發(fā)光二極管陶瓷基板

1、LED陶瓷散熱基板1、前言璦司柏電子為因應(yīng)高功率LED照明世代的來(lái)臨,致力尋求高功率LED的解熱方案,近年來(lái),陶瓷的優(yōu)良絕緣性與散熱效率促使得LED照明進(jìn)入了新瓷器時(shí)代。LED 散熱技術(shù)隨著高功率LED產(chǎn)品的應(yīng)用發(fā)展,已成為各家業(yè)者相繼尋求解決的議題,而LED散熱基板的選擇亦隨著LED之線(xiàn)路設(shè)計(jì)、尺寸、發(fā)光效率等條件的不同有設(shè)計(jì)上的差異,以目前市面上最常見(jiàn)的可區(qū)分為(一)系統(tǒng)電路板,其主要是作為L(zhǎng)ED最后將熱能傳導(dǎo)到大氣中、散熱鰭片或外殼的散熱系統(tǒng),而列為系統(tǒng)電路板的種類(lèi)包括：鋁基板(MCPCB)、印刷電路板(PCB)以及軟式印刷電路板(FPC)。(二)LED芯片基板,是屬于LED芯片與系統(tǒng)電

2、路板兩者之間熱能導(dǎo)出的媒介,并藉由共晶或覆晶與LED芯片結(jié)合。為確保LED的散熱穩(wěn)定與LED芯片的發(fā)光效率,近期許多以陶瓷材料作為高功率LED散熱基板之應(yīng)用,其種類(lèi)主要包含有：低溫共燒多層陶瓷(LTCC)、高溫共燒多層陶瓷(HTCC)、直接接合銅基板(DBC)、直接鍍銅基板(DPC)四種,以下本文將針對(duì)陶瓷LED芯片基板的種類(lèi)做深入的探討。2、陶瓷散熱基板種類(lèi)現(xiàn)階段較普遍的陶瓷散熱基板種類(lèi)共有LTCC、HTCC、DBC、DPC四種,其中HTCC屬于較早期發(fā)展之技術(shù),但由于其較高的工藝溫度(13001600),使其電極材料的選擇受限,且制作成本相當(dāng)昂貴,這些因素促使LTCC的發(fā)展,LTCC雖然將

3、共燒溫度降至約850,但其尺寸精確度、產(chǎn)品強(qiáng)度等技術(shù)上的問(wèn)題尚待突破。而DBC與DPC則為近幾年才開(kāi)發(fā)成熟,且能量產(chǎn)化的專(zhuān)業(yè)技術(shù),但對(duì)于許多人來(lái)說(shuō),此兩項(xiàng)專(zhuān)業(yè)的工藝技術(shù)仍然很陌生,甚至可能將兩者誤解為同樣的工藝。DBC乃利用高溫加熱將Al2O3與Cu板結(jié)合,其技術(shù)瓶頸在于不易解決Al2O3與Cu板間微氣孔產(chǎn)生之問(wèn)題,這使得該產(chǎn)品的量產(chǎn)能量與良率受到較大的挑戰(zhàn),而DPC技術(shù)則是利用直接披覆技術(shù),將Cu沉積于Al2O3基板之上,其工藝結(jié)合材料與薄膜工藝技術(shù),其產(chǎn)品為近年最普遍使用的陶瓷散熱基板。然而其材料控制與工藝技術(shù)整合能力要求較高,這使得跨入DPC產(chǎn)業(yè)并能穩(wěn)定生產(chǎn)的技術(shù)門(mén)檻相對(duì)較高,下文將針對(duì)

4、四種 1陶瓷散熱基板的生產(chǎn)流程做進(jìn)一步的說(shuō)明,進(jìn)而更加摻解四種陶瓷散熱基板制造過(guò)程的差異。2-1 LTCC (Low-Temperature Co-fired Ceramic)LTCC 又稱(chēng)為低溫共燒多層陶瓷基板,此技術(shù)須先將無(wú)機(jī)的氧化鋁粉與約30%50%的玻璃材料加上有機(jī)黏結(jié)劑,使其混合均勻成為泥狀的漿料,接著利用刮刀把漿料刮成片狀,再經(jīng)由一道干燥過(guò)程將片狀漿料形成一片片薄薄的生胚,然后依各層的設(shè)計(jì)鉆導(dǎo)通孔,作為各層訊號(hào)的傳遞,LTCC內(nèi)部線(xiàn)路則運(yùn)用網(wǎng)版印刷技術(shù),分別于生胚上做填孔及印制線(xiàn)路,內(nèi)外電極則可分別使用銀、銅、金等金屬,最后將各層做疊層動(dòng)作,放置于850900的燒結(jié)爐中燒結(jié)成型,即

5、可完成。詳細(xì)制造過(guò)程如圖1 LTCC生產(chǎn)流程圖。2-2 HTCC (High-Temperature Co-fired Ceramic)HTCC又稱(chēng)為高溫共燒多層陶瓷,生產(chǎn)制造過(guò)程與LTCC極為相似,主要的差異點(diǎn)在于HTCC的陶瓷粉末并無(wú)加入玻璃材質(zhì),因此,HTCC的必須再高溫13001600環(huán)境下干燥硬化成生胚,接著同樣鉆上導(dǎo)通孔,以網(wǎng)版印刷技術(shù)填孔與印制線(xiàn)路,因其共燒溫度較高,使得金屬導(dǎo)體材料的選擇受限,其主要的材料為熔點(diǎn)較高但導(dǎo)電性卻較差的鎢、鉬、錳等金屬,最后再疊層燒結(jié)成型。2-3 DBC (Direct Bonded Copper)DBC直接接合銅基板,將高絕緣性的Al2O3或AlN

6、陶瓷基板的單面或雙面覆上銅金屬后,經(jīng)由高溫10651085的環(huán)境加熱,使銅金屬因高溫氧化、擴(kuò)散與Al2O3材質(zhì)產(chǎn)生(Eutectic) 共晶熔體,使銅金與陶瓷基板黏合,形成陶瓷復(fù)合金屬基板,最后依據(jù)線(xiàn)路設(shè)計(jì),以蝕刻方式備制線(xiàn)路,DBC制造流程圖如下圖2。2-4 DPC (Direct Plate Copper)DPC亦稱(chēng)為直接鍍銅基板,以璦司柏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(zhuān)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?gòu)?fù)合層,接著以黃光微影之光阻被覆曝光、顯影、蝕刻、去膜工藝完成線(xiàn)路制作,最后再以電鍍/化學(xué)鍍沉積方式增加線(xiàn)路的厚度,待光阻移除后即完成金屬化線(xiàn)路

7、制作,詳細(xì)DPC生產(chǎn)流程圖如下圖3。3、陶瓷散熱基板特性在摻解陶瓷散熱基板的制造方法后,接下來(lái)將近一步的探討各個(gè)散熱基板的特性具有哪些差異,而各項(xiàng)特性又分別代表了什么樣的意義,為何會(huì)影響了散熱基板在應(yīng)用時(shí)必須作為考量的重點(diǎn)。以下表一 陶瓷散熱基板特性比較中,本文取了散熱基板的：(1)熱傳導(dǎo)率、 (2)工藝溫度、(3)線(xiàn)路制作方法、(4)線(xiàn)徑寬度,四項(xiàng)特性作進(jìn)一步的討論：3-1熱傳導(dǎo)率熱傳導(dǎo)率又稱(chēng)為熱導(dǎo)率,它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。LED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

8、延長(zhǎng)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(píng)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2024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23W/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1617W/mK之間。一般來(lái)說(shuō),LTCC與HTCC散熱效果并不如DBC與DPC散熱基板里想。3-2 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(guò)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

9、對(duì)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13001600之間,而LTCC/DBC的工藝溫度亦約在8501000之間。此外,HTCC與LTCC在工藝后對(duì)必須疊層后再燒結(jié)成型,使得各層會(huì)有收縮比例問(wèn)題,為解決此問(wèn)題相關(guān)業(yè)者也在努力尋求解決方案中。另一方面,DBC對(duì)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10651085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(shì)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250350左右的溫度即可完成散熱基板的制作,完全避免了高溫對(duì)于

10、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(wèn)題。3-3工藝能力在表一中的工藝能力,主要是表示各種散熱基板的金屬線(xiàn)路是以何種工藝技術(shù)完成,由于線(xiàn)路制造/成型的方法直接影響了線(xiàn)路精準(zhǔn)度、表面粗糙鍍、對(duì)位精準(zhǔn)度等特性,因此在高功率小尺寸的精細(xì)線(xiàn)路需求下,工藝解析度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(xiàn)路制作,厚膜印刷本身即受限于網(wǎng)版張力問(wèn)題,一般而言,其線(xiàn)路表面較為粗糙,且容易造成有對(duì)位不精準(zhǔn)與累進(jìn)公差過(guò)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(wèn)題需要考量,這使得其工藝解析度較為受限。而DBC雖以微影工藝備制金屬線(xiàn)路,但因其工藝能力限

11、制,金屬銅厚的下限約在150300um之間,這使得其金屬線(xiàn)路的解析度上限亦僅為150300um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(xiàn)路,使基板上的線(xiàn)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(xiàn)路的厚度,DPC金屬線(xiàn)路厚度可依產(chǎn)品實(shí)際需求(金屬厚度與線(xiàn)路解析度)而設(shè)計(jì)。一般而言,DPC金屬線(xiàn)路的解析度在金屬線(xiàn)路深寬比為1:1的原則下約在1050um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(wèn)題。下表二即為厚膜與薄膜工藝產(chǎn)品的差異做簡(jiǎn)單的比較。4、陶瓷散熱基板之應(yīng)用陶瓷散熱基板會(huì)因應(yīng)需求

12、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(guān)大多呈現(xiàn)凹杯狀,且依客戶(hù)端的需求可制作出有導(dǎo)線(xiàn)架 & 沒(méi)有導(dǎo)線(xiàn)架兩種散熱基板,凹杯形狀主要是針對(duì)封裝工藝采用較簡(jiǎn)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(xiàn)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(xiàn)路,使得線(xiàn)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(guān)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TC

13、C采用13001600高溫干燥硬化,使生產(chǎn)成本的增加,相對(duì)的HTCC基板費(fèi)用也高,因此對(duì)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(guān)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(xiàn)路加工,再根據(jù)客戶(hù)需求切割成小尺寸產(chǎn)品,輔以共晶/覆晶工藝,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(xiàn)路解析度上限僅為150300um,若要特別制作細(xì)線(xiàn)路產(chǎn)品,必須采用研磨方式加工,以降

14、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(wèn)題,使得DBC產(chǎn)品不易于共晶/覆晶工藝高線(xiàn)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(xiàn)路加工,具備了線(xiàn)路高精準(zhǔn)度與高表面平整度的的特性,非常適用于覆晶/共晶接合方式的工藝,能夠大幅減少LED產(chǎn)品的導(dǎo)線(xiàn)截面積,進(jìn)而提升散熱的效率。各種陶瓷散熱基板之范例圖片與其應(yīng)用范圍如下表三。5、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(shuō)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23W/mK之間,比其

15、他陶瓷基板都還要低。再者,LTCC使用網(wǎng)印方式印制線(xiàn)路,使線(xiàn)路本身具有線(xiàn)徑寬度不夠精細(xì)、以及網(wǎng)版張網(wǎng)問(wèn)題,導(dǎo)致線(xiàn)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(wèn)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13001600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(wèn)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10651085高溫熔煉,制造費(fèi)用較高,且有基板與Cu板間有微氣孔問(wèn)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(xiàn)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(wèn)題,若將產(chǎn)品使用于共晶