未來(lái)功率型LED將采用DPC陶瓷基板封裝

功率型LED封裝基板作為熱與空氣對(duì)流的載體，其熱導(dǎo)率對(duì)LED的散熱起著決定性作用。DPC陶瓷基板以其優(yōu)良的性能和逐漸降低的價(jià)格，在眾多電子封裝材料中顯示出很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，是未來(lái)功率型LED封裝發(fā)展的趨勢(shì)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、新制備工藝的出現(xiàn)，高導(dǎo)熱陶瓷材料作為新型電子封裝基板材料，應(yīng)用前景十分廣闊。
隨著LED芯片輸入功率的不斷提高，大耗散功率帶來(lái)的大發(fā)熱量給LED封裝材料提出了更新、更高的要求。在LED散熱通道中，封裝基板是連接內(nèi)外散熱通路的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，兼有散熱通道、電路連接和對(duì)芯片進(jìn)行物理支撐的功能。對(duì)高功率LED產(chǎn)品來(lái)講，其封裝基板要求具有高電絕緣性、高導(dǎo)熱性、與芯片匹配的熱膨脹系數(shù)等特性。
樹脂基封裝基板：配套成本高 普及尚有難度
EMC和SMC對(duì)模壓成型設(shè)備要求高，一條模壓成型生產(chǎn)線價(jià)格在1000萬(wàn)元左右，大規(guī)模普及尚有難度。
近幾年興起的貼片式LED支架一般采用高溫改性工程塑膠料，以PPA(聚鄰苯二甲酰胺)樹脂為原料，通過(guò)添加改性填料來(lái)增強(qiáng)PPA原料的某些物理、化學(xué)性質(zhì)，從而使PPA材料更加適合注塑成型及貼片式LED支架的使用。PPA塑料導(dǎo)熱性能很低，其散熱主要通過(guò)金屬引線框架進(jìn)行，散熱能力有限，只適用于小功率LED封裝。
隨著業(yè)界對(duì)LED散熱的重視，兩種新的熱固性塑膠料——環(huán)氧塑封料(EMC)和片狀模塑料(SMC)被引入貼片式LED支架中。EMC是以高性能酚醛樹脂為固化劑、導(dǎo)熱系數(shù)較高的硅微粉等為填料、多種助劑混配而成的粉狀模塑料。SMC主要是由30%左右的不飽和樹脂、40%左右的玻璃纖維、無(wú)機(jī)填料以及其他添加劑組成。這兩種熱固性模塑料熱固化溫度在150℃左右，經(jīng)過(guò)改性后導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)4W/(m·K)～7W/(m·K)，與PPA塑膠相比有較大提高，但缺點(diǎn)是流動(dòng)性與導(dǎo)熱性較難兼顧，固化成型時(shí)硬度過(guò)高，容易產(chǎn)生裂紋和毛刺。EMC和SMC固化時(shí)間長(zhǎng)，成型效率相對(duì)較低，對(duì)模壓成型設(shè)備、模具及其他配套設(shè)備的要求相當(dāng)高，一條模壓成型及配套生產(chǎn)線價(jià)格在1000萬(wàn)元左右，大規(guī)模普及尚有難度。
金屬芯印刷電路板：制造工藝復(fù)雜 實(shí)際應(yīng)用較少
鋁基板的加工制造過(guò)程復(fù)雜、成本高，鋁的熱膨脹系數(shù)與芯片材料相差較大，實(shí)際應(yīng)用中較少采用。
隨著LED封裝向薄型化及低成本化方向發(fā)展，板上芯片(COB)封裝技術(shù)逐步興起。目前，COB封裝基板大多使用金屬芯印刷電路板，高功率LED封裝大多采用此種基板，其價(jià)格介于中、高價(jià)位間。
當(dāng)前生產(chǎn)上通用的大功率LED散熱基板，其絕緣層導(dǎo)熱系數(shù)極低，而且由于絕緣層的存在，使得其無(wú)法承受高溫焊接，限制了封裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，不利于LED散熱。
如何提高環(huán)氧絕緣層的導(dǎo)熱系數(shù)成為現(xiàn)階段鋁基板的研究熱點(diǎn)。目前采用的是一種摻有高熱傳導(dǎo)性無(wú)機(jī)填充物(比如陶瓷粉末)的改性環(huán)氧樹脂或環(huán)氧玻璃布黏結(jié)片，通過(guò)熱壓把銅箔、絕緣體以及鋁板黏結(jié)起來(lái)。目前國(guó)際上已經(jīng)開發(fā)出一種“全膠鋁基板”，采用全膠的鋁基板的熱阻可以做到0.05K/W。此外，我國(guó)臺(tái)灣的一家公司最近開發(fā)出一種類鉆碳材料DLC，并將其應(yīng)用于高亮度LED封裝鋁基板的絕緣層。DLC有許多優(yōu)越的材料特性：高熱傳導(dǎo)率、熱均勻性與高材料強(qiáng)度等。因此，以DLC取代傳統(tǒng)金屬基印刷電路板(MCPCB)的環(huán)氧樹脂絕緣層，有望極大提高M(jìn)CPCB的熱傳導(dǎo)率，但其實(shí)際使用效果還有待市場(chǎng)考驗(yàn)。
一種性能更好的鋁基板是直接在鋁板上生成絕緣層，然后印制電路。采用這種方法的最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)合力強(qiáng)，而且導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)2.1W/(m·K)。但這種鋁基板的加工制造過(guò)程復(fù)雜、成本高，而且，金屬鋁的熱膨脹系數(shù)與芯片材料相差較大，器件工作時(shí)熱循環(huán)常會(huì)產(chǎn)生較大應(yīng)力，最終可能導(dǎo)致失效，因此在實(shí)際應(yīng)用中較少采用。
硅基封裝基板：面臨挑戰(zhàn) 良品率低于60%
硅基板在絕緣層、金屬層、導(dǎo)通孔的制備方面都面臨挑戰(zhàn)，良品率不超過(guò)60%。
以硅基材料作為L(zhǎng)ED封裝基板技術(shù)，近幾年逐漸從半導(dǎo)體業(yè)界引進(jìn)到LED業(yè)界。硅基板的導(dǎo)熱性能與熱膨脹性能都表明了硅是與LED較匹配的封裝材料。硅的導(dǎo)熱系數(shù)為140W/m·K，應(yīng)用于LED封裝時(shí)，所造成的熱阻只有0.66K/W;而且硅基材料已被大量應(yīng)用在半導(dǎo)體制程及相關(guān)封裝領(lǐng)域，所涉及相關(guān)設(shè)備及材料已相當(dāng)成熟。因此，若將硅制作成LED封裝基板，容易形成量產(chǎn)。
不過(guò)，LED硅基板封裝仍有許多技術(shù)問題。例如，材料方面，硅材容易碎裂，且機(jī)構(gòu)強(qiáng)度也有問題。結(jié)構(gòu)方面，硅盡管是優(yōu)良導(dǎo)熱體，但絕緣性不良，必須做氧化絕緣處理。此外，其金屬層需采用濺鍍結(jié)合電鍍的方式制備，導(dǎo)電孔需采用腐蝕的方法進(jìn)行?？傮w看來(lái)，絕緣層、金屬層、導(dǎo)通孔的制備都面臨挑戰(zhàn)，良品率不高。目前雖有一些臺(tái)灣企業(yè)開發(fā)出LED硅基板并量產(chǎn)，但良品率不超過(guò)60%。
陶瓷封裝基板：提升散熱效率滿足高功率LED需求
配合高導(dǎo)熱的陶瓷基體，DPC顯著提升了散熱效率，是最適合高功率、小尺寸LED發(fā)展需求的產(chǎn)品。
陶瓷散熱基板具有新的導(dǎo)熱材料和新的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，彌補(bǔ)了鋁金屬基板所具有的缺陷，從而改善基板的整體散熱效果。目前可用作散熱基板的陶瓷材料中，BeO雖然導(dǎo)熱系數(shù)高，但其線膨脹系數(shù)與硅(Si)相差很大，且制造時(shí)有毒，限制了自身的應(yīng)用;BN具有較好的綜合性能，但作為基板材料，沒有突出的優(yōu)點(diǎn)，而且價(jià)格昂貴，目前只是處于研究和推廣中;碳化硅(SiC)具有高強(qiáng)度和高熱導(dǎo)率，但其電阻和絕緣耐壓值較低，金屬化后鍵合不穩(wěn)定，會(huì)引起熱導(dǎo)率和介電常數(shù)的改變，不宜作為絕緣性封裝基板材料。Al2O3陶瓷基片雖是目前產(chǎn)量最多、應(yīng)用最廣的陶瓷基片，但由于其熱膨脹系數(shù)相對(duì)Si單晶偏高，導(dǎo)致Al2O3陶瓷基片并不太適合在高頻、大功率、超大規(guī)模集成電路中使用。A1N晶體具有高熱導(dǎo)率，被認(rèn)為是新一代半導(dǎo)體基板和封裝的理想材料。
AlN陶瓷材料從20世紀(jì)90年代開始得到廣泛地研究而逐步發(fā)展起來(lái)，是目前普遍認(rèn)為很有發(fā)展前景的電子陶瓷封裝材料。AlN陶瓷基板的散熱效率是Al2O3基板的7倍之多，AlN基板應(yīng)用于高功率LED的散熱效益顯著，進(jìn)而大幅提升LED的使用壽命。AlN基板的缺點(diǎn)是即使表面有非常薄的氧化層也會(huì)對(duì)熱導(dǎo)率產(chǎn)生較大影響，只有對(duì)材料和工藝進(jìn)行嚴(yán)格控制才能制造出一致性較好的AlN基板。目前大規(guī)模生產(chǎn)AlN還不成熟，相較于目前應(yīng)用普遍的Al2O3基板，AlN基板的成本約為Al2O3基板的3～5倍。但未來(lái)若能量產(chǎn)，AlN基板的成本可快速下降，屆時(shí)散熱效益強(qiáng)大的AlN基板將有機(jī)會(huì)取代Al2O3基板。[!--empirenews.page--]
現(xiàn)階段應(yīng)用于LED封裝的陶瓷基板按制備技術(shù)可分為HTCC、LTCC、DBC、DPC4種。HTCC又稱高溫共燒多層陶瓷，其主要材料為熔點(diǎn)較高但導(dǎo)電性較差的鎢、鉬、錳等金屬，制作成本高昂，現(xiàn)在較少采用。LTCC又稱為低溫共燒多層陶瓷基板，其熱傳導(dǎo)率為2W/(m·K)～3W/(m·K)左右，與現(xiàn)有鋁基板相比并沒有太大優(yōu)勢(shì)。此外，LTCC由于采用厚膜印刷技術(shù)完成線路制作，線路表面較為粗糙，對(duì)位不精準(zhǔn)。而且，多層陶瓷疊壓燒結(jié)工藝還有收縮比例的問題，這使得其工藝解析度受到限制，LTCC陶瓷基板的推廣應(yīng)用受到極大挑戰(zhàn)。
基于板上封裝技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的直接覆銅陶瓷板(DBC)也是一種導(dǎo)熱性能優(yōu)良的陶瓷基板。DBC基板在制備過(guò)程中沒有使用黏結(jié)劑，因而導(dǎo)熱性能好，強(qiáng)度高，絕緣性強(qiáng)，熱膨脹系數(shù)與Si等半導(dǎo)體材料相匹配。然而，陶瓷基板與金屬材料的反應(yīng)能力低，潤(rùn)濕性差，實(shí)施金屬化頗為困難，不易解決Al2O3與銅板間微氣孔產(chǎn)生的問題，這使得該產(chǎn)品的量產(chǎn)與良品率受到較大的挑戰(zhàn)，仍然是國(guó)內(nèi)外科研工作者研究的重點(diǎn)。
DPC陶瓷基板又稱直接鍍銅陶瓷板，DPC產(chǎn)品具備線路精準(zhǔn)度高與表面平整度高的特性，非常適用于LED覆晶/共晶工藝，配合高導(dǎo)熱的陶瓷基體，顯著提升了散熱效率，是最適合高功率、小尺寸LED發(fā)展需求的陶瓷散熱基板。