- 散熱基板對于LED模組的影響
- 散熱基板的對比選擇
- 厚膜印刷陶瓷基版
- 薄膜工藝陶瓷基板
- 氧化鋁陶瓷基板
- 氮化鋁陶瓷基板
1、簡(jiǎn)介
LED模組現今大量使用在電子相關(guān)產(chǎn)品上，隨著(zhù)應用范圍擴大以及照明系統的不斷提升，約從1990年開(kāi)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，現在的照明系統上所使用之LED功率已經(jīng)不只1W、3W、5W甚至到達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)與設計，而LED及其封裝的材料所累積的熱能多半都是以傳導方式散出，所以L(fǎng)ED芯片基板及LED芯片封裝的設計及材質(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(kāi)始出現紅光的LED，之后很快的演進(jìn)到了藍光及綠光，初期的運用多半是在一些標示上，如家電用品上的指示，到了2000年開(kāi)始，白光高功率LED的出現，讓LED的運用開(kāi)始進(jìn)入另一階段，像是戶(hù)外大型看版、小型顯示器的背光源等(如圖一)，但隨著(zhù)高功率的快速演進(jìn)，預計從2010年之后，車(chē)用照明、室內及特殊照明的需求量日增，但是這些高功率的照明設備，其散熱效能的要求也越益嚴苛，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(jiàn)的陶瓷基板多為L(cháng)TCC或厚膜技術(shù)制成的陶瓷散熱基板，此類(lèi)型產(chǎn)品受網(wǎng)版印刷技術(shù)的準備瓶頸，使得其對位精準度上無(wú)法配合更高階的焊接，共晶(Eutectic)或覆晶(Flipchip)封裝方式，而利用薄膜工藝技術(shù)所開(kāi)發(fā)的陶瓷散熱基板則提供了高對位精準度的產(chǎn)品，以因應封裝技術(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(zhù)相當的影響力。然而，隨著(zhù)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(chǎng)接受進(jìn)而廣泛使用。近年來(lái)，除了陶瓷基板本身的材料特性問(wèn)題須考慮之外，對基板上金屬線(xiàn)路之線(xiàn)寬、線(xiàn)徑、金屬表面平整度與附著(zhù)力之要求日增，使得以傳統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
從傳統的PCB(FR4)板，到現在的陶瓷基板，LED不斷往更高功率的需求發(fā)展，現階段陶瓷基板之金屬線(xiàn)路多以厚膜技術(shù)成型，然而厚膜印刷的對位精準度使得其無(wú)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元件的散熱設計中，使用了共晶以及覆晶兩種封裝技術(shù)，這些技術(shù)的導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，讓整體運作的功率都相對的提昇。但是這兩種接合方式的應用都需要擁有精確金屬線(xiàn)路設計的基礎，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線(xiàn)路設計主流。
[page]
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(xiàn)路與圖形，因此，其線(xiàn)路圖形的完整度與線(xiàn)路對位的精確度往往隨著(zhù)印刷次數增加與網(wǎng)版張力變化而出現明顯的累進(jìn)差異，此結果將影響后續封裝工藝上對位的精準度；再者，隨著(zhù)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(zhù)尺寸縮小，網(wǎng)版印刷所呈現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(xiàn)路尺寸能夠不斷縮小與精準度的嚴格要求下，LED散熱基板的生產(chǎn)技術(shù)勢必要繼續提升。因而薄膜工藝的導入就成為了改善方法之一，然而國內擁有成熟的陶瓷基板薄膜金屬化工藝技術(shù)的廠(chǎng)家卻屈指可數。為此，以薄膜元件起家的璦司柏電子(ICP)，即針對自家開(kāi)發(fā)之薄膜基板與傳統厚膜基板進(jìn)行其工藝與產(chǎn)品特性差異分析(如下表二所示)。
3-2、薄膜工藝應用于陶瓷基板
薄膜技術(shù)的導入正可解決上述線(xiàn)路尺寸縮小的工藝瓶頸，結合高真空鍍膜技術(shù)與黃光微影技術(shù)，能將線(xiàn)路圖形尺寸大幅縮小，并且可同時(shí)符合精準的線(xiàn)路對位要求，其各單元的圖形尺寸的低差異性(高均勻性)更是傳統網(wǎng)版印刷所不易達到的結果。在高熱導的要求下，目前璦司柏(ICP)的薄膜工藝技術(shù)已能克服現階段厚膜工藝在對位精準度的瓶頸，圖(二)即為薄膜工藝之簡(jiǎn)易流程圖，在空白陶瓷基板上(氧化鋁/氮化鋁)經(jīng)過(guò)前處理之后，鍍上種子層(sputtering)，經(jīng)過(guò)光阻披覆、曝光顯影，再將所需之線(xiàn)路增厚(電鍍/化學(xué)鍍)，最后經(jīng)過(guò)去膜、蝕刻步驟使線(xiàn)路成形，此工藝所備制之產(chǎn)品具有較高的線(xiàn)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)品與傳統厚膜產(chǎn)品的金屬線(xiàn)路光學(xué)顯微圖像?？擅黠@看出厚膜印刷之線(xiàn)路，其表面具有明顯的坑洞且線(xiàn)條的平整度不佳，反觀(guān)以薄膜工藝制備之金屬線(xiàn)路，不但色澤清晰且線(xiàn)條筆直平整。
由以上厚/薄膜這些金屬線(xiàn)路上的幾何精準度差異，再加上厚膜線(xiàn)路易因網(wǎng)版張網(wǎng)問(wèn)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(huà)說(shuō)厚膜印刷產(chǎn)品的對位及線(xiàn)路的精準度不夠精確，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象。
但從產(chǎn)品成本結構來(lái)看，如表二所示薄膜產(chǎn)品的工藝設備(黃光微影)與生產(chǎn)環(huán)境(無(wú)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(xiàn)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，可預期的當利用薄膜工藝將陶瓷基板金屬化的產(chǎn)品，日漸達到經(jīng)濟規模時(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)現階段以陶瓷為主，而氧化鋁陶瓷基板應是較易取得且成本較低之材料，是目前運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(xiàn)路，其金屬線(xiàn)路與基版的接著(zhù)度或是特性上并無(wú)顯著(zhù)的差異，而兩種工藝顯現出最主要的差異則是在線(xiàn)路尺寸縮小的要求下，薄膜工藝能提供厚膜技術(shù)無(wú)法達到的較小線(xiàn)路尺寸與較高的圖形精準度。
3-2-2、氮化鋁陶瓷基板
而在更高功率LED應用的前提下，具高導熱係數的氮化鋁(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(guò)高溫(高于800oC)燒結工藝，此高溫燒結工藝于大氣環(huán)境下執行易導致金屬線(xiàn)路與氮化鋁基板間產(chǎn)生氧化層，進(jìn)而影響線(xiàn)路與基板之間的附著(zhù)性；然而，薄膜工藝則在300℃以下工藝之條件下備制，無(wú)氧化物生成與附著(zhù)性不佳之疑慮，更可兼具線(xiàn)路尺寸與高精準度之優(yōu)勢。薄膜工藝為高功率氮化鋁陶瓷LED散熱基板創(chuàng )造更多應用空間。
以上我們已將LED散熱基板在兩種不同工藝上做出差異分析，以薄膜工藝備制陶瓷散熱基板具有較高的設備與技術(shù)，需整合材料開(kāi)發(fā)門(mén)檻，如曝光、真空沉積、顯影、蒸鍍(Evaporation)、濺鍍(Sputtering)電鍍與無(wú)電鍍等技術(shù)，以目前的市場(chǎng)規模，薄膜產(chǎn)品的相對成本較高，但是一旦市場(chǎng)規模達到一定程度時(shí)，必定會(huì )反映在成本結構上，相對的在價(jià)格上與厚膜工藝的差異將會(huì )有大幅度的縮短。
在高效能、高產(chǎn)品品質(zhì)要求與高生產(chǎn)架動(dòng)的高功率LED陶瓷基板的發(fā)展趨勢之下，高散熱效果、高精準度之薄膜工藝陶瓷基板的選擇，將成為趨勢，以克服目前厚膜工藝產(chǎn)品所無(wú)法突破的瓶頸。因此，可預期的薄膜陶瓷基板將逐漸應用在高功率LED上，并隨著(zhù)高功率LED的快速發(fā)展而達經(jīng)濟規模，此時(shí)不論高功率LED芯片、薄膜型陶瓷散熱基板、封裝工藝成本等都將大幅降低，進(jìn)而更加速高功率LED產(chǎn)品的量化。
