2017 九月

嵌入式

集成ESD保护功能的基板

一直以来,印刷电路板所扮演的角色不仅仅是载体材料和元件分配层那么简单,而是越來越多的功能被直接嵌入到电路板中。目前TDK集团利用CeraPad™成功研发了专门针对LED并且集成了ESD保护功能的超薄陶瓷基板。

LED是建筑物室内外照明系统中最先进的元器件。此外,LED还普遍应用于手电筒和相机闪光灯功能的智能手机中。各类车辆的头灯及其它照明系统也采用这种照明技术。尽管它们具有高效能、寿命长等优点,但LED仍然存在一种严重的缺陷:与所有的半导体一样,它们对静电放电 (ESD) 极其敏感。因此,现有解决方案需要根据各个LED的串并联情况,提供相应的独立保护元件。爱普科斯 (EPCOS) CeraDiode®系列的TVS二极管可满足此要求,或者您也可以选用结构更为紧凑、价格极具吸引力的多层压敏电阻。这些表面贴装元件的性能不会受温度影响而出现降额,并且可采用焊接工艺安装方式,不必在PCB上进行复杂的打线接合。图1显示了保护LED免受ESD影响的常规解决方案。

 

图1: 在常规LED灯中,ESD保护元件(此图中为TVS二极管)位于基板LED旁边。

然而,这种独立的解决方案存在着致命的缺陷,即真实光源在印刷电路板表面的利用效率较低。此外,保护元件使得LED光源无法达到最佳的辐射状态,从而降低了LED的使用效率。

为了解决该问题,TDK集团采用了全新的CeraPad解决方案,这种方案结合了公司在微型多层ESD保护元件和LTCC基板方面长期累积起来的丰富经验。CeraPad是集成ESD保护功能的超薄陶瓷基板。这种创新基板可满足极致微型化的需求,并且还具有最佳的ESD保护功能,因此在敏感应用中可实现最高的ESD集成等级。因此,它完全消除了对其它独立ESD元件的需求,显著增加了LED的安装密度,从而能够有效利用基板表面,节省了大量成本。最后,通过减少TVS二极管、接合线,以及相关成本密集型元器件的放置和工艺步骤,可靠性得到显著增加。图2显示了新载体材料的横截面。

 

图2: 在两个通孔之间,可以观测到嵌入式过压保护元件的多层结构。


CeraPad远优于硅基齐纳二极管

该功能性陶瓷基板是一种理想的LED基板,其ESD防护强度最高可达30 kV。目前最先进的齐纳二极管的标准保护能力仅为8 kV,CeraPad陶瓷基板的ESD保护能力优于传统产品的3倍。CeraPad使标准LED元件定制芯片规格封装(CSP)介于CSP0707与CSP1515之间,具有相当高的封装密度。

此外,CeraPad还具有极低的热膨胀系数 (6 ppm/K),与硅基LED的热膨胀系数几乎相同。因此,当温度变化时,基板与LED之间几乎没有机械应力。此外,陶瓷基板具有至少22W/mK的高热导率,并且可通过银质导热孔进一步提升。另外一个优点是,这种基板的厚度仅为300μm至400μm,但是其弯曲强度高达250 MPa。

根据客户的要求,CeraPad的接触焊盘可适用标准SAC(Sn/Ag/Cu, 260 °C)回流焊或共晶焊(AuSn, 320 °C)工艺。图3显示了使用CeraPad实现的LED单元设计。

 

图3: 使用CeraPad,ESD保护功能可直接嵌入到LED下方基板中。与现有的解决方案相比,芯片级封装方式可显著提高封装密度。


使用LED矩阵阵列的自适应汽车头灯

CeraPad不仅适用于集成ESD保护功能的LED芯片基板,而且像传统印刷电路板一样,该技术同样可作为分布层。通过这种方式可实现多达十个这样的分布层,而不会对热性能造成任何影响。与之相比:使用传统的隔离金属基板(IMS),最多可实现五个合理的分布层,并且层数越多,热导率越低。然而,CeraPad基板可放置多达1000个紧密封装的LED,这些LED可根据客户的要求进行单独控制(图4)。

应用设计人员将能够使用这种技术在最小的空间内创造出极具创新的高分辨率照明效果,例如智能手机上的多LED闪光灯,或汽车的自适应大灯。

CeraPad是对TDK CeraDiode系列的扩展产品,其采用创新的晶圆技术、功能强大的陶瓷ESD保护元件以及模块化解决方案。通过CeraPad陶瓷基板,目前TDK集团能够为客户提供具有吸引力的自定义封装解决方案,从而让他们能够更好的面对未来不断上升的IC敏感度的挑战,让客户能利用一种全新的方式进行灯光设计,并继续致力于LED模块的小型化。对客户而言,这将为优化灯具设计提供有吸引力的可能性,进一步提高LED的产量。

 

图4: 这种CeraPad设计方案可实现由CSP0707 LED组成的16 x 16 LED阵列,其中每个LED都可以单独进行控制。例如,在此基础上,自适应汽车头灯可根据客户的要求进行特殊的布局设计,LED数量最多可达1000个。



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