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2010年新瓷器时代-LED陶瓷散热方案Bytracy_wangCreated2010/03/18-14:36主题:技术1、前言瑷司柏电子[1]为因应高功率LED照明世代的来临，致力寻求高功率LED的解热方案，近年来，陶瓷的优良绝缘性与散热效率促使得LED照明进入了新瓷器时代。LED散热技术随着高功率LED产品的应用发展，已成为各家业者相继寻求解决的议题，而LED散热基板的选择亦随着LED之线路设计、尺寸、发光效率…等条件的不同有设计上的差异，以目前市面上最常见的可区分为(一)系统电路板，其主要是作为LED最后将热能传导到大气中、散热鳍片或外壳的散热系统，而列为系统电路板的种类包括：铝基板(MCPCB)、印刷电路板(PCB)以及软式印刷电路板(FPC)。(二)LED芯片基板，是属于LED芯片与系统电路板两者之间热能导出的媒介，并藉由共晶或覆晶与LED芯片结合。为确保LED的散热稳定与LED芯片的发光效率，近期许多以陶瓷材料作为高功率LED散热基板之应用，其种类主要包含有：低温共烧多层陶瓷(LTCC)、高温共烧多层陶瓷(HTCC)、直接接合铜基板(DBC)、直接镀铜基板(DPC)四种，以下本文将针对陶瓷LED芯片基板的种类做深入的探讨。2、陶瓷散热基板种类现阶段较普遍的陶瓷散热基板种类共有LTCC、HTCC、DBC、DPC四种，其中HTCC属于较早期发展之技术，但由于其较高的工艺温度(1300~1600℃)，使其电极材料的选择受限，且制作成本相当昂贵，这些因素促使LTCC的发展，LTCC虽然将共烧温度降至约850℃，但其尺寸精确度、产品强度等技术上的问题尚待突破。而DBC与DPC则为近几年才开发成熟，且能量产化的专业技术，但对于许多人来说，此两项专业的工艺技术仍然很陌生，甚至可能将两者误解为同样的工艺。DBC乃利用高温加热将Al2O3与Cu板结合，其技术瓶颈在于不易解决Al2O3与Cu板间微气孔产生之问题，这使得该产品的量产能量与良率受到较大的挑战，而DPC技术则是利用直接披覆技术，将Cu沉积于Al2O3基板之上，其工艺结合材料与薄膜工艺技术，其产品为近年最普遍使用的陶瓷散热基板。然而其材料控制与工艺技术整合能力要求较高，这使得跨入DPC产业并能稳定生产的技术门槛相对较高，下文将针对四种陶瓷散热基板的生产流程做进一步的说明，进而更加瞭解四种陶瓷散热基板制造过程的差异。2-1LTCC(Low-TemperatureCo-firedCeramic)LTCC又称为低温共烧多层陶瓷基板，此技术须先将无机的氧化铝粉与约30%~50%的玻璃材料加上有机黏结剂，使其混合均匀成为泥状的浆料，接着利用刮刀把浆料刮成片状，再经由一道干燥过程将片状浆料形成一片片薄薄的生胚，然后依各层的设计钻导通孔，作为各层讯号的传递，LTCC内部线路则运用网版印刷技术，分别于生胚上做填孔及印制线路，内外电极则可分别使用银、铜、金等金属，最后将各层做叠层动作，放置于850~900℃的烧结炉中烧结成型，即可完成。详细制造过程如图1LTCC生产流程图。图1LTCC生产流程图2-2HTCC(High-TemperatureCo-firedCeramic)HTCC又称为高温共烧多层陶瓷，生产制造过程与LTCC极为相似，主要的差异点在于HTCC的陶瓷粉末并无加入玻璃材质，因此，HTCC的必须再高温1300~1600℃环境下干燥硬化成生胚，接着同样钻上导通孔，以网版印刷技术填孔与印制线路，因其共烧温度较高，使得金属导体材料的选择受限，其主要的材料为熔点较高但导电性却较差的钨、钼、锰…等金属，最后再叠层烧结成型。2-3DBC(DirectBondedCopper)DBC直接接合铜基板，将高绝缘性的Al2O3或AlN陶瓷基板的单面或双面覆上铜金属后，经由高温1065~1085℃的环境加热，使铜金属因高温氧化、扩散与Al2O3材质产生(Eutectic)共晶熔体，使铜金与陶瓷基板黏合，形成陶瓷复合金属基板，最后依据线路设计，以蚀刻方式备制线路，DBC制造流程图如下图2。图2DBC制造流程图2-4DPC(DirectPlateCopper)DPC亦称为直接镀铜基板，以瑷司柏DPC基板工艺为例：首先将陶瓷基板做前处理清洁，利用薄膜专业制造技术－真空镀膜方式于陶瓷基板上溅镀结合于铜金属复合层，接着以黄光微影之光阻被覆曝光、显影、蚀刻、去膜工艺完成线路制作，最后再以电镀/化学镀沉积方式增加线路的厚度，待光阻移除后即完成金属化线路制作，详细DPC生产流程图如下图3。图3DPC制造流程图3、陶瓷散热基板特性在瞭解陶瓷散热基板的制造方法后，接下来将近一步的探讨各个散热基板的特性具有哪些差异，而各项特性又分别代表了什么样的意义，为何会影响了散热基板在应用时必须作为考量的重点。以下表一陶瓷散热基板特性比较中，本文取了散热基板的：(1)热传导率、(2)工艺温度、(3)线路制作方法、(4)线径宽度，四项特性作进一步的讨论：表一、陶瓷散热基板特性比较3-1热传导率热传导率又称为热导率，它代表了基板材料本身直接传导热能的一种能力，数值愈高代表其散热能力愈好。LED散热基板最主要的作用就是在于，如何有效的将热能从LED芯片传导到系统散热，以降低LED芯片的温度，增加发光效率与延长LED寿命，因此，散热基板热传导效果的优劣就成为业界在选用散热基板时，重要的评估项目之一。检视表一，由四种陶瓷散热基板的比较可明看出，虽然Al2O3材料之热传导率约在20~24之间，LTCC为降低其烧结温度而添加了30%~50%的玻璃材料，使其热传导率降至2~3W/mK左右；而HTCC因其普遍共烧温度略低于纯Al2O3基板之烧结温度，而使其因材料密度较低使得热传导系数低Al2O3基板约在16~17W/mK之间。一般来说，LTCC与HTCC散热效果并不如DBC与DPC散热基板里想。3-2操作环境温度操作环境温度，主要是指产品在生产过程中，使用到最高工艺温度，而以一生产工艺而言，所使用的温度愈高，相对的制造成本也愈高，且良率不易掌控。HTCC工艺本身即因为陶瓷粉末材料成份的不同，其工艺温度约在1300~1600℃之间，而LTCC/DBC的工艺温度亦约在850~1000℃之间。此外，HTCC与LTCC在工艺后对必须叠层后再烧结成型，使得各层会有收缩比例问题，为解决此问题相关业者也在努力寻求解决方案中。另一方面，DBC对工艺温度精准度要求十分严苛，必须于温度极度稳定的1065~1085℃温度范围下，才能使铜层熔炼为共晶熔体，与陶瓷基板紧密结合，若生产工艺的温度不够稳定，势必会造成良率偏低的现象。而在工艺温度与裕度的考量，DPC的工艺温度仅需250~350℃左右的温度即可完成散热基板的制作，完全避免了高温对于材料所造成的破坏或尺寸变异的现象，也排除了制造成本费用高的问题。3-3工艺能力在表一中的工艺能力，主要是表示各种散热基板的金属线路是以何种工艺技术完成，由于线路制造/成型的方法直接影响了线路精准度、表面粗糙镀、对位精准度…等特性，因此在高功率小尺寸的精细线路需求下，工艺解析度便成了必须要考虑的重要项目之一。LTCC与HTCC均是采用厚膜印刷技术完成线路制作，厚膜印刷本身即受限于网版张力问题，一般而言，其线路表面较为粗糙，且容易造成有对位不精准与累进公差过大等现象。此外，多层陶瓷叠压烧结工艺，还有收缩比例的问题需要考量，这使得其工艺解析度较为受限。而DBC虽以微影工艺备制金属线路，但因其工艺能力限制，金属铜厚的下限约在150~300um之间，这使得其金属线路的解析度上限亦仅为150~300um之间(以深宽比1:1为标准)。而DPC则是采用的薄膜工艺制作，利用了真空镀膜、黄光微影工艺制作线路，使基板上的线路能够更加精确，表面平整度高，再利用电镀/电化学镀沉积方式增加线路的厚度，DPC金属线路厚度可依产品实际需求(金属厚度与线路解析度)而设计。一般而言，DPC金属线路的解析度在金属线路深宽比为1:1的原则下约在10~50um之间。因此，DPC杜绝了LTCC/HTCC的烧结收缩比例及厚膜工艺的网版张网问题。下表二即为厚膜与薄膜工艺产品的差异做简单的比较。表二、薄膜与厚膜工艺产品之差异分析Source：瑷司柏电子-LED散热基板之厚膜与薄膜工艺差异分析4、陶瓷散热基板之应用陶瓷散热基板会因应需求及应用上的不同，外型亦有所差别。另一方面，各种陶瓷基板也可依产品制造方法的不同，作出基本的区分。LTCC散热基板在LED产品的应用上，大多以大尺寸高功率以及小尺寸低功率产品为主，基本上外观大多呈现凹杯状，且依客户端的需求可制作出有导线架&没有导线架两种散热基板，凹杯形状主要是针对封装工艺采用较简易的点胶方式封装成型所设计，并利用凹杯边缘作为光线反射的路径，但LTCC本身即受限于工艺因素，使得产品难以备制成小尺寸，再者，采用了厚膜制作线路，使得线路精准度不足以符合高功率小尺寸的LED产品。而与LTCC工艺与外观相似的HTCC，在LED散热基板这一块，尚未被普遍的使用，主要是因为HTCC采用1300~1600℃高温干燥硬化，使生产成本的增加，相对的HTCC基板费用也高，因此对极力朝低成本趋向迈进LED产业而言，面临了较严苛的考验HTCC。另一方面，DBC与DPC则与LTCC/HTCC不仅有外观上的差异，连LED产品封装方式亦有所不同，DBC/DPC均是属于平面式的散热基板，而平面式散热基板可依客制化备制金属线路加工，再根据客户需求切割成小尺寸产品，辅以共晶/覆晶工艺，结合已非常纯熟的萤光粉涂布技术及高阶封装工艺技术铸膜成型，可大幅的提升LED的发光效率。然而，DBC产品因受工艺能力限制，使得线路解析度上限仅为150~300um，若要特别制作细线路产品，必须采用研磨方式加工，以降低铜层厚度，但却造成表面平整度不易控制与增加额外成本等问题，使得DBC产品不易于共晶/覆晶工艺高线路精准度与高平整度的要求之应用。DPC利用薄膜微影工艺备制金属线路加工，具备了线路高精准度与高表面平整度的的特性，非常适用于覆晶/共晶接合方式的工艺，能够大幅减少LED产品的导线截面积，进而提升散热的效率。各种陶瓷散热基板之范例图片与其应用范围如下表三。表三、陶瓷散热基板之应用范围5、结论经由上述各种陶瓷基板之生产流程、特性比较、以及应用范围说明后，可明确的比较出个别的差异性。其中，LTCC散热基板在LED产业中已经被广泛的使用，但LTCC为了降低烧结温度，于材料中加入了玻璃材料，使整体的热传导率降低至2~3W/mK之间，比其他陶瓷基板都还要低。再者，LTCC使用网印方式印制线路，使线路本身具有线径宽度不够精细、以及网版张网问题，导致线路精准度不足、表面平整度不佳等现象，加上多层叠压烧结又有基板收缩比例的问题要考量，并不符合高功率小尺寸的需求，因此在LED产业的应用目前多以高功率大尺寸，或是低功率产品为主。而与LTCC工艺相似的HTCC以1300~1600℃的高温干燥硬化，使生产成本偏高，居于成本考量鲜少目前鲜少使用于LED产业，且HTCC与LTCC有相同的问题，亦不适用于高功率小尺寸的LED产品。另一方面，为了使DBC的铜层与陶瓷基板附着性佳，必须因采用1065~1085℃高温熔炼，制造费用较高，且有基板与Cu板间有微气孔问题不易解决，使得DBC产品产能与良率受到极大的考验；再者，若要制作细线路必须采用特殊处理方式将铜层厚度变薄，却造成表面平整度不佳的问题，若将产品使用于共晶/覆晶工艺的LED产品相对较为严苛。反倒是DPC产品，本身采用薄膜工艺的真空溅镀方式镀上薄铜，再以黄光微影工艺完成线路，因此线径宽度10~50um，甚至可以更细，且表面平整度高(0.3um)、线路对位精准度误差值仅+/-1%，完全避免了收缩比例、网版张网、表面平整度、高制造费用…等问题。虽LTCC、HTCC、DBC、与DPC等陶瓷基板都已广泛使用与研究，然而，在高功率LED陶瓷散热领域而言，DPC在目前发展趋势看来，可以说是最适合高功率且小尺寸LED发展需求的陶瓷散热基板。