陶瓷LED芯片基板種類及其特性比較

1、前言

　　璦司柏電子為因應(yīng)高功率LED照明世代的來臨，致力尋求高功率led的解熱方案，近年來，陶瓷的優(yōu)良絕緣性與散熱效率促使得LED照明進(jìn)入了新瓷器時(shí)代。LED 散熱技術(shù)隨著高功率LED產(chǎn)品的應(yīng)用發(fā)展，已成為各家業(yè)者相繼尋求解決的議題，而LED散熱基板的選擇亦隨著LED之線路設(shè)計(jì)、尺寸、發(fā)光效率…等條件的不同有設(shè)計(jì)上的差異，以目前市面上最常見的可區(qū)分為(一)系統(tǒng)電路板，其主要是作為L(zhǎng)ED最后將熱能傳導(dǎo)到大氣中、散熱鰭片或外殼的散熱系統(tǒng)，而列為系統(tǒng)電路板的種類包括：鋁基板(MCPCB)、印刷電路板(PCB)以及軟式印刷電路板(FPC)。 (二)LED芯片基板，是屬于LED芯片與系統(tǒng)電路板兩者之間熱能導(dǎo)出的媒介，并藉由共晶或覆晶與LED芯片結(jié)合。為確保LED的散熱穩(wěn)定與LED芯片的發(fā)光效率，近期許多以陶瓷材料作為高功率LED散熱基板之應(yīng)用，其種類主要包含有：低溫共燒多層陶瓷(LTCC)、高溫共燒多層陶瓷(HTCC)、直接接合銅基板 (DBC)、直接鍍銅基板(DPC)四種，以下本文將針對(duì)陶瓷LED芯片基板的種類做深入的探討。

　　2、陶瓷散熱基板種類

　　現(xiàn)階段較普遍的陶瓷散熱基板種類共有LTCC、HTCC、DBC、DPC四種，其中HTCC屬于較早期發(fā)展之技術(shù)，但由于其較高的工藝溫度 (1300~1600℃)，使其電極材料的選擇受限，且制作成本相當(dāng)昂貴，這些因素促使LTCC的發(fā)展，LTCC雖然將共燒溫度降至約850℃，但其尺寸精確度、產(chǎn)品強(qiáng)度等技術(shù)上的問題尚待突破。而DBC與DPC則為近幾年才開發(fā)成熟，且能量產(chǎn)化的專業(yè)技術(shù)，但對(duì)于許多人來說，此兩項(xiàng)專業(yè)的工藝技術(shù)仍然很陌生，甚至可能將兩者誤解為同樣的工藝。DBC乃利用高溫加熱將Al2O3與Cu板結(jié)合，其技術(shù)瓶頸在于不易解決Al2O3與Cu板間微氣孔產(chǎn)生之問題，這使得該產(chǎn)品的量產(chǎn)能量與良率受到較大的挑戰(zhàn)，而DPC技術(shù)則是利用直接披覆技術(shù)，將Cu沉積于Al2O3基板之上，其工藝結(jié)合材料與薄膜工藝技術(shù)，其產(chǎn)品為近年最普遍使用的陶瓷散熱基板。然而其材料控制與工藝技術(shù)整合能力要求較高，這使得跨入DPC產(chǎn)業(yè)并能穩(wěn)定生產(chǎn)的技術(shù)門檻相對(duì)較高，下文將針對(duì)四種陶瓷散熱基板的生產(chǎn)流程做進(jìn)一步的說明，進(jìn)而更加瞭解四種陶瓷散熱基板制造過程的差異。

　　2.1 LTCC (Low-Temperature Co-fired Ceramic)

　　LTCC 又稱為低溫共燒多層陶瓷基板，此技術(shù)須先將無機(jī)的氧化鋁粉與約30%~50%的玻璃材料加上有機(jī)黏結(jié)劑，使其混合均勻成為泥狀的漿料，接著利用刮刀把漿料刮成片狀，再經(jīng)由一道干燥過程將片狀漿料形成一片片薄薄的生胚，然后依各層的設(shè)計(jì)鉆導(dǎo)通孔，作為各層訊號(hào)的傳遞，LTCC內(nèi)部線路則運(yùn)用網(wǎng)版印刷技術(shù)，分別于生胚上做填孔及印制線路，內(nèi)外電極則可分別使用銀、銅、金等金屬，最后將各層做疊層動(dòng)作，放置于850~900℃的燒結(jié)爐中燒結(jié)成型，即可完成。詳細(xì)制造過程如圖1 LTCC生產(chǎn)流程圖。

　　2.2 HTCC (High-Temperature Co-fired Ceramic)

　　HTCC又稱為高溫共燒多層陶瓷，生產(chǎn)制造過程與LTCC極為相似，主要的差異點(diǎn)在于HTCC的陶瓷粉末并無加入玻璃材質(zhì)，因此，HTCC的必須再高溫1300~1600℃環(huán)境下干燥硬化成生胚，接著同樣鉆上導(dǎo)通孔，以網(wǎng)版印刷技術(shù)填孔與印制線路，因其共燒溫度較高，使得金屬導(dǎo)體材料的選擇受限，其主要的材料為熔點(diǎn)較高但導(dǎo)電性卻較差的鎢、鉬、錳…等金屬，最后再疊層燒結(jié)成型。

　　2.3 DBC (Direct Bonded Copper)

　　DBC直接接合銅基板，將高絕緣性的Al2O3或AlN陶瓷基板的單面或雙面覆上銅金屬后，經(jīng)由高溫1065~1085℃的環(huán)境加熱，使銅金屬因高溫氧化、擴(kuò)散與Al2O3材質(zhì)產(chǎn)生(Eutectic) 共晶熔體，使銅金與陶瓷基板黏合，形成陶瓷復(fù)合金屬基板，最后依據(jù)線路設(shè)計(jì)，以蝕刻方式備制線路，DBC制造流程圖如下圖2。

　　2.4 DPC (Direct Plate Copper)

　　DPC亦稱為直接鍍銅基板，以璦司柏DPC基板工藝為例：首先將陶瓷基板做前處理清潔，利用薄膜專業(yè)制造技術(shù)－真空鍍膜方式于陶瓷基板上濺鍍結(jié)合于銅金屬?gòu)?fù)合層，接著以黃光微影之光阻被覆曝光、顯影、蝕刻、去膜工藝完成線路制作，最后再以電鍍/化學(xué)鍍沉積方式增加線路的厚度，待光阻移除后即完成金屬化線路制作，詳細(xì)DPC生產(chǎn)流程圖如下圖3。

　　3、陶瓷散熱基板特性

　　在瞭解陶瓷散熱基板的制造方法后，接下來將近一步的探討各個(gè)散熱基板的特性具有哪些差異，而各項(xiàng)特性又分別代表了什么樣的意義，為何會(huì)影響了散熱基板在應(yīng)用時(shí)必須作為考量的重點(diǎn)。以下表一 陶瓷散熱基板特性比較中，本文取了散熱基板的：(1)熱傳導(dǎo)率、 (2)工藝溫度、(3)線路制作方法、(4)線徑寬度，四項(xiàng)特性作進(jìn)一步的討論：

　　3.1 熱傳導(dǎo)率

　　熱傳導(dǎo)率又稱為熱導(dǎo)率，它代表了基板材料本身直接傳導(dǎo)熱能的一種能力，數(shù)值愈高代表其散熱能力愈好。LED散熱基板最主要的作用就是在于，如何有效的將熱能從LED芯片傳導(dǎo)到系統(tǒng)散熱，以降低LED 芯片的溫度，增加發(fā)光效率與延長(zhǎng)LED壽命，因此，散熱基板熱傳導(dǎo)效果的優(yōu)劣就成為業(yè)界在選用散熱基板時(shí)，重要的*估項(xiàng)目之一。檢視表一，由四種陶瓷散熱基板的比較可明看出，雖然Al2O3材料之熱傳導(dǎo)率約在20~24之間，LTCC為降低其燒結(jié)溫度而添加了30%~50%的玻璃材料，使其熱傳導(dǎo)率降至 2~3W/mK左右；而HTCC因其普遍共燒溫度略低于純Al2O3基板之燒結(jié)溫度，而使其因材料密度較低使得熱傳導(dǎo)系數(shù)低Al2O3基板約在 16~17W/mK之間。一般來說，LTCC與HTCC散熱效果并不如DBC與DPC散熱基板里想。

　　3.2 操作環(huán)境溫度

　　操作環(huán)境溫度，主要是指產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中，使用到最高工藝溫度，而以一生產(chǎn)工藝而言，所使用的溫度愈高，相對(duì)的制造成本也愈高，且良率不易掌控。HTCC工藝本身即因?yàn)樘沾煞勰┎牧铣煞莸牟煌?，其工藝溫度約在1300~1600℃之間，而LTCC/DBC的工藝溫度亦約在850~1000℃之間。此外，HTCC與LTCC在工藝后對(duì)必須疊層后再燒結(jié)成型，使得各層會(huì)有收縮比例問題，為解決此問題相關(guān)業(yè)者也在努力尋求解決方案中。另一方面，DBC對(duì)工藝溫度精準(zhǔn)度要求十分嚴(yán)苛，必須于溫度極度穩(wěn)定的1065~1085℃溫度范圍下，才能使銅層熔煉為共晶熔體，與陶瓷基板緊密結(jié)合，若生產(chǎn)工藝的溫度不夠穩(wěn)定，勢(shì)必會(huì)造成良率偏低的現(xiàn)象。而在工藝溫度與裕度的考量，DPC的工藝溫度僅需250~350℃左右的溫度即可完成散熱基板的制作，完全避免了高溫對(duì)于材料所造成的破壞或尺寸變異的現(xiàn)象，也排除了制造成本費(fèi)用高的問題。

　　3.3 工藝能力

　　在表一中的工藝能力，主要是表示各種散熱基板的金屬線路是以何種工藝技術(shù)完成，由于線路制造/成型的方法直接影響了線路精準(zhǔn)度、表面粗糙鍍、對(duì)位精準(zhǔn)度…等特性，因此在高功率小尺寸的精細(xì)線路需求下，工藝解析度便成了必須要考慮的重要項(xiàng)目之一。LTCC與HTCC均是采用厚膜印刷技術(shù)完成線路制作，厚膜印刷本身即受限于網(wǎng)版張力問題，一般而言，其線路表面較為粗糙，且容易造成有對(duì)位不精準(zhǔn)與累進(jìn)公差過大等現(xiàn)象。此外，多層陶瓷疊壓燒結(jié)工藝，還有收縮比例的問題需要考量，這使得其工藝解析度較為受限。而DBC雖以微影工藝備制金屬線路，但因其工藝能力限制，金屬銅厚的下限約在150~300um之間，這使得其金屬線路的解析度上限亦僅為150~300um之間(以深寬比1:1為標(biāo)準(zhǔn))。而DPC則是采用的薄膜工藝制作，利用了真空鍍膜、黃光微影工藝制作線路，使基板上的線路能夠更加精確，表面平整度高，再利用電鍍/電化學(xué)鍍沉積方式增加線路的厚度，DPC金屬線路厚度可依產(chǎn)品實(shí)際需求(金屬厚度與線路解析度)而設(shè)計(jì)。一般而言，DPC金屬線路的解析度在金屬線路深寬比為1:1的原則下約在10~50um之間。因此，DPC杜絕了LTCC/HTCC 的燒結(jié)收縮比例及厚膜工藝的網(wǎng)版張網(wǎng)問題。下表二即為厚膜與薄膜工藝產(chǎn)品的差異做簡(jiǎn)單的比較。

　　4、陶瓷散熱基板之應(yīng)用

　　陶瓷散熱基板會(huì)因應(yīng)需求及應(yīng)用上的不同，外型亦有所差別。另一方面，各種陶瓷基板也可依產(chǎn)品制造方法的不同，作出基本的區(qū)分。LTCC散熱基板在LED產(chǎn)品的應(yīng)用上，大多以大尺寸高功率以及小尺寸低功率產(chǎn)品為主，基本上外觀大多呈現(xiàn)凹杯狀，且依客戶端的需求可制作出有導(dǎo)線架 沒有導(dǎo)線架兩種散熱基板，凹杯形狀主要是針對(duì)封裝工藝采用較簡(jiǎn)易的點(diǎn)膠方式封裝成型所設(shè)計(jì)，并利用凹杯邊緣作為光線反射的路徑，但LTCC本身即受限于工藝因素，使得產(chǎn)品難以備制成小尺寸，再者，采用了厚膜制作線路，使得線路精準(zhǔn)度不足以符合高功率小尺寸的LED產(chǎn)品。而與LTCC工藝與外觀相似的 HTCC，在LED散熱基板這一塊，尚未被普遍的使用，主要是因?yàn)镠TCC采用1300~1600℃高溫干燥硬化，使生產(chǎn)成本的增加，相對(duì)的HTCC基板費(fèi)用也高，因此對(duì)極力朝低成本趨向邁進(jìn)LED產(chǎn)業(yè)而言，面臨了較嚴(yán)苛的考驗(yàn)HTCC。

　　另一方面， DBC與DPC則與LTCC/HTCC不僅有外觀上的差異，連LED產(chǎn)品封裝方式亦有所不同，DBC/DPC均是屬于平面式的散熱基板，而平面式散熱基板可依客制化備制金屬線路加工，再根據(jù)客戶需求切割成小尺寸產(chǎn)品，輔以共晶/覆晶工藝，結(jié)合已非常純熟的螢光粉涂布技術(shù)及高階封裝工藝技術(shù)鑄膜成型，可大幅的提升LED的發(fā)光效率。然而，DBC產(chǎn)品因受工藝能力限制，使得線路解析度上限僅為150~300um，若要特別制作細(xì)線路產(chǎn)品，必須采用研磨方式加工，以降低銅層厚度，但卻造成表面平整度不易控制與增加額外成本等問題，使得DBC產(chǎn)品不易于共晶/覆晶工藝高線路精準(zhǔn)度與高平整度的要求之應(yīng)用。DPC 利用薄膜微影工藝備制金屬線路加工，具備了線路高精準(zhǔn)度與高表面平整度的的特性，非常適用于覆晶/共晶接合方式的工藝，能夠大幅減少LED產(chǎn)品的導(dǎo)線截面積，進(jìn)而提升散熱的效率。各種陶瓷散熱基板之范例圖片與其應(yīng)用范圍如下表三。

　　5、結(jié)論

　　經(jīng)由上述各種陶瓷基板之生產(chǎn)流程、特性比較、以及應(yīng)用范圍說明后，可明確的比較出個(gè)別的差異性。其中，LTCC散熱基板在LED產(chǎn)業(yè)中已經(jīng)被廣泛的使用，但LTCC為了降低燒結(jié)溫度，于材料中加入了玻璃材料，使整體的熱傳導(dǎo)率降低至2~3W/mK之間，比其他陶瓷基板都還要低。再者，LTCC使用網(wǎng)印方式印制線路，使線路本身具有線徑寬度不夠精細(xì)、以及網(wǎng)版張網(wǎng)問題，導(dǎo)致線路精準(zhǔn)度不足、表面平整度不佳等現(xiàn)象，加上多層疊壓燒結(jié)又有基板收縮比例的問題要考量，并不符合高功率小尺寸的需求，因此在LED產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用目前多以高功率大尺寸，或是低功率產(chǎn)品為主。而與LTCC工藝相似的HTCC以 1300~1600℃的高溫干燥硬化，使生產(chǎn)成本偏高，居于成本考量鮮少目前鮮少使用于LED產(chǎn)業(yè)，且HTCC與LTCC有相同的問題，亦不適用于高功率小尺寸的LED產(chǎn)品。另一方面，為了使DBC的銅層與陶瓷基板附著性佳，必須因采用1065~1085℃高溫熔煉，制造費(fèi)用較高，且有基板與Cu板間有微氣孔問題不易解決，使得DBC產(chǎn)品產(chǎn)能與良率受到極大的考驗(yàn)；再者，若要制作細(xì)線路必須采用特殊處理方式將銅層厚度變薄，卻造成表面平整度不佳的問題，若將產(chǎn)品使用于共晶/覆晶工藝的LED產(chǎn)品相對(duì)較為嚴(yán)苛。反倒是DPC產(chǎn)品，本身采用薄膜工藝的真空濺鍍方式鍍上薄銅，再以黃光微影工藝完成線路，因此線徑寬度10~50um，甚至可以更細(xì)，且表面平整度高(0.3um)、線路對(duì)位精準(zhǔn)度誤差值僅+/-1%，完全避免了收縮比例、網(wǎng)版張網(wǎng)、表面平整度、高制造費(fèi)用…等問題。雖LTCC、HTCC、DBC、與DPC等陶瓷基板都已廣泛使用與研究，然而，在高功率LED陶瓷散熱領(lǐng)域而言，DPC在目前發(fā)展趨勢(shì)看來，可以說是最適合高功率且小尺寸LED發(fā)展需求的陶瓷散熱基板。