陶瓷散熱基板與MCPCB的散熱差異分析比

隨著科技日新月異的發(fā)展，近年來(lái)全球環(huán)保的意識(shí)抬頭，如何有效開發(fā)出節(jié)能省電的科技產(chǎn)品已成為現(xiàn)今趨勢(shì)。就LED產(chǎn)業(yè)而言，慢慢這幾年內(nèi)成為快速發(fā)的新興產(chǎn)業(yè)之一，在2010年的中國(guó)世博會(huì)中可看出LED的技術(shù)更是發(fā)光異彩，從上游到下游的生產(chǎn)制造，每一環(huán)節(jié)都是非常重要的角色。

針對(duì)LED的發(fā)光效率會(huì)隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)與應(yīng)用的次數(shù)增加而持續(xù)降低，過(guò)高的接面溫度會(huì)加速影響其LED發(fā)光的色溫品質(zhì)致衰減，所以接面溫度與LED發(fā)光亮度呈現(xiàn)反比的關(guān)系。此外，隨著LED芯片尺寸的增加與多晶LED封裝設(shè)計(jì)的發(fā)展，LED載板的熱負(fù)荷亦倍增，此時(shí)除載板材料的散熱能力外，其材料的熱穩(wěn)定性便左右了LED產(chǎn)品壽命。簡(jiǎn)單的說(shuō)，高功率LED產(chǎn)品的載板材料需同時(shí)具備高散熱與高耐熱的特性，因此封裝基板的材質(zhì)就成為關(guān)鍵因素。

在傳統(tǒng)LED散熱基板的應(yīng)用上，Metal Core PCB(MCPCB)與陶瓷散熱基板應(yīng)用范圍是有所區(qū)別的，MCPCB主要使用于系統(tǒng)電路板，陶瓷散熱基板則是應(yīng)用于LED芯片基板，然而隨著LED需求的演化，二者逐漸被應(yīng)用于COB(Chip ON board)的工藝上，下文將針對(duì)此二種材料作進(jìn)一步討論與比較。

MCPCB

MCPCB主要是從早期的銅箔印刷式電路板(FR4)慢慢演變而成，MCPCB與FR4之間最大的差異是，MCPCB以金屬為核心技術(shù)，采用鋁或銅金屬作為電路板之底材，在基板上附著上一層銅箔或銅板金屬板作線路，用以改善散熱不佳等問(wèn)題。MCPCB的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

圖1   MCPCB結(jié)構(gòu)圖

因鋁金屬本身具有良好的延展性與熱傳導(dǎo)，結(jié)合銅金屬的高熱傳導(dǎo)率，理當(dāng)有非常良好的導(dǎo)熱/散熱效果。

然而，鋁本身為一導(dǎo)體，基于產(chǎn)品特性，鋁基板與銅之間必須利用一絕緣體做絕緣，以避免銅線路與鋁基板上下導(dǎo)通，故MCPCB多采用高分子材料作為絕緣層材料，但絕緣層(Polymer)熱傳導(dǎo)率僅0.2~0.5W/mK，且有耐熱方面的問(wèn)題。因此原本熱傳導(dǎo)率極佳的鋁／銅金屬，在加入Polymer后，形成熱阻，大幅的降低基板整體的熱傳導(dǎo)效率，導(dǎo)致MCPCB的熱傳導(dǎo)率僅有1W/mK~2.2W/mK。

近期的研究中，將高導(dǎo)電材料覆合于MCPCB之高分子材料中，雖提升了MCPCB產(chǎn)品的熱傳導(dǎo)率，但其MCPCB整體主軸方向的熱傳導(dǎo)率亦僅能提升致3~5W/mK左右。

然而，在實(shí)際應(yīng)用上，MCPCB也面臨因沖壓分割時(shí)造成因金屬延伸(如圖2所示)，此時(shí)因金屬銅層受沖壓變形延伸而導(dǎo)致板邊高分子介電絕緣層變形，如此一來(lái)，容易使得LED產(chǎn)品的耐壓特性不穩(wěn)定(介電高分子變形破壞)。

圖2  MCPCB沖壓分割示意圖

陶瓷散熱基板

近期有許多以陶瓷材料作為高功率LED散熱基板之應(yīng)用，然而LTCC／HTCC二者因采用厚膜工藝備置金屬線路，使得線路精準(zhǔn)度不高，加上受限于工藝因素，不利于生產(chǎn)小尺寸的產(chǎn)品，因此LTCC／HTCC現(xiàn)階段工藝能力并不適合小尺寸高功率產(chǎn)品的需求。

另一方面，DBC亦受限于工藝能力，線路分辨率僅適合100~300um，且其量產(chǎn)能力受金屬／陶瓷界面空氣孔洞問(wèn)題而受限。在陶瓷基板產(chǎn)品的線路精確度、材料散熱系數(shù)、金屬表面平整度、金屬／陶瓷間接合覆著度考慮，目前以薄膜微影程制作金屬線的DPC陶瓷基板的應(yīng)用范疇最廣。

MCPCB與薄陶瓷散熱基板的差異

目前市場(chǎng)上多數(shù)還是以MCPCB為主要，其原因成本低廉、一開始的發(fā)光效率佳，但其散熱效果較差，且工藝溫度不可超過(guò)350℃，故無(wú)法應(yīng)用于高功率LED上，其詳細(xì)比較可見表1。

高功率、小尺寸的產(chǎn)品為目前在LED產(chǎn)業(yè)所發(fā)展的重點(diǎn)，在制作越精細(xì)精準(zhǔn)度越高之情況下，工藝的能力與技術(shù)也是相當(dāng)重要的環(huán)節(jié)之一。如何研發(fā)出符合市場(chǎng)需求，解決未來(lái)產(chǎn)品解決方案，進(jìn)而發(fā)揮出最大的經(jīng)濟(jì)效益并且讓我們的產(chǎn)品更加環(huán)保，以符合綠能所需，也是我們著重的課題之一。