(论文)发光二极管陶瓷基板

1 LED 陶瓷散热基板陶瓷散热基板 1、前言、前言 瑷司柏电子为因应高功率 LED 照明世代的来临,致力寻求高功率 LED 的解热方案,近年 来,陶瓷的优良绝缘性与散热效率促使得 LED 照明进入了新瓷器时代。LED 散热技术随着 高功率 LED 产品的应用发展,已成为各家业者相继寻求解决的议题,而 LED 散热基板的选择 亦随着 LED 之线路设计、尺寸、发光效率等条件的不同有设计上的差异,以目前市面上最 常见的可区分为(一)系统电路板,其主要是作为 LED 最后将热能传导到大气中、散热鳍片或 外壳的散热系统,而列为系统电路板的种类包括：铝基板(MCPCB)、印刷电路板(PCB)以及 软式印刷电路板(FPC)。(二)LED 芯片基板,是属于 LED 芯片与系统电路板两者之间热能导 出的媒介,并藉由共晶或覆晶与 LED 芯片结合。为确保 LED 的散热稳定与 LED 芯片的发光 效率,近期许多以陶瓷材料作为高功率 LED 散热基板之应用,其种类主要包含有：低温共烧 多层陶瓷(LTCC)、高温共烧多层陶瓷(HTCC)、直接接合铜基板(DBC)、直接镀铜基板(D PC)四种,以下本文将针对陶瓷 LED 芯片基板的种类做深入的探讨。 2、陶瓷散热基板种类、陶瓷散热基板种类 现阶段较普遍的陶瓷散热基板种类共有 LTCC、HTCC、DBC、DPC 四种,其中 HTCC 属于较早期发展之技术,但由于其较高的工艺温度(13001600),使其电极材料的选择受 限,且制作成本相当昂贵,这些因素促使 LTCC 的发展,LTCC 虽然将共烧温度降至约 850, 但其尺寸精确度、产品强度等技术上的问题尚待突破。而 DBC 与 DPC 则为近几年才开发 成熟,且能量产化的专业技术,但对于许多人来说,此两项专业的工艺技术仍然很陌生,甚至可 能将两者误解为同样的工艺。DBC 乃利用高温加热将 Al2O3 与 Cu 板结合,其技术瓶颈在 于不易解决 Al2O3 与 Cu 板间微气孔产生之问题,这使得该产品的量产能量与良率受到较大 的挑战,而DPC技术则是利用直接披覆技术,将Cu沉积于Al2O3基板之上,其工艺结合材料 与薄膜工艺技术,其产品为近年最普遍使用的陶瓷散热基板。然而其材料控制与工艺技术整 合能力要求较高,这使得跨入 DPC 产业并能稳定生产的技术门槛相对较高,下文将针对四种 2 陶瓷散热基板的生产流程做进一步的说明,进而更加掺解四种陶瓷散热基板制造过程的差 异。 2-1 LTCC (Low-Temperature Co-fired Ceramic) LTCC 又称为低温共烧多层陶瓷基板,此技术须先将无机的氧化铝粉与约 30%50% 的玻璃材料加上有机黏结剂,使其混合均匀成为泥状的浆料,接着利用刮刀把浆料刮成片状, 再经由一道干燥过程将片状浆料形成一片片薄薄的生胚,然后依各层的设计钻导通孔,作为 各层讯号的传递,LTCC 内部线路则运用网版印刷技术,分别于生胚上做填孔及印制线路,内 外电极则可分别使用银、铜、金等金属,最后将各层做叠层动作,放置于 850900的烧结 炉中烧结成型,即可完成。详细制造过程如图 1 LTCC 生产流程图。 3 2-2 HTCC (High-Temperature Co-fired Ceramic) HTCC又称为高温共烧多层陶瓷,生产制造过程与LTCC极为相似,主要的差异点在于H TCC 的陶瓷粉末并无加入玻璃材质,因此,HTCC 的必须再高温 13001600环境下干燥 硬化成生胚,接着同样钻上导通孔,以网版印刷技术填孔与印制线路,因其共烧温度较高,使得 金属导体材料的选择受限,其主要的材料为熔点较高但导电性却较差的钨、钼、锰等金属, 最后再叠层烧结成型。 2-3 DBC (Direct Bonded Copper) DBC 直接接合铜基板,将高绝缘性的 Al2O3 或 AlN 陶瓷基板的单面或双面覆上铜金属 后,经由高温 10651085的环境加热,使铜金属因高温氧化、扩散与 Al2O3 材质产生(E utectic) 共晶熔体,使铜金与陶瓷基板黏合,形成陶瓷复合金属基板,最后依据线路设计,以 蚀刻方式备制线路,DBC 制造流程图如下图 2。 2-4 DPC (Direct Plate Copper) 4 DPC 亦称为直接镀铜基板,以瑷司柏 DPC 基板工艺为例：首先将陶瓷基板做前处理清 洁,利用薄膜专业制造技术-真空镀膜方式于陶瓷基板上溅镀结合于铜金属复合层,接着以黄 光微影之光阻被覆曝光、显影、蚀刻、去膜工艺完成线路制作,最后再以电镀/化学镀沉积方 式增加线路的厚度,待光阻移除后即完成金属化线路制作,详细 DPC 生产流程图如下图 3。 3、陶瓷散热基板特性、陶瓷散热基板特性 在掺解陶瓷散热基板的制造方法后,接下来将近一步的探讨各个散热基板的特性具有哪 些差异,而各项特性又分别代表了什么样的意义,为何会影响了散热基板在应用时必须作为 考量的重点。 以下表一 陶瓷散热基板特性比较中,本文取了散热基板的： (1)热传导率、 (2) 工艺温度、(3)线路制作方法、(4)线径宽度,四项特性作进一步的讨论： 5 3-1 热传导率 热传导率又称为热导率,它代表了基板材料本身直接传导热能的一种能力,数值愈高代 表其散热能力愈好。 LED 散热基板最主要的作用就是在于,如何有效的将热能从 LED 芯片传 导到系统散热,以降低 LED 芯片的温度,增加发光效率与延长 LED 寿命,因此,散热基板热传 导效果的优劣就成为业界在选用散热基板时,重要的评估项目之一。检视表一,由四种陶瓷散 热基板的比较可明看出,虽然Al2O3材料之热传导率约在2024之间,LTCC为降低其烧结 温度而添加了 30%50%的玻璃材料,使其热传导率降至 23W/mK 左右;而 HTCC 因其 普遍共烧温度略低于纯Al2O3基板之烧结温度,而使其因材料密度较低使得热传导系数低A l2O3 基板约在 1617W/mK 之间。一般来说,LTCC 与 HTCC 散热效果并不如 DBC 与 D PC 散热基板里想。 3-2 操作环境温度 操作环境温度,主要是指产品在生产过程中,使用到最高工艺温度,而以一生产工艺而言, 所使用的温度愈高,相对的制造成本也愈高,且良率不易掌控。HTCC 工艺本身即因为陶瓷粉 末材料成份的不同,其工艺温度约在 13001600之间,而 LTCC/DBC 的工艺温度亦约在 8501000之间。此外,HTCC 与 LTCC 在工艺后对必须叠层后再烧结成型,使得各层会 有收缩比例问题,为解决此问题相关业者也在努力寻求解决方案中。另一方面,DBC 对工艺 6 温度精准度要求十分严苛,必须于温度极度稳定的 10651085温度范围下,才能使铜层 熔炼为共晶熔体,与陶瓷基板紧密结合,若生产工艺的温度不够稳定,势必会造成良率偏低的 现象。而在工艺温度与裕度的考量,DPC 的工艺温度仅需 250350左右的温度即可完成 散热基板的制作,完全避免了高温对于材料所造成的破坏或尺寸变异的现象,也排除了制造 成本费用高的问题。 3-3 工艺能力 在表一中的工艺能力,主要是表示各种散热基板的金属线路是以何种工艺技术完成,由 于线路制造/成型的方法直接影响了线路精准度、表面粗糙镀、对位精准度等特性,因此在 高功率小尺寸的精细线路需求下,工艺解析度便成了必须要考虑的重要项目之一。LTCC 与 HTCC 均是采用厚膜印刷技术完成线路制作,厚膜印刷本身即受限于网版张力问题,一般而 言,其线路表面较为粗糙,且容易造成有对位不精准与累进公差过大等现象。此外,多层陶瓷 叠压烧结工艺,还有收缩比例的问题需要考量,这使得其工艺解析度较为受限。而 DBC 虽以 微影工艺备制金属线路,但因其工艺能力限制,金属铜厚的下限约在 150300um 之间,这 使得其金属线路的解析度上限亦仅为 150300um 之间(以深宽比 1:1 为标准)。而 DPC 则是采用的薄膜工艺制作,利用了真空镀膜、黄光微影工艺制作线路,使基板上的线路能够更 加精确,表面平整度高,再利用电镀/电化学镀沉积方式增加线路的厚度,DPC 金属线路厚度 可依产品实际需求(金属厚度与线路解析度)而设计。一般而言,DPC 金属线路的解析度在金 属线路深宽比为 1:1 的原则下约在 1050um 之间。因此,DPC 杜绝了 LTCC/HTCC 的烧 结收缩比例及厚膜工艺的网版张网问题。 下表二即为厚膜与薄膜工艺产品的差异做简单的比 较。 7 4、陶瓷散热基板之应用、陶瓷散热基板之应用 陶瓷散热基板会因应需求及应用上的不同,外型亦有所差别。另一方面,各种陶瓷基板也 可依产品制造方法的不同,作出基本的区分。 LTCC 散热基板在 LED 产品的应用上,大多以大 尺寸高功率以及小尺寸低功率产品为主,基本上外观大多呈现凹杯状,且依客户端的需求可 制作出有导线架 再者,若要制作细线路必 须采用特殊处理方式将铜层厚度变薄,却造成表面平整度不佳的问题,若将产品使用于共晶/ 覆晶工艺的 LED 产品相对较为严苛。反倒是 DPC 产品,本身采用薄膜工艺的真空溅镀方式 镀上薄铜,再以