用于高功率發(fā)光二極管的覆銅陶瓷基板研究

　　過去幾年封裝型發(fā)光二極管的功率密度增加了，同時(shí)模塊的壽命要求亦增加了。這樣就帶出了對(duì)改進(jìn)基板導(dǎo)熱性和可靠性的新要求，以超越標(biāo)準(zhǔn)FR4或絕緣金屬基板。覆銅陶瓷(DCB)基板提供了較低熱阻并且已成功應(yīng)用于高功率高壓變頻器和固態(tài)繼電器。

　　DCB工藝

　　DCB基板的制造是使用一種特別的熱熔式粘合方法，一塊已有一層薄氧化銅(氧化于熱處理時(shí)或之前)的銅片與Al2O3陶瓷密貼并于1065℃至1085℃的溫度下受熱 (圖1和圖2)。

　　圖1 氧和氧化銅的共晶

　　共晶熔化體與陶瓷結(jié)合而銅片則仍然是固態(tài)。Al2O3陶瓷的卓越濕性是基于以下反應(yīng)：CuO + Al2O3 = Cu Al2O4

　　以下的特性，使DCB能取代用于多芯片功率模塊的傳統(tǒng)物料。

　　- 盡管銅層相當(dāng)厚(0.3mm)，熱膨脹系數(shù)仍然很低(7.2×10-6);

　　- 銅具高抗剝強(qiáng)度 (>50N/cm);

　　- 由于厚銅片的高效率散熱和銅直接接合于陶瓷，基板的熱阻非常低;

　　- 高機(jī)械和環(huán)境穩(wěn)定性。

　　圖2 DCB工藝

　　圖3 氧化鋁(左圖)和氮化鋁切面

　　基板的橫切面(圖3)顯示氧化鋁(24 W/mK)與氮化鋁基板(180W/mK)的緊密接觸面。

　　動(dòng)機(jī)

　　預(yù)期災(zāi)難性故障比率和接面溫度的相依性是眾所周知和有案可稽的事實(shí)，并可于Arrhenius模型預(yù)見。較高接面溫度會(huì)導(dǎo)至流明降低，因而縮短模塊的預(yù)期壽命。

　　制造優(yōu)質(zhì)發(fā)光二極管模塊的主要方法是以較好封裝以取得較低接面溫度。用適當(dāng)組合的DCB基板之物料可加長裝配發(fā)光二極管模塊裝的壽命和減少價(jià)格和壽命比。氮化鋁與薄氧化鋁(0.25mm) DCB基板都同樣可以對(duì)以上的挑戰(zhàn)做出經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性的解決方案。

　　當(dāng)我們考慮一套典型的5W高功率發(fā)光二極管封裝和大約9mm?的接觸面積(支持基板之金屬片的接觸)，根據(jù)表一之顕示可容易計(jì)算出，就算是標(biāo)準(zhǔn)氧化鋁陶瓷基板已經(jīng)很足夠，那就可以避免花費(fèi)使用制定材料如Si3N4或氮化鋁引致的成本增加。根據(jù)幾何條件熱阻可大為降阺并較之傳統(tǒng)IMS基板(75μm絶縁物厚和2.2W/mK傳熱度)低約60%。

　　表1 基于9mm2面積的熱阻計(jì)算(無熱擴(kuò)散)

　　圖4 LED功率發(fā)展預(yù)測(cè)

　　仔細(xì)觀看功率的預(yù)測(cè)發(fā)展時(shí)(圖4)可以看到，到2010年時(shí)，發(fā)光二極管功率可高達(dá)100W。我們須了解這個(gè)并非全新封裝問題。這個(gè)需求是與傳統(tǒng)電力電子一樣。因此，相同的比對(duì)結(jié)果–應(yīng)用相同的解決方案。

　　圖5 顯示了功率密度和工作溫度。

　　圖5 功率密度和溫度

　　我們參看三家主要發(fā)光二極管制造商的封裝型高功率發(fā)光二極管之發(fā)展趨勢(shì) (圖6)。推動(dòng)設(shè)計(jì)師去設(shè)計(jì)一些可降低熱阻的封裝。

　　圖6 LED功率和封裝熱阻的發(fā)展趨勢(shì)

　　根據(jù)這些數(shù)據(jù)去推斷，似乎進(jìn)一步發(fā)展是把接面和金屬片之間的熱阻降低。對(duì)于功率價(jià)值大于5W的LED 4K/W熱阻值可于不久的將來達(dá)到。

　　對(duì)于晶粒直焊基板封裝，基板本身已經(jīng)是熱管理的樽頸地帶，這趨勢(shì)會(huì)迫使基板作進(jìn)一步改良。

　　發(fā)光二極管封裝的熱能特性

　圖7 熱阻模擬

　　圖7顯示功率發(fā)光二極管封裝的散熱途徑。我們且不談散熱器而集中于RJ-B=RJ-S+RS-B的情況。

　　對(duì)于封裝型發(fā)光二極管的研究，我們使用了Lumileds Luxeon V (數(shù)據(jù)取自公開數(shù)據(jù)單)以作模擬，同時(shí)視察了優(yōu)化散熱的布局模式之熱分布結(jié)果。

　　圖8 幾何模型

　　材料是用一塊鋁覆銅基板1 mm Al / 75 μm絕緣介質(zhì)/70 μm Cu (介質(zhì): 2,2 W / mK)。邊界條件是把散熱器固定于攝氐20度。至于晶粒直焊基板模擬，我們使用一個(gè) 2x2mm的 GaAs正方型體，使用的軟件是 IcePack。

　　封裝型發(fā)光二極管的模擬結(jié)果

　　基板物料 RB 的熱阻顯示了和絕緣物厚度的相依性(圖9)。在封裝型發(fā)光二極管中，測(cè)量到最低值的靜態(tài)基板熱阻是0.3 K/W。

　　圖9 模擬熱阻(包括擴(kuò)散)

　　封裝內(nèi)的溫度分布顯示了大多數(shù)的熱能都分布在封裝內(nèi)的金屬片上。

　　圖10 結(jié)到基板的總熱阻

　　因此參考整體熱阻RJ-B顯示出基板熱阻的降低并未對(duì)發(fā)光二極管的芯片有很大的作用。 雖然溫度有肯定性的減低， Rth跌幅并不很明顯。這是因?yàn)榉庋b本身的熱阻太高而即使基板的熱阻降低卻未能影響到整體結(jié)果。

　　圖11 結(jié)到基板的總模擬熱阻

　　當(dāng)其封裝的熱阻要求再下降，封裝型發(fā)光二極管的情況需重新評(píng)估。

　　CoB的模擬結(jié)果

　　與封裝型的發(fā)光二極管比較，使用芯片直焊基板的方法顯示出熱力分布于不同的基板上有顯著分別。

 　　圖12 CoB仿真結(jié)果(在0.25mm A1203上200μm銅，dTmax=7.4℃)

　　圖13 CoB仿真結(jié)果(在IMS上75μm銅，dTmax=22.8℃，結(jié)到基板熱阻)

　　由模擬結(jié)果可見，DCB基板提供可收到低熱阻的可能性。上述的2.4 K/W是一個(gè)最小互連層熱阻的理想方案。于真實(shí)情況，焊料層和/或黏合層都增加以上數(shù)值。

　　有別于封裝型的類別，晶粒直焊基板的方法可以把芯片緊密固定。

　　散熱和動(dòng)態(tài)反應(yīng)

　　像一些壽命短的產(chǎn)品如閃光燈需要較一般大三倍的電流來驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管，DCB 基板的高熱容量特性對(duì)于此種產(chǎn)品會(huì)有益處。

　　圖14 LED的PWM亮度調(diào)節(jié)方法

　　另外，較為廣泛使用的發(fā)光二極管的亮度調(diào)節(jié)方法是脈波寬度調(diào)變方式，(如圖所顯示的PWM)。使用這種方法發(fā)光二極管的開關(guān)是一個(gè)高頻率的指定工作周期，肉眼只覺得光是暗了而察覺不到其周期。

　　這個(gè)過程意味著熱管理的需求。封裝型發(fā)光二極管一般都用散熱金屬片，晶粒直焊基板封裝需提供足夠熱容量以提供此操作模式使用。

　　厚銅片的散熱效能可進(jìn)一步改進(jìn)散熱性能，這能以一個(gè)實(shí)際的測(cè)量和/或作出有限元素模擬。從模擬中可以清楚看到較厚的DCB銅片的效應(yīng)。當(dāng)中顯示出散熱方法是圍繞芯片作同心分布。

　　圖15 標(biāo)準(zhǔn)彩色圖

　　圖16 帶厚銅片的氧化鋁基板

　　這樣的散熱方法增加了散熱的面積。某些氧化鋁基板/和厚銅片構(gòu)成的組合甚至可以比美氮化鋁DBC的熱性能。

　　在數(shù)值上，靜態(tài)熱阻當(dāng)和其它基板物料比較時(shí)會(huì)有所下降，動(dòng)態(tài)熱性能同時(shí)也顯示了增加熱容量的效應(yīng)。

　　圖17 在DCB和IMS上的CoB的動(dòng)態(tài)性能

　　可靠性的考慮–熱膨脹率

　　不同于封裝型發(fā)光二極管，晶粒直焊基板封裝就需考慮到熱-機(jī)械兼容性的需求。任何剛性之互連層(例如焊料層)兩面的不同之熱膨脹率于會(huì)對(duì)互連層產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)物料的彈性和剛性決定可靠性，較多應(yīng)力就必定會(huì)減低連結(jié)的可靠性。

　　由于允許最高接面溫度的提升，這情況便轉(zhuǎn)為如同功率電子的可靠性問題。增加40℃，銅片與GaAs的不同熱膨脹系數(shù)(16.5-5.5)會(huì)使芯片和基板有約440ppm長度不匹配的問題。

　　表2 各種材料的熱膨脹系數(shù)

　　這就是大功率電子領(lǐng)域里眾所周知的問題，這里有三個(gè)可能的方案：

　　1. 使用匹配的物料以減低熱膨脹系數(shù)的差別

　　2. 減低整體溫度

　　3. 使用非剛性接觸面物料

　　用氧化鋁DCB作為材料的熱膨脹系數(shù)約為7.2 ppm/K，這數(shù)值視其實(shí)際結(jié)構(gòu)而定。因此該物料可于純銅或鋁散熱器和半導(dǎo)體芯片之間提供匹配的材料。

　　圖18 不同的熱膨脹率對(duì)功率的影響

　　改善DCB于功率發(fā)光二極管應(yīng)用

　　現(xiàn)時(shí)DCB可達(dá)到的pitch數(shù)值只限于200-250μm。由于有些發(fā)光二極管芯片制造商依頼倒裝芯片技術(shù)，用于DCB的芯片直焊基板封裝仍需作進(jìn)一步發(fā)展。首次以變更結(jié)構(gòu)化技術(shù)的目標(biāo)是使DCB絕緣間隙在100μm. 的范圍。

　　研發(fā)需進(jìn)一進(jìn)行于芯片焊接的精確幾何對(duì)準(zhǔn)。

　　圖19 銅表面的裝版標(biāo)記

　　結(jié)語

　　DCB基板于功率發(fā)光二極管領(lǐng)域的未來設(shè)計(jì)提供一個(gè)引人注意的方案。由于現(xiàn)時(shí)的封裝型功率發(fā)光二極管具高熱阻，所以基板的改進(jìn)不能帶出重大的益處。 但是，未來發(fā)光二極管的封裝與多芯片直焊基板方法可受益于DCB基板的性能。