LED散熱基板厚膜與薄膜制程差異分析

導(dǎo)讀：影響LED散熱的主要因素包含了LED晶粒、晶粒載板、晶片封裝及模組的材質(zhì)與設(shè)計，而LED及其封裝的材料所累積的熱能多半都是以傳導(dǎo)方式散出，所以LED晶粒 基板及LED晶片封裝的設(shè)計及材質(zhì)就成為了主要的關(guān)鍵，散熱基板的散熱效能儼然成為最重要的議題。

1、簡介

LED 模組現(xiàn)今大量使用在電子相關(guān)產(chǎn)品上，隨著應(yīng)用範(fàn)圍擴(kuò)大以及照明系統(tǒng) 的不斷提升，約從1990 年開始高功率化的要求急速上升，尤其是以白光高功率 型式的需求最大，現(xiàn)在的照明系統(tǒng)上所使用之LED功率已經(jīng)不只 1W、3W、5W 甚 至到達(dá) 10W 以上，所以散熱基板的散熱效能儼然成為最重要的議題。影響LED散熱的主要因素包含了LED晶粒、晶粒載板、晶片封裝及模組的材質(zhì)與設(shè)計，而LED及其封裝的材料所累積的熱能多半都是以傳導(dǎo)方式散出，所以LED晶粒 基板及LED晶片封裝的設(shè)計及材質(zhì)就成為了主要的關(guān)鍵。

2、散熱基板對于LED模組的影響

LED從1970 年以后開始出現(xiàn)紅光的LED，之后很快的演進(jìn)到了藍(lán)光及綠光， 初期的運(yùn)用多半是在一些標(biāo)示上，如家電用品上的指示，到了 2000 年開始，白光高功率 LED 的出現(xiàn)，讓 LED 的運(yùn)用開始進(jìn)入另一階段，像是戶外大型看版、小型顯示器的背光源等 (如圖一)，但隨著高功率的快速演進(jìn)，預(yù)計從 2010 年之后，車用照明、室內(nèi)及特殊照明的需求量日增，但是這些高功率的照明設(shè)備，其散熱效能的要求也越益嚴(yán)苛，因陶瓷基板具有較高的散熱能力與較高的耐熱、氣密性，因此，陶瓷基板為目前高功率 LED 最常使用的基板材料之一。然而，目前 市面上較常見的陶瓷基板多為 LTCC 或厚膜技術(shù)製成的陶瓷散熱基板，此類型產(chǎn) 品受網(wǎng)版印刷技術(shù)的準(zhǔn)備瓶頸，使得其對位精準(zhǔn)度上無法配合更高階的焊接，共 晶(Eutectic)或覆晶(Flip chip) 封裝方式，而利用薄膜製程技術(shù)所開發(fā)的陶瓷 散熱基板則提供了高對位精準(zhǔn)度的產(chǎn)品，以因應(yīng)封裝技術(shù)的發(fā)展。

2.1、散熱基板的選擇。

就LED晶粒承載基板的發(fā)展上，以承載晶粒而言，傳統(tǒng) PCB 的基板材質(zhì)具有 高度商業(yè)化的特色，在 LED 發(fā)展初期有著相當(dāng)?shù)挠绊懥ΑＨ欢?，隨著LED功率的 提升，LED基板的散熱能力，便成為其重要的材料特性之一，為此，陶瓷基板逐 漸成為高效能 LED 的主要散熱基板材料(如表一所示)，并逐漸被市場接受進(jìn)而廣 泛使用。近年來，除了陶瓷基板本身的材料特性問題須考慮之外，對基板上金屬 線路之線寬、線徑、金屬表面平整度與附著力之要求日增，使得以傳統(tǒng)厚膜製程 備製的陶瓷基板逐漸不敷使用，因而發(fā)展出了薄膜型陶瓷散熱基板，本文將針對 陶瓷散熱基板在厚膜與薄膜製程及其產(chǎn)品特性上的差異做出分析。

表一、各類材料散熱系數(shù)

3、陶瓷散熱基板。

從傳統(tǒng)的 PCB(FR4)板，到現(xiàn)在的陶瓷基板，LED 不斷往更高功率的需求發(fā) 展， 現(xiàn)階段陶瓷基板之金屬線路多以厚膜技術(shù)成型，然而厚膜印刷的對位精準(zhǔn) 度使得其無法跟上 LED 封裝技術(shù)之進(jìn)步，其主要因素為在更高功率 LED 元件的散 熱設(shè)計中，使用了共晶以及覆晶兩種封裝技術(shù)，這些技術(shù)的導(dǎo)入不但可以使用高 發(fā)光效率的 LED 晶粒，更可以大幅降低其熱阻值并且讓接合度更加完善，讓整體 運(yùn)作的功率都相對的提昇。但是這兩種接合方式的應(yīng)用都需要擁有精確金屬線路 設(shè)計的基礎(chǔ)，因此以曝光微影為對位方式的薄膜型陶瓷散熱基板就變成為精準(zhǔn)線 路設(shè)計主流。

3-1、厚膜印刷陶瓷基版。

厚膜製程大多使用網(wǎng)版印刷方式形成線路與圖形，因此，其線路圖形的完整度與線路對位的精確度往往隨著印刷次數(shù)增加與網(wǎng)版張力變化而出現(xiàn)明顯的累 進(jìn)差異，此結(jié)果將影響后續(xù)封裝製程上對位的精準(zhǔn)度;再者，隨著元件尺寸不斷 縮小，網(wǎng)版印刷的圖形尺寸與解析度亦有其限制，隨著尺寸縮小，網(wǎng)版印刷所呈現(xiàn)之各單元圖形尺寸差異(均勻性)與金屬厚度差異亦將越發(fā)明顯。為了線路尺寸 能夠不斷縮小與精準(zhǔn)度的嚴(yán)格要求下，LED 散熱基板的生產(chǎn)技術(shù)勢必要繼續(xù)提 升。因而薄膜製程的導(dǎo)入就成為了改善方法之一，然而國內(nèi)擁有成熟的陶瓷基板 薄膜金屬化製程技術(shù)的廠家卻屈指可數(shù)。為此，以薄膜元件起家的璦司柏電子 (ICP)，即針對自家開發(fā)之薄膜基板與傳統(tǒng)厚膜基板進(jìn)行其製程與產(chǎn)品特性差異分析(如下表二所示)。

3-2、薄膜製程應(yīng)用于陶瓷基板。

薄膜技術(shù)的導(dǎo)入正可解決上述線路尺寸縮小的製程瓶頸，結(jié)合高真空鍍膜技 術(shù)與黃光微影技術(shù)，能將線路圖形尺寸大幅縮小，并且可同時符合精準(zhǔn)的線路對 位要求，其各單元的圖形尺寸的低差異性(高均勻性)更是傳統(tǒng)網(wǎng)版印刷所不易達(dá) 到的結(jié)果。在高熱導(dǎo)的要求下，目前璦司柏(ICP)的薄膜製程技術(shù)已能克服現(xiàn)階 段厚膜製程在對位精準(zhǔn)度的瓶頸，圖(二)即為薄膜製程之簡易流程圖，在空白陶 瓷基板上(氧化鋁/氮化鋁)經(jīng)過前處理之后，鍍上種子層(sputtering)，經(jīng)過光 阻披覆、曝光顯影，再將所需之線路增厚(電鍍/化學(xué)鍍)，最后經(jīng)過去膜、蝕刻 步驟使線路成形，此製程所備製之產(chǎn)品具有較高的線路精確度與較佳的金屬鍍層 表面平整度。圖(叁)即為璦司柏薄膜基板產(chǎn)品與傳統(tǒng)厚膜產(chǎn)品的金屬線路光學(xué)顯 微圖像。可明顯看出厚膜印刷之線路，其表面具有明顯的坑洞且線條的平整度不 佳，反觀以薄膜製程製備之金屬線路，不但色澤清晰且線條筆直平整。

由以上厚/薄膜這些金屬線路上的幾何精準(zhǔn)度差異，再加上厚膜線路易因網(wǎng) 版張網(wǎng)問題造成陣列圖形的累進(jìn)公差加劇，使得厚膜印刷產(chǎn)品在后續(xù)晶片置件 上，較容易造成置件偏移或是尋邊異常等困擾。換句話說厚膜印刷產(chǎn)品的對位及 線路的精準(zhǔn)度不夠精確，使其限制了晶片封裝製程的製程裕度(window)。然而， 薄膜製程產(chǎn)品則能大幅改善其現(xiàn)象。

但從產(chǎn)品成本結(jié)構(gòu)來看，如表二所示薄膜產(chǎn)品的製程設(shè)備(黃光微影)與生產(chǎn) 環(huán)境(無塵或潔凈室)相較于厚膜產(chǎn)品其成本較高，然而薄膜製程的金屬線路多以 厚銅材料為主，相較于厚膜印刷之厚銀而言，材料成本卻相對較低，因此，可預(yù) 期的當(dāng)利用薄膜製程將陶瓷基板金屬化的產(chǎn)品，日漸達(dá)到經(jīng)濟(jì)規(guī)模時，其成本將 逐漸趨近于厚膜產(chǎn)品。

圖二、薄膜制程流程