新瓷器时代LED陶瓷散热方案LTCCHTCCDBCDPC样本.doc

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新瓷器時代-LED陶瓷散熱方案
分類: 技術論壇
/03/16 16:02
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產品的應用發展, 已成為各家業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、 發光效率…等條件的不同有設計上的差異, 以当前市面上最常見的可區分為
(一)系統電路板, 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, 而列為系統電路板的種類包括: 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晶粒結合。
為確保LED的散熱穩定與LED晶粒的發光效率, 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晶粒基板的種類做深入的探討。

2、 陶瓷散熱基板種類
        現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屬於較早期發展之技術, 但由於其較高的製程溫度(1300~1600℃), 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則為近幾年才開發成熟, 且能量產化的專業技術, 但對於許多人來說, 此兩項專業的製程技術依然很陌生, 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板結合, 其技術瓶頸在於不易解決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,
而DPC技術則是利用直接披覆技術, 將Cu沉積於Al2O3基板之上, 其製程結合材料與薄膜製程技術, 其產品為近年最普遍使用的陶瓷散熱基板。然而其材料控制與製程技術整合能力要求較高, 這使得跨入DPC產業並能穩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, 然後依各層的設計鑽導通孔, 作為各層訊號的傳遞, LTCC內部線路則運用網版印刷技術, 分別於生胚上做填孔及印製線路, 內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850~900℃的燒結爐中燒結成型, 即可完成。詳細製造過程如圖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, 因此, HTCC的必須再高溫1300~1600℃環境下乾燥硬化成生胚, 接著同樣鑽上導通孔, 以網版印刷技術填孔與印製線路, 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後, 經由高溫1065~1085℃的環境加熱, 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, 形成陶瓷複合金屬基板, 最後依據線路設計, 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, 利用薄膜專業製造技術－真空鍍膜方式於陶瓷基板上濺鍍結合於銅金屬複合層, 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晶粒傳導到系統散熱, 以降低LED 晶粒的溫度, 增加發光效率與延長LED壽命, 因此, 散熱基板熱傳導效果的優劣就成為業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於純Al2O3基板之燒結溫度, 而使其因材料密度較低使得熱傳導係數低Al2O3基板約在16~17W/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 操作環境溫度
       操作環境溫度, 主要是指產品在生產過程中, 使用到最高製程溫度, 而以一生產製程而言, 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1300~1600℃之間,
而LTCC/DBC的製程溫度亦約在850~1000℃之間。另外, HTCC與LTCC在製程後對必須疊層後再燒結成型, 使得各層會有收縮比例問題, 為解決此問題相關業者也在努力尋求解決方案中。
另一方面, DBC對製程溫度精準度要求十分嚴苛, 必須於溫度極度穩定的1065~1085℃溫度範圍下, 才能使銅層熔煉為共晶熔體, 與陶瓷基板緊密結合, 若生產製程的溫度不夠穩定, 勢必會造成良率偏低的現象。而在製程溫度與裕度的考量,
DPC的製程溫度僅需250~350℃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完成, 由於線路製造/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, 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完成線路製作, 厚膜印刷本身即受限於網版張力問題, 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象。另外, 多層陶瓷疊壓燒結製程, 還有收縮比例的問題需要考量, 這使得其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製程的網版張網問題。下表二即為厚膜與薄膜製程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製造方法的不同, 作出基本的區分。
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, 使得產品難以備製成小尺寸, 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1300~1600℃高溫乾燥硬化, 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均是屬於平面式的散熱基板, 而平面式散熱基板可依客製化備製金屬線路加工, 再根據客戶需求切割成小尺寸產品, 輔以共晶/覆晶製程, 結合已非常純熟的螢光粉塗佈技術及高階封裝製程技術鑄膜成型, 可大幅的提升LED的發光效率。
然而, DBC產品因受製程能力限制, 使得線路解析度上限僅為150~300um, 若要特別製作細線路產品, 必須採用研磨方式加工, 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產品不易於共晶/覆晶製程高線路精準度與高平整度的要求之應用。
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面平整度的的特性, 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範例圖片與其應用範圍如下表三。

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產業中已經被廣泛的使用, 但LTCC為了降低燒結溫度, 於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, 比其它陶瓷基板都還要低。再者, LTCC使用網印方式印製線路, 使線路本身具有線徑寬度不夠精細、 以及網版張網問題, 導致線路精準度不足、 表面平整度不佳等現象, 加上多層疊壓燒結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產業的應用当前多以高功率大尺寸, 或是低功率產品為主。
而與LTCC製程相似的HTCC以1300~1600℃的高溫乾燥硬化, 使生產成本偏高, 居於成本考量当前鮮少使用於LED產業, 且HTCC與LTCC有相同的問題, 亦不適用於高功率小尺寸的LED產品。另一方面, 為了使DBC的銅層與陶瓷基板附著性佳, 必須因採用1065~1085℃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產品產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, 卻造成表面平整度不佳的問題, 若將產品使用於共晶/覆晶製程的LED產品相對較為嚴苛。
反倒是DPC產品, 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10~50um, 甚至能够更細, 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、 網版張網、 表面平整度、 高製造費用…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在当前發展趨勢看來, 能够說是最適合高功率且小尺寸LED發展需求的陶瓷散熱基板。