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照明進入了新瓷器時代。LED 散熱技術隨著高功率LED產品的應用發(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之線路設計、尺寸、發(fā)光效率…等條件的不同有設計上的差異，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LED最后將熱能傳導到大氣中、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出的媒介，并藉由共晶或覆晶與LED芯片結合。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，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、產品強度等技術上的問題尚待突破。而DBC與DPC則為近幾年才開發(fā)成熟，且能量產化的專業(yè)技術，但對于許多人來說，此兩項專業(yè)的工藝技術仍然很陌生，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板結合，其技術瓶頸在于不易解決Al2O3與Cu板間微氣孔產生之問題，這使得該產品的量產能量與良率受到較大的挑戰(zhàn)，而DPC技術則是利用直接披覆技術，將Cu沉積于Al2O3基板之上，其工藝結合材料與薄膜工藝技術，其產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整合能力要求較高，這使得跨入DPC產業(yè)并能穩(wěn)定生產的技術門檻相對較高，下文將針對四種陶瓷散熱基板的生產流程做進一步的說明，進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，此技術須先將無機的氧化鋁粉與約30%~50%的玻璃材料加上有機黏結劑，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，然后依各層的設計鉆導通孔，作為各層訊號的傳遞，LTCC內部線路則運用網(wǎng)版印刷技術，分別于生胚上做填孔及印制線路，內外電極則可分別使用銀、銅、金等金屬，最后將各層做疊層動作，放置于850~900℃的燒結爐中燒結成型，即可完成。詳細制造過程如圖1 LTCC生產流程圖。

　　2.2 HTCC (High-Temperature Co-fired Ceramic)

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

　　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，經由高溫1065~1085℃的環(huán)境加熱，使銅金屬因高溫氧化、擴散與Al2O3材質產生(Eutectic) 共晶熔體，使銅金與陶瓷基板黏合，形成陶瓷復合金屬基板，最后依據(jù)線路設計，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－真空鍍膜方式于陶瓷基板上濺鍍結合于銅金屬復合層，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DPC生產流程圖如下圖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散熱基板的特性具有哪些差異，而各項特性又分別代表了什么樣的意義，為何會影響了散熱基板在應用時必須作為考量的重點。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)熱傳導率、 (2)工藝溫度、(3)線路制作方法、(4)線徑寬度，四項特性作進一步的討論：

　　3.1 熱傳導率

　　熱傳導率又稱為熱導率，它代表了基板材料本身直接傳導熱能的一種能力，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LED壽命，因此，散熱基板熱傳導效果的優(yōu)劣就成為業(yè)界在選用散熱基板時，重要的*估項目之一。檢視表一，由四種陶瓷散熱基板的比較可明看出，雖然Al2O3材料之熱傳導率約在20~24之間，LTCC為降低其燒結溫度而添加了30%~50%的玻璃材料，使其熱傳導率降至 2~3W/mK左右；而HTCC因其普遍共燒溫度略低于純Al2O3基板之燒結溫度，而使其因材料密度較低使得熱傳導系數(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，主要是指產品在生產過程中，使用到最高工藝溫度，而以一生產工藝而言，所使用的溫度愈高，相對的制造成本也愈高，且良率不易掌控。HTCC工藝本身即因為陶瓷粉末材料成份的不同，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在工藝后對必須疊層后再燒結成型，使得各層會有收縮比例問題，為解決此問題相關業(yè)者也在努力尋求解決方案中。另一方面，DBC對工藝溫度精準度要求十分嚴苛，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，與陶瓷基板緊密結合，若生產工藝的溫度不夠穩(wěn)定，勢必會造成良率偏低的現(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完成，由于線路制造/成型的方法直接影響了線路精準度、表面粗糙鍍、對位精準度…等特性，因此在高功率小尺寸的精細線路需求下，工藝解析度便成了必須要考慮的重要項目之一。LTCC與HTCC均是采用厚膜印刷技術完成線路制作，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，且容易造成有對位不精準與累進公差過大等現(xiàn)象。此外，多層陶瓷疊壓燒結工藝，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為標準)。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/電化學鍍沉積方式增加線路的厚度，DPC金屬線路厚度可依產品實際需求(金屬厚度與線路解析度)而設計。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品的差異做簡單的比較。

　　4、陶瓷散熱基板之應用

　　陶瓷散熱基板會因應需求及應用上的不同，外型亦有所差別。另一方面，各種陶瓷基板也可依產品制造方法的不同，作出基本的區(qū)分。LTCC散熱基板在LED產品的應用上，大多以大尺寸高功率以及小尺寸低功率產品為主，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線架 沒有導線架兩種散熱基板，凹杯形狀主要是針對封裝工藝采用較簡易的點膠方式封裝成型所設計，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，使得線路精準度不足以符合高功率小尺寸的LED產品。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，主要是因為HTCC采用1300~1600℃高溫干燥硬化，使生產成本的增加，相對的HTCC基板費用也高，因此對極力朝低成本趨向邁進LED產業(yè)而言，面臨了較嚴苛的考驗HTCC。

　　另一方面， DBC與DPC則與LTCC/HTCC不僅有外觀上的差異，連LED產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品，輔以共晶/覆晶工藝，結合已非常純熟的螢光粉涂布技術及高階封裝工藝技術鑄膜成型，可大幅的提升LED的發(fā)光效率。然而，DBC產品因受工藝能力限制，使得線路解析度上限僅為150~300um，若要特別制作細線路產品，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產品不易于共晶/覆晶工藝高線路精準度與高平整度的要求之應用。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產品的導線截面積，進而提升散熱的效率。各種陶瓷散熱基板之范例圖片與其應用范圍如下表三。

　　5、結論

　　經由上述各種陶瓷基板之生產流程、特性比較、以及應用范圍說明后，可明確的比較出個別的差異性。其中，LTCC散熱基板在LED產業(yè)中已經被廣泛的使用，但LTCC為了降低燒結溫度，于材料中加入了玻璃材料，使整體的熱傳導率降低至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、以及網(wǎng)版張網(wǎng)問題，導致線路精準度不足、表面平整度不佳等現(xiàn)象，加上多層疊壓燒結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產業(yè)的應用目前多以高功率大尺寸，或是低功率產品為主。而與LTCC工藝相似的HTCC以 1300~1600℃的高溫干燥硬化，使生產成本偏高，居于成本考量鮮少目前鮮少使用于LED產業(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產品產能與良率受到極大的考驗；再者，若要制作細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，若將產品使用于共晶/覆晶工藝的LED產品相對較為嚴苛。反倒是DPC產品，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，且表面平整度高(0.3um)、線路對位精準度誤差值僅+/-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陶瓷散熱領域而言，DPC在目前發(fā)展趨勢看來，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。