(論文)發(fā)光二極管陶瓷基板

1 LED 陶瓷散熱基板陶瓷散熱基板 1、前言、前言 璦司柏電子為因應(yīng)高功率 LED 照明世代的來臨,致力尋求高功率 LED 的解熱方案,近年 來,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 常見的可區(qū)分為(一)系統(tǒng)電路板,其主要是作為 LED 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(D PC)四種,以下本文將針對陶瓷 LED 芯片基板的種類做深入的探討。 2、陶瓷散熱基板種類、陶瓷散熱基板種類 現(xiàn)階段較普遍的陶瓷散熱基板種類共有 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)上的問題尚待突破。而 DBC 與 DPC 則為近幾年才開發(fā) 成熟,且能量產(chǎn)化的專業(yè)技術(shù),但對于許多人來說,此兩項(xiàng)專業(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)門檻相對較高,下文將針對四種 2 陶瓷散熱基板的生產(chǎn)流程做進(jìn)一步的說明,進(jìn)而更加摻解四種陶瓷散熱基板制造過程的差 異。 2-1 LTCC (Low-Temperature Co-fired Ceramic) LTCC 又稱為低溫共燒多層陶瓷基板,此技術(shù)須先將無機(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 各層訊號的傳遞,LTCC 內(nèi)部線路則運(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,即可完成。詳細(xì)制造過程如圖 1 LTCC 生產(chǎn)流程圖。 3 2-2 HTCC (High-Temperature Co-fired Ceramic) HTCC又稱為高溫共燒多層陶瓷,生產(chǎn)制造過程與LTCC極為相似,主要的差異點(diǎn)在于H TCC 的陶瓷粉末并無加入玻璃材質(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 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(E utectic) 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)線路設(shè)計(jì),以 蝕刻方式備制線路,DBC 制造流程圖如下圖 2。 2-4 DPC (Direct Plate Copper) 4 DPC 亦稱為直接鍍銅基板,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 光微影之光阻被覆曝光、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 3。 3、陶瓷散熱基板特性、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)線路制作方法、(4)線徑寬度,四項(xiàng)特性作進(jìn)一步的討論： 5 3-1 熱傳導(dǎo)率 熱傳導(dǎo)率又稱為熱導(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A l2O3 基板約在 1617W/mK 之間。一般來說,LTCC 與 HTCC 散熱效果并不如 DBC 與 D PC 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?末材料成份的不同,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 6 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。 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,這使得其工藝解析度較為受限。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 150300um 之間,這 使得其金屬線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(金屬厚度與線路解析度)而設(shè)計(jì)。一般而言,DPC 金屬線路的解析度在金 屬線路深寬比為 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)問題。 下表二即為厚膜與薄膜工藝產(chǎn)品的差異做簡單的比 較。 7 4、陶瓷散熱基板之應(yīng)用、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 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/ 覆晶工藝的 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