未来功率型LED将采用DPC陶瓷基板封装

 中国电子报、电子信息产业网  作者:
发布时间:2012-10-30
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东莞市凯昶德电子科技股份有限公司技术总监 吴朝晖


    功率型LED封装基板作为热与空气对流的载体,其热导率对LED的散热起着决定性作用。DPC陶瓷基板以其优良的性能和逐渐降低的价格,在众多电子封装材料中显示出很强的竞争力,是未来功率型LED封装发展的趋势。随着科学技术的发展、新制备工艺的出现,高导热陶瓷材料作为新型电子封装基板材料,应用前景十分广阔。



    随着LED芯片输入功率的不断提高,大耗散功率带来的大发热量给LED封装材料提出了更新、更高的要求。在LED散热通道中,封装基板是连接内外散热通路的关键环节,兼有散热通道、电路连接和对芯片进行物理支撑的功能。对高功率LED产品来讲,其封装基板要求具有高电绝缘性、高导热性、与芯片匹配的热膨胀系数等特性。



    树脂基封装基板:配套成本高普及尚有难度

    EMC和SMC对模压成型设备要求高,一条模压成型生产线价格在1000万元左右,大规模普及尚有难度。



    近几年兴起的贴片式LED支架一般采用高温改性工程塑胶料,以PPA(聚邻苯二甲酰胺)树脂为原料,通过添加改性填料来增强PPA原料的某些物理、化学性质,从而使PPA材料更加适合注塑成型及贴片式LED支架的使用。PPA塑料导热性能很低,其散热主要通过金属引线框架进行,散热能力有限,只适用于小功率LED封装。

    随着业界对LED散热的重视,两种新的热固性塑胶料——环氧塑封料(EMC)和片状模塑料(SMC)被引入贴片式LED支架中。EMC是以高性能酚醛树脂为固化剂、导热系数较高的硅微粉等为填料、多种助剂混配而成的粉状模塑料。SMC主要是由30%左右的不饱和树脂、40%左右的玻璃纤维、无机填料以及其他添加剂组成。这两种热固性模塑料热固化温度在150℃左右,经过改性后导热系数可达4W/(m·K)~7W/(m·K),与PPA塑胶相比有较大提高,但缺点是流动性与导热性较难兼顾,固化成型时硬度过高,容易产生裂纹和毛刺。EMC和SMC固化时间长,成型效率相对较低,对模压成型设备、模具及其他配套设备的要求相当高,一条模压成型及配套生产线价格在1000万元左右,大规模普及尚有难度。



    金属芯印刷电路板:制造工艺复杂实际应用较少

    铝基板的加工制造过程复杂、成本高,铝的热膨胀系数与芯片材料相差较大,实际应用中较少采用。



    随着LED封装向薄型化及低成本化方向发展,板上芯片(COB)封装技术逐步兴起。目前,COB封装基板大多使用金属芯印刷电路板,高功率LED封装大多采用此种基板,其价格介于中、高价位间。

  当前生产上通用的大功率LED散热基板,其绝缘层导热系数极低,而且由于绝缘层的存在,使得其无法承受高温焊接,限制了封装结构的优化,不利于LED散热。

    如何提高环氧绝缘层的导热系数成为现阶段铝基板的研究热点。目前采用的是一种掺有高热传导性无机填充物(比如陶瓷粉末)的改性环氧树脂或环氧玻璃布黏结片,通过热压把铜箔、绝缘体以及铝板黏结起来。目前国际上已经开发出一种“全胶铝基板”,采用全胶的铝基板的热阻可以做到0.05K/W。此外,我国台湾的一家公司最近开发出一种类钻碳材料DLC,并将其应用于高亮度LED封装铝基板的绝缘层。DLC有许多优越的材料特性:高热传导率、热均匀性与高材料强度等。因此,以DLC取代传统金属基印刷电路板(MCPCB)的环氧树脂绝缘层,有望极大提高MCPCB的热传导率,但其实际使用效果还有待市场考验。

    一种性能更好的铝基板是直接在铝板上生成绝缘层,然后印制电路。采用这种方法的最大优点是结合力强,而且导热系数高达2.1W/(m·K)。但这种铝基板的加工制造过程复杂、成本高,而且,金属铝的热膨胀系数与芯片材料相差较大,器件工作时热循环常会产生较大应力,最终可能导致失效,因此在实际应用中较少采用。



    硅基封装基板:面临挑战良品率低于60%

  硅基板在绝缘层、金属层、导通孔的制备方面都面临挑战,良品率不超过60%。



    以硅基材料作为LED封装基板技术,近几年逐渐从半导体业界引进到LED业界。硅基板的导热性能与热膨胀性能都表明了硅是与LED较匹配的封装材料。硅的导热系数为140W/m·K,应用于LED封装时,所造成的热阻只有0.66K/W;而且硅基材料已被大量应用在半导体制程及相关封装领域,所涉及相关设备及材料已相当成熟。因此,若将硅制作成LED封装基板,容易形成量产。

  不过,LED硅基板封装仍有许多技术问题。例如,材料方面,硅材容易碎裂,且机构强度也有问题。结构方面,硅尽管是优良导热体,但绝缘性不良,必须做氧化绝缘处理。此外,其金属层需采用溅镀结合电镀的方式制备,导电孔需采用腐蚀的方法进行。总体看来,绝缘层、金属层、导通孔的制备都面临挑战,良品率不高。目前虽有一些台湾企业开发出LED硅基板并量产,但良品率不超过60%。



    陶瓷封装基板:提升散热效率满足高功率LED需求

  配合高导热的陶瓷基体,DPC显著提升了散热效率,是最适合高功率、小尺寸LED发展需求的产品。




    陶瓷散热基板具有新的导热材料和新的内部结构,弥补了铝金属基板所具有的缺陷,从而改善基板的整体散热效果。目前可用作散热基板的陶瓷材料中,BeO虽然导热系数高,但其线膨胀系数与硅(Si)相差很大,且制造时有毒,限制了自身的应用;BN具有较好的综合性能,但作为基板材料,没有突出的优点,而且价格昂贵,目前只是处于研究和推广中;碳化硅(SiC)具有高强度和高热导率,但其电阻和绝缘耐压值较低,金属化后键合不稳定,会引起热导率和介电常数的改变,不宜作为绝缘性封装基板材料。Al2O3陶瓷基片虽是目前产量最多、应用最广的陶瓷基片,但由于其热膨胀系数相对Si单晶偏高,导致Al2O3陶瓷基片并不太适合在高频、大功率、超大规模集成电路中使用。A1N晶体具有高热导率,被认为是新一代半导体基板和封装的理想材料。



  AlN陶瓷材料从20世纪90年代开始得到广泛地研究而逐步发展起来,是目前普遍认为很有发展前景的电子陶瓷封装材料。AlN陶瓷基板的散热效率是Al2O3基板的7倍之多,AlN基板应用于高功率LED的散热效益显著,进而大幅提升LED的使用寿命。AlN基板的缺点是即使表面有非常薄的氧化层也会对热导率产生较大影响,只有对材料和工艺进行严格控制才能制造出一致性较好的AlN基板。目前大规模生产AlN还不成熟,相较于目前应用普遍的Al2O3基板,AlN基板的成本约为Al2O3基板的3~5倍。但未来若能量产,AlN基板的成本可快速下降,届时散热效益强大的AlN基板将有机会取代Al2O3基板。


  现阶段应用于LED封装的陶瓷基板按制备技术可分为HTCC、LTCC、DBC、DPC4种。HTCC又称高温共烧多层陶瓷,其主要材料为熔点较高但导电性较差的钨、钼、锰等金属,制作成本高昂,现在较少采用。LTCC又称为低温共烧多层陶瓷基板,其热传导率为2W/(m·K)~3W/(m·K)左右,与现有铝基板相比并没有太大优势。此外,LTCC由于采用厚膜印刷技术完成线路制作,线路表面较为粗糙,对位不精准。而且,多层陶瓷叠压烧结工艺还有收缩比例的问题,这使得其工艺解析度受到限制,LTCC陶瓷基板的推广应用受到极大挑战。


    基于板上封装技术而发展起来的直接覆铜陶瓷板(DBC)也是一种导热性能优良的陶瓷基板。DBC基板在制备过程中没有使用黏结剂,因而导热性能好,强度高,绝缘性强,热膨胀系数与Si等半导体材料相匹配。然而,陶瓷基板与金属材料的反应能力低,润湿性差,实施金属化颇为困难,不易解决Al2O3与铜板间微气孔产生的问题,这使得该产品的量产与良品率受到较大的挑战,仍然是国内外科研工作者研究的重点。


  DPC陶瓷基板又称直接镀铜陶瓷板,DPC产品具备线路精准度高与表面平整度高的特性,非常适用于LED覆晶/共晶工艺,配合高导热的陶瓷基体,显著提升了散热效率,是最适合高功率、小尺寸LED发展需求的陶瓷散热基板。


 


来源:中国电子报、电子信息产业网            责任编辑:系统管理员
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