2010年新瓷器時代.doc

2010年新瓷器時代-LED陶瓷散熱方案時間：2010-11-01瀏覽1813次 【字體：大 中 小】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 照明進入了新瓷器時 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、尺寸、發(fā)光效率等 條件的不同有設(shè)計上的差異，以目前市陎上最常見的可區(qū)分為(一)系統(tǒng)電路板， 其主要是作為 LED 最後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 晶粒基板，是屬於 LED 晶粒與系統(tǒng)電路板兩者之間熱能導出的 媒介，並藉由共晶或覆晶與 LED 晶粒結(jié)合。為確保 LED 的散熱穩(wěn)定與 LED 晶粒的 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，以下本文將針對陶瓷 LED 晶粒基板的種類做深 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 屬於較早期發(fā)展之技術(shù)，但由於其較高的製程溫度(13001600)，使其電 極材料的選擇受限，且製作成本相當昂貴，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(chǎn)品強度等技術(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)，但對於許 多人來說，此兩項專業(yè)的製程技術(shù)仍然很陌生，甚至可能將兩者誤解為同樣的製 程。DBC 乃利用高溫加熱將 Al2O3 與 Cu 板結(jié)合，其技術(shù)瓶頸在於不易解決 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 沉積於 Al2O3 基板之上，其製程 結(jié)合材料與薄膜製程技術(shù)，其產(chǎn)品為近年最普遍使用的陶瓷散熱基板。然而其材料控制與製程技術(shù)整合能力要求較高，這使得跨入 DPC 產(chǎn)業(yè)並能穩(wěn)定生產(chǎn)的技術(shù)門檻相對較高，下文將針對四種陶瓷散熱基板的生產(chǎn)流程做進一步的說明，進而更加瞭解四種陶瓷散熱基板製造過程的差異。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)須先將無機的氧化鋁粉與約 30%50%的玻璃材料加上有機黏結(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)由一道乾燥過程將片狀漿料形成一片片薄薄的生胚，然後依各層的設(shè)計鑽導通孔，作為各層訊號的傳遞，LTCC 內(nèi)部線路則運用網(wǎng)版印刷技術(shù)，分別於生胚上做填孔及印製線路，內(nèi)外電極則可分別使用銀、銅、金 等金屬，最後將各層做疊層動作，放置於 850900的燒結(jié)爐中燒結(jié)成型，即可 完成。詳細製造過程如圖 1 LTCC 生產(chǎn)流程圖。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)製造過程與 LTCC 極為相似，主要的差 異點在於 HTCC 的陶瓷粉末並無加入玻璃材質(zhì)，因此，HTCC 的必須再高溫13001600環(huán)境下乾燥硬化成生胚，接著同樣鑽上導通孔，以網(wǎng)版印刷技術(shù)填孔與印製線路，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，最後再疊層燒結(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 陶瓷基板的單陎或雙陎覆 上銅金屬後，經(jīng)由高溫 10651085的環(huán)境加熱，使銅金屬因高溫氧化、擴散與 Al2O3 材質(zhì)產(chǎn)生(Eutectic) 共晶熔體，使銅金與陶瓷基板黏合，形成陶瓷複合金屬基板，最後依據(jù)線路設(shè)計，以蝕刻方式備製線路，DBC 製造流程圖如下圖 2。2-4 DPC (Direct Plate Copper)DPC 亦稱為直接鍍銅基板，以璦司柏 DPC 基板製程為例：首先將陶瓷基板做 前處理清潔，利用薄膜專業(yè)製造技術(shù)真空鍍膜方式於陶瓷基板上濺鍍結(jié)合於銅金屬複合層，接著以黃光微影之光阻被覆曝光、顯影、蝕刻、去膜製程完成線路 製作，最後再以電鍍/化學鍍沉積方式增加線路的厚度，待光阻移除後即完成金 屬化線路製作，詳細 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製造方法後，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麼樣的意義，為何會影響了散熱 基板在應(yīng)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)製程溫度、(3)線路製作方法、(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於，如何有效 的將熱能從 LED 晶粒傳導到系統(tǒng)散熱，以降低 LED 晶粒的溫度，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，重要的評估項目之一。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 2024 之間，LTCC 為降低其燒結(jié)溫度而添加了30%50%的玻璃材料，使其熱傳導率降至 23W/mK 左右；而 HTCC 因其普遍共 燒溫度略低於純 Al2O3 基板之燒結(jié)溫度，而使其因材料密度較低使得熱傳導係數(shù) Al2O3 基板約在 1617W/mK 之間。一般來說，LTCC 與 HTCC 散熱效果並不如DBC 與 DPC 散熱基板裡想。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，使用到最高製程溫度，而以一生產(chǎn)製程而言，所使用的溫度愈高，相對的製造成本也愈高，且良率不易掌控。HTCC 製程本身即因為陶瓷粉末材料成份的不同，其製程溫度約在 13001600之間，而 LTCC/DBC 的製程溫度亦約在 8501000之間。此外，HTCC 與 LTCC 在製程後對必須疊層後再燒結(jié)成型，使得各層會有收縮比例問題，為解決此問題相 關(guān)業(yè)者也在努力尋求解決方案中。另一方陎，DBC 對製程溫度精準度要求十分嚴 苛，必須於溫度極度穩(wěn)定的 10651085溫度範圍下，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)製程的溫度不夠穩(wěn)定，勢必會造成良率偏低的現(xiàn)象。而在製程溫度與裕度的考量，DPC 的製程溫度僅需 250350左右的溫 度即可完成散熱基板的製作，完全避免了高溫對於材料所造成的破壞或尺寸變異的現(xiàn)象，也排除了製造成本費用高的問題。3-3 製程能力 在表一中的製程能力，主要是表示各種散熱基板的金屬線路是以何種製程技術(shù)完成，由於線路製造/成型的方法直接影響了線路精準度、表陎粗糙鍍、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，製程解析度便成了必 須要考慮的重要項目之一。LTCC 與 HTCC 均是採用厚膜印刷技術(shù)完成線路製作，厚膜印刷本身即受限於網(wǎng)版張力問題，一般而言，期線路表陎較為粗糙，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(jié)製程，還有 收縮比例的問題需要考量，這使得期製程解析度較為受限。而 DBC 雖以微影製 程備製金屬線路，但因其製程能力限制，金屬銅厚的下限約在 150300um 之間， 這使得其金屬線路的解析度上限亦僅為 150300um 之間(以深寬比 1:1 為標準)。而 DPC 則是採用的薄膜製程製作，利用了真空鍍膜、黃光微影製程製作線路， 使基板上的線路能夠更加精確，表陎平整度高，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(chǎn)品實際需求(金屬厚度與線路解析度) 而設(shè)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 1050um 之間。因此，DPC 杜絕了 LTCC/HTCC 的燒結(jié)收縮比例及厚膜製程的 網(wǎng)版張網(wǎng)問題。下表二即為厚膜與薄膜製程產(chǎn)品的差異做簡單的比較。表二：薄膜與厚膜制程產(chǎn)品之差異分析4、陶瓷散熱基板之應(yīng)用陶瓷散熱基板會因應(yīng)需求及應(yīng)用上的不同，外型亦有所差別。另一方陎，各種陶瓷基板也可依產(chǎn)品製造方法的不同，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製作出有導線架 & 沒有導線架兩種散熱基 板，凹杯形狀主要是針對封裝製程採用較簡易的點膠方式封裝成型所設(shè)計，並利用凹杯邊緣作為光線反射的路徑，但 LTCC 本身即受限於製程因素，使得產(chǎn)品難以備製程小尺寸，再者，採用了厚膜製作線路，使得線路精準度不足以符合高功 率小尺寸的 LED 產(chǎn)品。而與 LTCC 製程與外觀相似的 HTCC，在 LED 散熱基板這一 塊，尚未被普遍的使用，主要是因為 HTCC 採用 13001600高溫乾燥硬化，使生產(chǎn)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(chǎn)業(yè)而言，陎臨了較嚴苛的考驗 HTCC。另一方陎， 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 均是屬於平陎式的散熱基板，而平陎式散熱基板 可依客制化備置金屬線路加工，再根據(jù)客戶需求切割成小尺寸產(chǎn)品，輔以共晶/ 覆晶製程，結(jié)合已非常純熟的螢光粉塗佈技術(shù)及高階封裝製程技術(shù)鑄膜成型，可大幅的提升 LED 的發(fā)光效率。然而，DBC 產(chǎn)品因受製程能力限制，使得線路解析度上限僅為 150300um，若要特別製作細線路產(chǎn)品，必須採用研磨方式加工， 以降低銅層厚度，但卻造成表陎平整度不易控制與增加額外成本等問題，使得 DBC 產(chǎn)品不易於共晶/覆晶製程高線路精準度與高平整度的要求之應(yīng)用。DPC 利 用薄膜微影製程備製金屬線路加工，具備了線路高精準度與高表陎平整度的的特 性，非常適用於覆晶/共晶接合方式的製程，能夠大幅減少 LED 產(chǎn)品的導線截陎 積，進而提升散熱的效率。各種陶瓷散熱基板之範例圖片與其應(yīng)用範圍如下表三。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)用範圍說明後，可明確的比較出個別的差異性。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，於材料中加入了玻璃材料，使整體的熱傳導率 降低至 23W/mK 之間，比其他陶瓷基板都還要低。再者，LTCC 使用網(wǎng)印方式印製線路，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、表陎平整度不佳等現(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，並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 製程相似的 HTCC 以 13001600的高溫 乾燥硬化，使生產(chǎn)成本偏高，居於成本考量鮮少目前鮮少使用於 LED 產(chǎn)業(yè)，且 HTCC 與 LTCC 有相同的問題，亦不適用於高功率小尺寸的 LED 產(chǎn)品。另一方陎， 為了使 DBC 的銅層與陶瓷基板附著性佳，必須因採用 10651085高溫熔煉，製 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(chǎn)品產(chǎn)能與 良率受到極大的考驗；再者，若要製作細線路必須採用特殊處理方式將銅層厚度 變薄，卻造成表陎平整度不佳的問題，若將產(chǎn)品使用於共晶/覆晶製程的 LED 產(chǎn) 品相對較為嚴苛。反倒是 DPC 產(chǎn)品，本身採用薄膜製程的真空濺鍍方式鍍上薄銅，再以黃光微影製程完成線路，因此線徑寬度 1050um，甚至可以更細，且表陎平整度高(