат, нанокерамика обеспечивает осевую проводимость и низкую сопротивляемость на границах материала для оптимального эффекта.
Как работает Нанокерамика в качестве решения для MCPCB
Запатентованный процесс электрохимического окисления (ECO) превращает поверхность листа алюминия в слой оксида алюминия (Al2O3) толщиной всего в десятки микрон. Несмотря на то, что оксид алюминия не является особенно эффективным теплоносителем (около 7,3 Вт / мК для оксида алюминия, созданного процессом ECO), тонкость слоя означает, что тепло имеет чрезвычайно короткий маршрут, чтобы достичь алюминиевой основы.
Интересным побочным эффектом окисления ECO является то, что слой оксида алюминия атомарно связан с алюминиевым основанием. Это оказывает существенное влияние на сопротивление интерфейса между двумя материалами, что помогает снизить общее тепловое сопротивление стопки (сборок). Устойчивость также впечатляет и невозможно механически отщепить нанокерамику от алюминия, из которого он был сформирован.
Эта комбинация очень тонкого диэлектрического слоя с относительно высокой теплопроводностью, атомарно связанная с алюминиевым основанием, дает MCPCB, содержащий нанокерамику с ламинированной медью, исключительную общую теплопроводность около 115 Вт / мК (провод проводки меди прикреплен к нанокерамике с эпоксидным слоем 3-5 мкм). Это делает этот продукт идеально подходящим для требований приложений CSP.
Выводы
какие светодиодные лампы головного света лучше выбрать?
Большая делема для многих автолюбителей — это выбор хороших светодиодных ламп для своего автомобиля. Какие светодиодные лампы лучше поставить? Какие LED лампы будут долго служить? Не буду ли я слепить воителей встречных авто?
Это очень правильные и справедливые вопросы! В этой статье мы расскажем Вам об интересных новинках на рынке автомобильных светодиодных ламп и о том, какими приемуществами обладают те или иные модели.
В данном обзоре мы выбрали несколько ламп головного света:
Все эти лампы неплохо зарекомендовали себя на рынке светодиодных ламп головного света! Самое главное, что невозможно выделить какую то модель в особенности! Каждая из них предназначена для решения определенных задач и работает идеально при некоторых условиях!
Все из них, за исключением Optima Light Cobal (светодиоды CREE)(из-за мощного чипа CREE), отлично фокусируются в рефлекторной оптике! Это значит, что при правильной регулировки фар эти лампы не будут слепить водителей встречных авто. Данные модели имеют разные светодиоды, такие как:
Lextar — тайваньская компания Lextar, сосредоточена на выпуске высокотехнологичных светодиодов для автомобильной промышленности с 2008 года. Обладает новейшим оборудованием в области производства LED.
CSP — Корейский чип разработан как аналог PHILIPS luxeon Z-ES. обладают меньшей мощностью чем PHILIPS, но в зависимости от конкретной оптики бывает вполне достаточным для улучшения света. Лампы с такими чипами рекомендуем как правило для установки в ПТФ.
SAMSUNG — Яркие и современные светодиоды обладающие высокой мощностью.
CREE — Данные светодиоды имеют высокую светоотдачу, но рекомендованы к установке только в линзованную оптику, т.к. такой светодиод не будет правильно фокусироваться в рефлекторной оптике.
Нет LED ламп идеально подходящих под каждый автомобиль! Все лампы имеют особенный конструктив. если вы захотите установить в свой автомобиль хорошие светодиодные лампы, то прежде всего проконсультируйтесь со специалистами. А мы в свою очередь постараемся помочь Вам сделать правильный выбор!