LED封裝領(lǐng)域用陶瓷基板現(xiàn)狀與發(fā)展簡要分析

　　直接敷銅陶瓷基板最初的研究就是為了解決大電流和散熱而開發(fā)出來的，后來又應(yīng)用到AlN陶瓷的金屬化。除上述特點(diǎn)外還具有如下特點(diǎn)使其在大功率器件中得到廣泛應(yīng)用：

　　● 機(jī)械應(yīng)力強(qiáng)，形狀穩(wěn)定；高強(qiáng)度、高導(dǎo)熱率、高絕緣性；結(jié)合力強(qiáng)，防腐蝕；

　　● 極好的熱循環(huán)性能，循環(huán)次數(shù)達(dá)5萬次，可靠性高；

　　● 與PCB板(或IMS基片)一樣可刻蝕出各種圖形的結(jié)構(gòu)；無污染、無公害；

　　● 使用溫度寬-55℃～850℃；熱膨脹系數(shù)接近硅，簡化功率模塊的生產(chǎn)工藝。

　　由于直接敷銅陶瓷基板的特性，就使其具有PCB基板不可替代特點(diǎn)。DBC的熱膨脹系數(shù)接近硅芯片，可節(jié)省過渡層Mo片，省工、節(jié)材、降低成本，由于直接敷銅陶瓷基板沒有添加任何釬焊成分，這樣就減少焊層，降低熱阻，減少孔洞，提高成品率，并且在相同載流量下 0.3mm厚的銅箔線寬僅為普通印刷電路板的10%；其優(yōu)良的導(dǎo)熱性，使芯片的封裝非常緊湊，從而使功率密度大大提高，改善系統(tǒng)和裝置的可靠性。

　　為了提高基板的導(dǎo)熱性能，一般是減少基板的厚度，超薄型(0.25mm)DBC板可替代BeO，直接敷接銅的厚度可以達(dá)到0.65mm，這樣直接敷銅陶瓷基板就能承載較大的電流且溫度升高不明顯，100A電流連續(xù)通過1mm寬0.3mm厚銅體，溫升約17℃；100A電流連續(xù)通過2mm寬0.3mm厚銅體，溫升僅5℃左右。與釬焊和Mo-Mn法相比，DBC具有很低的熱阻特性，以10×10mmDBC板的熱阻為例：

　　0.63mm厚度陶瓷基片DBC的熱阻為0.31K/W，0.38mm厚度陶瓷基片DBC的熱阻為0.19K/W，0.25mm厚度陶瓷基片DBC的熱阻為0.14K/W。

　　氧化鋁陶瓷的電阻最高，其絕緣耐壓也高，這樣就保障人身安全和設(shè)備防護(hù)能力；除此之外DBC基板可以實(shí)現(xiàn)新的封裝和組裝方法，使產(chǎn)品高度集成，體積縮小。

　　4.3.1 直接敷銅陶瓷基板發(fā)展趨勢

　　在大功率、高密度封裝中，電子元件及芯片等在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量主要通過陶瓷基板散發(fā)到環(huán)境中，所以陶瓷基板在散熱過程中擔(dān)當(dāng)了重要的角色。Al2O3陶瓷導(dǎo)熱率相對較低，在大功率、高密度封裝器件運(yùn)行時(shí)須強(qiáng)制散熱才可滿足要求。BeO陶瓷導(dǎo)熱性能最好，但因環(huán)保問題，基本上被淘汰。SiC陶瓷金屬化后鍵合不穩(wěn)定，作為絕緣基板用時(shí)，會(huì)引起熱導(dǎo)率和介電常數(shù)的改變。AlN陶瓷具有高的導(dǎo)熱性能，適用于大功率半導(dǎo)體基片，在散熱過程中自然冷卻即可達(dá)到目的，同時(shí)還具有很好的機(jī)械強(qiáng)度、優(yōu)良的電氣性能。雖然目前國內(nèi)制造技術(shù)還需改進(jìn)，價(jià)格也比較昂貴，但其年產(chǎn)增率比Al2O3陶瓷高4倍以上，以后可以取代BeO和一些非氧化物陶瓷。所以采用AlN陶瓷做絕緣導(dǎo)熱基板已是大勢所趨，只不過是存在時(shí)間與性價(jià)比的問題。

　　4.3.2直接敷鋁(DAB)陶瓷基板與直接敷銅陶瓷基板(DBC)性能比較

　　直接敷鋁基板作為一種絕緣載體應(yīng)用于電子電路而取得長足進(jìn)展，該技術(shù)借a了直接敷銅陶瓷基板技術(shù)。這類新型的直接敷Al基板在理論和實(shí)驗(yàn)上表現(xiàn)出好的特性。盡管它的特性在很多方面相似于直接敷Cu基板。對于直接敷Cu基板，由于金屬銅的膨脹系數(shù)室溫時(shí)為17.0 ′10-6/°C，96氧化鋁陶瓷基板的熱膨脹系數(shù)室溫時(shí)為6.0′10-6/°C，銅和氧化鋁敷接的溫度較高（大于1000℃），界面會(huì)形成比較硬的產(chǎn)物CuAlO2，所以敷接銅的氧化鋁基板的內(nèi)應(yīng)力較大，抗熱震動(dòng)性能相對較差，在使用中常常因疲勞而損壞。

　　鋁和銅相比，具有較低的熔點(diǎn)，低廉的價(jià)格和良好的塑性，純鋁的熔點(diǎn)只有660℃，純鋁的膨脹系數(shù)在室溫時(shí)為23.0′ 10-6/℃，金屬鋁和氧化鋁陶瓷基板的敷接是物理濕潤，在界面上沒有化學(xué)反應(yīng)，而且純鋁所具有的優(yōu)良的塑性能夠有效緩解界面因熱膨脹系數(shù)不同引起的熱應(yīng)力，研究也證實(shí)Al/Al2O3陶瓷基板具有非常優(yōu)良的抗熱震性能。這是直接敷Cu基板無法比擬的，同時(shí)金屬鋁和氧化鋁陶瓷之間的抗剝離強(qiáng)度也較大。

　　直接敷鋁基板作為基板特別適合于功率電子電路直接敷鋁基板性能不同于直接敷銅基板的性能，前者在高溫循環(huán)下有更好的穩(wěn)定性能。直接敷鋁基板的芯片也表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性，勝過直接敷銅基板。直接敷鋁基板以它的高的抗熱震性、低的重量，有望在將來開發(fā)出更好的性能，以滿足更高的需求。

　　4.3.3敷鋁陶瓷基板的發(fā)展趨勢

　　敷鋁陶瓷基板(DAB)以其獨(dú)特的性能應(yīng)用于絕緣載體，特別是功率電子電路。這種新型材料在很多方面都有和直接敷銅基板(DBC)相似的地方，而自身又具有顯著的抗熱震性能和熱穩(wěn)定性能，對提高在極端溫度下工作器件的穩(wěn)定性十分明顯。由Al-Al2O3基板、Al-AlN基板做成的電力器件模塊已成功應(yīng)用在日本汽車工業(yè)上。DAB基板在對高可靠性有特殊要求的器件上具有巨大的潛力，這就使其非常適合優(yōu)化功率電子系統(tǒng)、自動(dòng)化、航空航天等。

　　4.4 DPC (Direct Plate Copper)

　　DPC亦稱為直接鍍銅基板， DPC基板工藝為例：首先將陶瓷基板做前處理清潔，利用薄膜專業(yè)制造技術(shù)－真空鍍膜方式于陶瓷基板上濺鍍結(jié)合于銅金屬復(fù)合層，接著以黃光微影之光阻被復(fù)曝光、顯影、蝕刻、去膜工藝完成線路制作，最后再以電鍍/化學(xué)鍍沉積方式增加線路的厚度，待光阻移除后即完成金屬化線路制作，詳細(xì)DPC生產(chǎn)流程圖如下圖。

　　5 、陶瓷基板特性

　　5.1 熱傳導(dǎo)率

　　熱導(dǎo)率代表了基板材料本身直接傳導(dǎo)熱能的一種能力，數(shù)值愈高代表其散熱能力愈好。在LED領(lǐng)域散熱基板最主要的作用就是在于，如何有效的將熱能從LED芯片傳導(dǎo)到系統(tǒng)散熱，以降低LED 芯片的溫度，增加發(fā)光效率與延長LED壽命，因此，散熱基板熱傳導(dǎo)效果的優(yōu)劣就成為業(yè)界在選用散熱基板時(shí)，重要的評估項(xiàng)目之一。檢視表一，由四種陶瓷散熱基板的比較可明看出，雖然Al2O3材料之熱傳導(dǎo)率約在20~24之間，LTCC為降低其燒結(jié)溫度而添加了30%~50%的玻璃材料，使其熱傳導(dǎo)率降至2~3W/mK左右；而HTCC因其普遍共燒溫度略低于純Al2O3基板之燒結(jié)溫度，而使其因材料密度較低使得熱傳導(dǎo)系數(shù)低Al2O3基板約在16~17W/mK之間。一般來說，LTCC與HTCC散熱效果并不如DBC與DPC散熱基板里想。

　　5.2 操作環(huán)境溫度

　　操作環(huán)境溫度，主要是指產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中，使用到最高工藝溫度，而以一生產(chǎn)工藝而言，所使用的溫度愈高，相對的制造成本也愈高，且良率不易掌控。HTCC工藝本身即因?yàn)樘沾煞勰┎牧铣煞莸牟煌?，其工藝溫度約在1300~1600℃之間，而LTCC/DBC的工藝溫度亦約在850~1000℃之間。此外，HTCC與LTCC在工藝后對必須疊層后再燒結(jié)成型，使得各層會(huì)有收縮比例問題，為解決此問題相關(guān)業(yè)者也在努力尋求解決方案中。另一方面，DBC對工藝溫度精準(zhǔn)度要求十分嚴(yán)苛，必須于溫度極度穩(wěn)定的1065~1085℃溫度范圍下，才能使銅層熔煉為共晶熔體，與陶瓷基板緊密結(jié)合，若生產(chǎn)工藝的溫度不夠穩(wěn)定，勢必會(huì)造成良率偏低的現(xiàn)象。而在工藝溫度與裕度的考量，DPC的工藝溫度僅需250~350℃左右的溫度即可完成散熱基板的制作，完全避免了高溫對于材料所造成的破壞或尺寸變異的現(xiàn)象，也排除了制造成本費(fèi)用高的問題。
　
　　5.3 工藝能力

　　工藝能力，主要是表示各種散熱基板的金屬線路是以何種工藝技術(shù)完成，由于線路制造/成型的方法直接影響了線路精準(zhǔn)度、表面粗糙鍍、對位精準(zhǔn)度…等特性，因此在高功率小尺寸的精細(xì)線路需求下，工藝分辨率便成了必須要考慮的重要項(xiàng)目之一。LTCC與HTCC均是采用厚膜印刷技術(shù)完成線路制作，厚膜印刷本身即受限于網(wǎng)版張力問題，一般而言，其線路表面較為粗糙，且容易造成有對位不精準(zhǔn)與累進(jìn)公差過大等現(xiàn)象。此外，多層陶瓷疊壓燒結(jié)工藝，還有收縮比例的問題需要考量，這使得其工藝分辨率較為受限。而DBC雖以微影工藝備制金屬線路，但因其工藝能力限制，金屬銅厚的下限約在150~300um之間，這使得其金屬線路的分辨率上限亦僅為150~300um之間(以深寬比1:1為標(biāo)準(zhǔn))。而DPC則是采用的薄膜工藝制作，利用了真空鍍膜、黃光微影工藝制作線路，使基板上的線路能夠更加精確，表面平整度高，再利用電鍍/電化學(xué)鍍沉積方式增加線路的厚度，DPC金屬線路厚度可依產(chǎn)品實(shí)際需求(金屬厚度與線路分辨率)而設(shè)計(jì)。一般而言，DPC金屬線路的分辨率在金屬線路深寬比為1:1的原則下約在10~50um之間。因此，DPC杜絕了LTCC/HTCC的燒結(jié)收縮比例及厚膜工藝的網(wǎng)版張網(wǎng)問題。

　　5.4、陶瓷散熱基板之應(yīng)用

　　陶瓷散熱基板會(huì)因應(yīng)需求及應(yīng)用上的不同，外型亦有所差別。另一方面，各種陶瓷基板也可依產(chǎn)品制造方法的不同，作出基本的區(qū)分。LTCC散熱基板在LED產(chǎn)品的應(yīng)用上，大多以大尺寸高功率以及小尺寸低功率產(chǎn)品為主，基本上外觀大多呈現(xiàn)凹杯狀，且依客戶端的需求可制作出有導(dǎo)線架 沒有導(dǎo)線架兩種散熱基板，凹杯形狀主要是針對封裝工藝采用較簡易的點(diǎn)膠方式封裝成型所設(shè)計(jì)，并利用凹杯邊緣作為光線反射的路徑，但LTCC本身即受限于工藝因素，使得產(chǎn)品難以備制成小尺寸，再者，采用了厚膜制作線路，使得線路精準(zhǔn)度不足以符合高功率小尺寸的LED產(chǎn)品。而與LTCC工藝與外觀相似的HTCC，在LED散熱基板這一塊，尚未被普遍的使用，主要是因?yàn)镠TCC采用1300~1600℃高溫干燥硬化，使生產(chǎn)成本的增加，相對的HTCC基板費(fèi)用也高，因此對極力朝低成本趨向邁進(jìn)LED產(chǎn)業(yè)而言，面臨了較嚴(yán)苛的考驗(yàn)HTCC。

　　另一方面， DBC與DPC則與LTCC/HTCC不僅有外觀上的差異，連LED產(chǎn)品封裝方式亦有所不同，DBC/DPC均是屬于平面式的散熱基板，而平面式散熱基板可依客制化備制金屬線路加工，再根據(jù)客戶需求切割成小尺寸產(chǎn)品，輔以共晶/復(fù)晶工藝，結(jié)合已非常純熟的螢光粉涂布技術(shù)及高階封裝工藝技術(shù)鑄膜成型，可大幅的提升LED的發(fā)光效率。然而，DBC產(chǎn)品因受工藝能力限制，使得線路分辨率上限僅為150~300um，若要特別制作細(xì)線路產(chǎn)品，必須采用研磨方式加工，以降低銅層厚度，但卻造成表面平整度不易控制與增加額外成本等問題，使得DBC產(chǎn)品不易于共晶/復(fù)晶工藝高線路精準(zhǔn)度與高平整度的要求之應(yīng)用。DPC利用薄膜微影工藝備制金屬線路加工，具備了線路高精準(zhǔn)度與高表面平整度的的特性，非常適用于復(fù)晶/共晶接合方式的工藝，能夠大幅減少LED產(chǎn)品的導(dǎo)線截面積，進(jìn)而提升散熱的效率。

　　6、 結(jié)論

　　經(jīng)由上述各種陶瓷基板之生產(chǎn)流程、特性比較、以及應(yīng)用范圍說明后，可明確的比較出個(gè)別的差異性。其中，LTCC散熱基板在LED產(chǎn)業(yè)中已經(jīng)被廣泛的使用，但LTCC為了降低燒結(jié)溫度，于材料中加入了玻璃材料，使整體的熱傳導(dǎo)率降低至2~3W/mK之間，比其他陶瓷基板都還要低。再者，LTCC使用網(wǎng)印方式印制線路，使線路本身具有線徑寬度不夠精細(xì)、以及網(wǎng)版張網(wǎng)問題，導(dǎo)致線路精準(zhǔn)度不足、表面平整度不佳等現(xiàn)象，加上多層疊壓燒結(jié)又有基板收縮比例的問題要考量，并不符合高功率小尺寸的需求，因此在LED產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用目前多以高功率大尺寸，或是低功率產(chǎn)品為主。而與LTCC工藝相似的HTCC以1300~1600℃的高溫干燥硬化，使生產(chǎn)成本偏高，居于成本考量鮮少目前鮮少使用于LED產(chǎn)業(yè)，且HTCC與LTCC有相同的問題，亦不適用于高功率小尺寸的LED產(chǎn)品。另一方面，為了使DBC的銅層與陶瓷基板附著性佳，必須因采用1065~1085℃高溫熔煉，制造費(fèi)用較高，且有基板與Cu板間有微氣孔問題不易解決，使得DBC產(chǎn)品產(chǎn)能與良率受到極大的考驗(yàn)；再者，若要制作細(xì)線路必須采用特殊處理方式將銅層厚度變薄，卻造成表面平整度不佳的問題，若將產(chǎn)品使用于共晶/復(fù)晶工藝的LED產(chǎn)品相對較為嚴(yán)苛。反倒是DPC產(chǎn)品，本身采用薄膜工藝的真空濺鍍方式鍍上薄銅，再以黃光微影工藝完成線路，因此線徑寬度10~50um，甚至可以更細(xì)，且表面平整度高(0.3um)、線路對位精準(zhǔn)度誤差值僅+/-1%，完全避免了收縮比例、網(wǎng)版張網(wǎng)、表面平整度、高制造費(fèi)用…等問題。雖LTCC、HTCC、DBC、與DPC等陶瓷基板都已廣泛使用與研究，然而，在高功率LED陶瓷散熱領(lǐng)域而言，DPC在目前發(fā)展趨勢看來，可以說是最適合高功率且小尺寸LED發(fā)展需求的陶瓷散熱基板。