——本资料由·东莞市中实创半导体照明有限公司/ 工程部·整理与撰写——
摘要：
陶瓷基板材料以其优良的导热性和气密性，广泛应用于功率电子、LED封装、多芯片模块等领域。本文简要介绍了目前LED封装陶瓷基板的技术现状与以后的发展。
关键字:LED陶瓷基板 LED产业
（一）前言：
陶瓷基板材料以其优良的导热性和气密性，广泛应用于功率电子、LED封装、多芯片模块等领域。LED散热基板的选择亦随着LED之线路设计、尺寸、发光效率…等条件的不同有设计上的差异，以目前市面上最常见的可区分为：①系统电路板，其主要是作为LED最后将热能传导到大气中、散热鳍片或外壳的散热系统，而列为系统电路板的种类包括：铝基板(MCPCB)、印刷电路板(PCB)以及软式印刷电路板(FPC)；②LED芯片基板，是属于LED芯片与系统电路板两者之间热能导出的媒介，并藉由共晶或覆晶与LED芯片结合。为确保LED的散热稳定与LED芯片的发光效率，近期许多以陶瓷材料作为高功率LED散热基板之应用，其种类主要包含有：低温共烧多层陶瓷(LTCC)、高温共烧多层陶瓷(H TCC)、直接接合铜基板 (DBC)、直接镀铜基板(DPC)四种，以下本文将针对陶瓷LED芯片基板的种类做深入的探讨。
（二）陶瓷基板的定义和性能：
1．定义：陶瓷基板是以电子陶瓷为基的，对膜电路元件及外贴切元件形成一个支撑底座的片状材料。按照陶瓷基片应用领域的不同，又分为HIC（混合集成电路）陶瓷基片、聚焦电位器陶瓷基片、激光加热定影陶瓷基片、片式电阻基片、网络电阻基片等；按加工方式的不同，陶瓷基片分为模压片、激光划线片两大类。
2．陶瓷基板的性能：
（1）机械性质
Ø有足够高的机械强度，除搭载元件外，也能作为支持构件使用；
Ø加工性好，尺寸精度高；容易实现多层化；
Ø表面光滑，无翘曲、弯曲、微裂纹等。
（2）电学性质
Ø绝缘电阻及绝缘破坏电压高；
Ø介电常数低；
Ø介电损耗小；
Ø在温度高、湿度大的条件下性能稳定，确保可靠性。
（3）热学性质
Ø热导率高；
Ø热膨胀系数与相关材料匹配（特别是与Si的热膨胀系数要匹配）；
Ø耐热性优良。
（4）其它性质
Ø化学稳定性好；容易金属化，电路图形与其附着力强； Ø无吸湿性；耐油、耐化学药品；α射线放出量小；
Ø所采用的物质五公害、无毒性；在使用温度范围内晶体结构不变化；
Ø原材料丰富；技术成熟；制造容易；价格低。
0663.us
（三）陶瓷基板与金属基板的比较：
LED散热基板主要分为金属基板与陶瓷基板。金属基板以铝或铜为材料，由于技术成熟，且具低成本优势，目前为一般LED产品所采用。而陶瓷基板线路对位精确度高，为业界公认导热与散热
性能极佳材料，是目前高功率LED散热最适方案，虽然成本比金属基板来得高，但照明要求的散热性及稳定性高于笔记本电脑、电视等电子产品，因此，包括Cree、欧司朗、飞利浦及日亚等国际大厂，都使用陶瓷基板作为LED晶粒散热材质。
如今生产上通用的大功率LED散热基板结构如图1所示，其一般为铝质基板：最下层为铝金属层，其厚度约为1.3mm；铝层之上为高分子绝缘层，厚约0.1mm；最上层为铜线路以及焊接电路。虽然铝的导热系数比较高，但是绝缘层导热系数极低，因此绝缘层成为该中结构基板的散热瓶颈，影响整个基板的散热效果；同时由于绝缘层的存在，使得其无法承受高温焊接，从而影响了封装工艺的实施，限制了封装结构的优化，因此不利于LED散热。
由于高分子绝缘材料的导热系数较低，同时耐热性能较差，如果要提高铝金属基板的整体导热性能及耐热性能，需要替换掉绝缘材料，但是绝缘材料的启用，使得同线路无法自傲铝金属基板之上布置，所以目前直接提高铝金属基板的导热系数还无法实现。而陶瓷散热基板，其具有新的导热材料和新的内部结构，以消除铝金属基板所具有的缺陷，从而改善基板的整体散热效果。
表1 为陶瓷散热基板与金属散热基板比较
项目陶瓷基板（氧化铝、氮化铝）金属基板（铝、铜及其合金）热导率W/M·K 20~41 / 150~170 0.15~4.0
绝缘性好差，需表面处理出一层绝缘膜
热稳定性好一般
自身热辐射能力强一般
价格较高不高
应用领域大功率小尺寸LED应用较多小功率大尺寸LED
（四）各种陶瓷材料的比较:
陶瓷材料的种类：Al2O3 ；3Al2O3·2SiO2莫来石；2Al2O3·2MgO·5SiO2堇青石；
MgO·SiO2块滑石；2MgO·SiO2镁橄榄石；AlN；SiC；BeO
微波消解
①Al2O3：到目前为止，氧化铝基板是LED领域中最常用的基板材料，因为在机械、热、电性能上相对于大多数其他氧化物陶瓷，强度及化学稳定性高，且原料来源丰富，适用于各种各样的技术制造以及不同的形状。
②BeO：具有比金属铝还高的热导率，应用于需要高热导的场合，但温度超过300℃后迅速降低，最重要的是由于其毒性限制了自身的发展。
③AlN：AlN有两个非常重要的性能值：一是高的热导率，二是与Si相匹配的膨胀系数。缺点是即使在
表面有非常薄的氧化层也会对热导率产生影响，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。目前大规模的AlN生产技术国内还是不成熟，相对于Al2O3比较，AlN价格相对偏高许多，这个也是制约其发展的瓶颈。
④实际生产和开发应用的陶瓷基片材料还有SiC、BN复相陶瓷、AZ氧化锆陶瓷和玻璃陶瓷等。其中，BeO和SiC热导率很高（250W/m.K），SiC因体积电阻较小（＜1013W·cm）、介电常数较大（40）、介电损耗较高（50），不利于信号的传输，且成型工艺复杂、设备
昂贵，故应用范围也很小；AlN陶瓷基片是新一代高性能陶瓷基片，具有很高的热导率（理论值为319W/m.K，商品化的AlN基片热导率大于160W/m.k）、较低的介电常数（8.8）和介电损耗（＜5×10-4）、以及和硅相配比的热膨胀系数（4.4×10－4/℃）等优点，但由于成本居高，一直没能大规模应用；Al2O3陶瓷基片虽然热导率不高（20W/m.K），但因其生产工艺相对简单，成本较低，价格便宜，成为目前最广泛应用的陶瓷基片。
综合以上原因，可以知道，氧化铝陶瓷由于比较优越的综合性能，在目前微电子、功率电子、LED电子、功率模块等领域还是处于主导地位而被大量运用。
旋转角度传感器表2 各种基板特性比较表
下表对Al2O3和AlN的特性分析比较：
表3 Al2O3的特性分析
表4 AlN的特性分析
（五）陶瓷基板的制造：
制造高纯度的陶瓷基板是很困难的，大部分陶瓷熔点和硬度都很高，这一点限制了陶瓷机械加工的可
能性，因此陶瓷基板中常常掺杂熔点较低的玻璃用于助熔或者粘接，使最终产品易于机械加工。Al2O3、BeO、AlN基板制备过程很相似，将基体材料研磨成粉直径在几微米左右，与不同的玻璃助熔剂和粘接剂（包括粉体的MgO、CaO）混合，此外还向混合物中加入一些有机粘接剂和不同的增塑剂再球磨防止团聚使成分均匀，成型生瓷片，最后高温烧结。目前陶瓷成型主要有如下几种方法：
包装内托
●辊轴轧制：将浆料喷涂到一个平坦的表面，部分干燥以形成黏度像油灰状的薄片，再将薄片送入一对大的平行辊轴中轧碾得到厚度均匀的生瓷片。
●流延成型：浆料通过锋利的刀刃涂复在一个移动的带上形成薄片。与其他工艺相比这是一种低压的工艺。
●粉末压制：粉末在硬模具腔内并施加很大的压力（约138MPa）下烧结，尽管压力不均匀可能产生过度翘曲但这一工艺生产的烧结件非常致密，容差较小。
●等静压粉末压制这种工艺使用周围为水或者为甘油的模及使用高达69MPa的压力这种压力更为均匀所制成的部件翘曲更小。
●挤压成型：浆料通过模具挤出这种工艺使用的浆料黏度较低，难以获得较小容差，但是这种工艺非常经济，并且可以得到比其他方法更薄的部件。
（六）陶瓷散热基板种类及其生产工艺概述：
现阶段较普遍的陶瓷散热基板种类共有LTCC、HTCC、DBC、DPC四种，其中HTCC属于较早期发展之技术，但由于其较高的工艺温度(1300~1600℃)，使其电极材料的选择受限，且制作成本相当昂贵，这些因素促使LTCC的发展，LTCC虽然将共烧温度降至约850℃，但其尺寸精确度、产品强度等技术上的问题尚待突破。而DBC与DPC则为近几年才开发成熟，且能够量产化的专业技术，但对于许多人来说，此两项专业的工艺技术仍然很陌生，甚至可能将两者误解为同样的工艺。DBC乃利用高温加热将Al2O3与Cu板结合，其技术瓶颈在于不易解决Al2O3与Cu 板间微气孔产生之问题，这使得该产品的量产能量与良率受到较大的挑战，而DPC技术则是利用直接披覆技术，将Cu沉积于Al2O3基板之上，其工艺结合材料与薄膜工艺技术，其产品为近年最普遍使用的陶瓷散热基板。然而其材料控制与工艺技术整合能力要求较高，这使得跨入DPC产业
并能稳定生产的技术门槛相对较高，下文将针对四种陶瓷散热基板的生产流程做进一步的说明，进而更加瞭解四种陶瓷散热基板制造过程的差异。
1、LTCC (Low-Temperature Co-fired Ceramic)：
LTCC 又称为低温共烧多层陶瓷基板，此技术须先将无机的氧化铝粉与约30%~50%的玻璃材料加上有机黏结剂，使其混合均匀成为泥状的浆料，接着利用刮刀把浆料刮成片状，再经由一道干燥过程将片
核桃夹子
状浆料形成一片片薄薄的生胚，然后依各层的设计钻导通孔，作为各层讯号的传递，LTCC内部线路则运用网版印刷技术，分别于生胚上做填孔及印制线路，内外电极则可分别使用银、铜、金等金属，最后将各层做叠层动作，放置于850~900℃的烧结炉中烧结成型，即可完成。主要工艺为：配料、制浆、流延、切割、冲孔、丝印填孔、丝印、叠压、脱脂烧结、划片（金刚石和CBN切刀，激光等设备）。详细制造过程如下图LTCC生产流程图2：
防静电控制器
2、HTCC (High-Temperature Co-fired Ceramic)
HTCC又称为高温共烧多层陶瓷，生产制造过程与LTCC极为相似，主要的差异点在于HTCC 的陶瓷粉末并无须加入玻璃材质，因此，HTCC的必须再高温1300~1600℃环境下干燥硬化成生胚，接着同样钻上导通孔，以网版印刷技术填孔与印制线路，因其共烧温度较高，使得金属导体材料的选择受限，其主要的材料为熔点较高但导电性却较差的钨、钼、锰…等金属，最后再叠层烧结成型。详细制造过程如上图LTCC生产流程图。
3、DBC (Direct Bonded Copper)：
DBC直接接合铜基板，将高绝缘性的Al2O3或AlN陶瓷基板的单面或双面覆上铜金属后，经由高温1065~1085℃的环境加热，使铜金属因高温氧化、扩散与Al2O3或AlN材质产生(Eutectic) 共晶熔体，使铜金与陶瓷基板黏合，形成陶瓷复合金属基板，最后依据线路设计，以蚀刻方式备制线路，详细制造过程如下图DBC生产流程图2：
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议