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半導體

未來功率型LED將采用DPC陶瓷基板封裝

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東莞市凱昶德電子科技股份有限公司技術總監 吳朝暉


功率型LED封裝基板作為熱與空氣對流的載體,其熱導率對LED的散熱起著決定性作用。DPC陶瓷基板以其優良的性能和逐漸降低的價格,在眾多電子封裝材料中顯示出很強的競爭力,是未來功率型LED封裝發展的趨勢。隨著科學技術的發展、新制備工藝的出現,高導熱陶瓷材料作為新型電子封裝基板材料,應用前景十分廣闊。



隨著LED芯片輸入功率的不斷提高,大耗散功率帶來的大發熱量給LED封裝材料提出了更新、更高的要求。在LED散熱通道中,封裝基板是連接內外散熱通路的關鍵環節,兼有散熱通道、電路連接和對芯片進行物理支撐的功能。對高功率LED產品來講,其封裝基板要求具有高電絕緣性、高導熱性、與芯片匹配的熱膨脹系數等特性。



樹脂基封裝基板:配套成本高普及尚有難度

EMC和SMC對模壓成型設備要求高,一條模壓成型生產線價格在1000萬元左右,大規模普及尚有難度。



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,通過添加改性填料來增強PPA原料的某些物理、化學性質,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塑料導熱性能很低,其散熱主要通過金屬引線框架進行,散熱能力有限,只適用于小功率LED封裝。

隨著業界對LED散熱的重視,兩種新的熱固性塑膠料——環氧塑封料(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、導熱系數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、無機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,經過改性后導熱系數可達4W/(m·K)~7W/(m·K),與PPA塑膠相比有較大提高,但缺點是流動性與導熱性較難兼顧,固化成型時硬度過高,容易產生裂紋和毛刺。EMC和SMC固化時間長,成型效率相對較低,對模壓成型設備、模具及其他配套設備的要求相當高,一條模壓成型及配套生產線價格在1000萬元左右,大規模普及尚有難度。



金屬芯印刷電路板:制造工藝復雜實際應用較少

鋁基板的加工制造過程復雜、成本高,鋁的熱膨脹系數與芯片材料相差較大,實際應用中較少采用。



隨著LED封裝向薄型化及低成本化方向發展,板上芯片(COB)封裝技術逐步興起。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,其價格介于中、高價位間。

當前生產上通用的大功率LED散熱基板,其絕緣層導熱系數極低,而且由于絕緣層的存在,使得其無法承受高溫焊接,限制了封裝結構的優化,不利于LED散熱。

如何提高環氧絕緣層的導熱系數成為現階段鋁基板的研究熱點。目前采用的是一種摻有高熱傳導性無機填充物(比如陶瓷粉末)的改性環氧樹脂或環氧玻璃布黏結片,通過熱壓把銅箔、絕緣體以及鋁板黏結起來。目前國際上已經開發出一種“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,我國臺灣的一家公司最近開發出一種類鉆碳材料DLC,并將其應用于高亮度LED封裝鋁基板的絕緣層。DLC有許多優越的材料特性:高熱傳導率、熱均勻性與高材料強度等。因此,以DLC取代傳統金屬基印刷電路板(MCPCB)的環氧樹脂絕緣層,有望極大提高MCPCB的熱傳導率,但其實際使用效果還有待市場考驗。

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點是結合力強,而且導熱系數高達2.1W/(m·K)。但這種鋁基板的加工制造過程復雜、成本高,而且,金屬鋁的熱膨脹系數與芯片材料相差較大,器件工作時熱循環常會產生較大應力,最終可能導致失效,因此在實際應用中較少采用。



硅基封裝基板:面臨挑戰良品率低于60%%

硅基板在絕緣層、金屬層、導通孔的制備方面都面臨挑戰,良品率不超過60%%。



以硅基材料作為LED封裝基板技術,近幾年逐漸從半導體業界引進到LED業界。硅基板的導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。硅的導熱系數為140W/m·K,應用于LED封裝時,所造成的熱阻只有0.66K/W;而且硅基材料已被大量應用在半導體制程及相關封裝領域,所涉及相關設備及材料已相當成熟。因此,若將硅制作成LED封裝基板,容易形成量產。

不過,LED硅基板封裝仍有許多技術問題。例如,材料方面,硅材容易碎裂,且機構強度也有問題。結構方面,硅盡管是優良導熱體,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合電鍍的方式制備,導電孔需采用腐蝕的方法進行。總體看來,絕緣層、金屬層、導通孔的制備都面臨挑戰,良品率不高。目前雖有一些臺灣企業開發出LED硅基板并量產,但良品率不超過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發展需求的產品。




陶瓷散熱基板具有新的導熱材料和新的內部結構,彌補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雖然導熱系數高,但其線膨脹系數與硅(Si)相差很大,且制造時有毒,限制了自身的應用;BN具有較好的綜合性能,但作為基板材料,沒有突出的優點,而且價格昂貴,目前只是處于研究和推廣中;碳化硅(SiC)具有高強度和高熱導率,但其電阻和絕緣耐壓值較低,金屬化后鍵合不穩定,會引起熱導率和介電常數的改變,不宜作為絕緣性封裝基板材料。Al2O3陶瓷基片雖是目前產量最多、應用最廣的陶瓷基片,但由于其熱膨脹系數相對Si單晶偏高,導致Al2O3陶瓷基片并不太適合在高頻、大功率、超大規模集成電路中使用。A1N晶體具有高熱導率,被認為是新一代半導體基板和封裝的理想材料。



AlN陶瓷材料從20世紀90年代開始得到廣泛地研究而逐步發展起來,是目前普遍認為很有發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基板應用于高功率LED的散熱效益顯著,進而大幅提升LED的使用壽命。AlN基板的缺點是即使表面有非常薄的氧化層也會對熱導率產生較大影響,只有對材料和工藝進行嚴格控制才能制造出一致性較好的AlN基板。目前大規模生產AlN還不成熟,相較于目前應用普遍的Al2O3基板,AlN基板的成本約為Al2O3基板的3~5倍。但未來若能量產,AlN基板的成本可快速下降,屆時散熱效益強大的AlN基板將有機會取代Al2O3基板。


現階段應用于LED封裝的陶瓷基板按制備技術可分為HTCC、LTCC、DBC、DPC4種。HTCC又稱高溫共燒多層陶瓷,其主要材料為熔點較高但導電性較差的鎢、鉬、錳等金屬,制作成本高昂,現在較少采用。LTCC又稱為低溫共燒多層陶瓷基板,其熱傳導率為2W/(m·K)~3W/(m·K)左右,與現有鋁基板相比并沒有太大優勢。此外,LTCC由于采用厚膜印刷技術完成線路制作,線路表面較為粗糙,對位不精準。而且,多層陶瓷疊壓燒結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陶瓷基板的推廣應用受到極大挑戰。


基于板上封裝技術而發展起來的直接覆銅陶瓷板(DBC)也是一種導熱性能優良的陶瓷基板。DBC基板在制備過程中沒有使用黏結劑,因而導熱性能好,強度高,絕緣性強,熱膨脹系數與Si等半導體材料相匹配。然而,陶瓷基板與金屬材料的反應能力低,潤濕性差,實施金屬化頗為困難,不易解決Al2O3與銅板間微氣孔產生的問題,這使得該產品的量產與良品率受到較大的挑戰,仍然是國內外科研工作者研究的重點。


DPC陶瓷基板又稱直接鍍銅陶瓷板,DPC產品具備線路精準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發展需求的陶瓷散熱基板。


責任編輯:系統管理員


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