2010年新瓷器時代-LED陶瓷散熱方案

日期: 2015-02-18
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2010年新瓷器時代-LED陶瓷散熱方案

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,以目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。

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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。

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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。

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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:

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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 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。此外,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,期線路表面較為粗糙,且容易 造成有對位不精準與累進公差過大等現象。此外,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 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。

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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 可依客制化備置金屬線路加工,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。

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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,比其他陶瓷基板都還要低。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 產業的應用目前多以高功率大 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,居於成本考量鮮少目前鮮少使用於 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,甚至可以更細,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 瓷基板都以廣泛使用與研究,然而,在高功率 LED 陶瓷散熱領域而言,DPC 在目 前發展趨勢看來,可以說是最適合高功率且小尺寸 LED 發展需求的陶瓷散熱基板。

作者:游慧茹
璦司柏電子股份有限公司 工程師


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