LED散熱基板之厚膜與薄膜工藝差異分析

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)用范圍擴(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芯片、芯片載板、芯片封裝及模組的材質(zhì)與設(shè)計(jì)，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芯片、基板及LED芯片封裝的設(shè)計(jì)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 ，但隨著高功率的快速演進(jìn)，預(yù)計(jì)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)制成的陶瓷散熱基板，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，而利用薄膜工藝技術(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芯片承載基板的發(fā)展上，以承載芯片而言，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?。然而，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)厚膜工藝備制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工藝及其產(chǎn)品特性上的差異做出分析。

　　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(jì)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芯片，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(jì)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(jì)主流。

　　3.1、厚膜印刷陶瓷基版

　　厚膜工藝大多使用網(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)封裝工藝上對位的精準(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。因而薄膜工藝的導(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工藝技術(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)行其工藝與產(chǎn)品特性差異分析(如下表二所示)。

3.2、薄膜工藝應(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工藝瓶頸，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(shí)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)的薄膜工藝技術(shù)已能克服現(xiàn)階段厚膜工藝在對位精準(zhǔn)度的瓶頸，圖(二)即為薄膜工藝之簡易流程圖，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，此工藝所備制之產(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(三)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，反觀以薄膜工藝制備之金屬線路，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)芯片置件上，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，使其限制了芯片封裝工藝的工藝裕度(window)。然而，薄膜工藝產(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)品的工藝設(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，然而薄膜工藝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)利用薄膜工藝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(shí)，其成本將逐漸趨近于厚膜產(chǎn)品。

3.2.1、氧化鋁陶瓷基板

　　上述部分是針對工藝不同部份所做的闡述，另一項(xiàng)與散熱息息相關(guān)的則是基板材質(zhì)，LED散熱基板所使用之材質(zhì)現(xiàn)階段以陶瓷為主，而氧化鋁陶瓷基板應(yīng)是較易取得且成本較低之材料，是目前運(yùn)用在元件上的主要材料，然而厚膜技術(shù)或薄膜技術(shù)在氧化鋁陶瓷基板上制備金屬線路，其金屬線路與基版的接著度或是特性上并無顯著的差異，而兩種工藝顯現(xiàn)出最主要的差異則是在線路尺寸縮小的要求下，薄膜工藝能提供厚膜技術(shù)無法達(dá)到的較小線路尺寸與較高的圖形精準(zhǔn)度。

　　3.2.2、氮化鋁陶瓷基板

　　而在更高功率LED應(yīng)用的前提下，具高導(dǎo)熱係數(shù)的氮化鋁(170-230W/mK)將是散熱基板的首選材質(zhì)，但厚膜印刷之金屬層(如高溫銀膠)多需經(jīng)過高溫(高于800oC)燒結(jié)工藝，此高溫?zé)Y(jié)工藝于大氣環(huán)境下執(zhí)行易導(dǎo)致金屬線路與氮化鋁基板間產(chǎn)生氧化層，進(jìn)而影響線路與基板之間的附著性;然而，薄膜工藝則在300℃以下工藝之條件下備制，無氧化物生成與附著性不佳