LED散热基板之厚膜与薄膜工艺差异分析

1、简介
LED模组现今大量使用在电子相关产品上,随着应用范围扩大以及照明系统的不断提升,约从1990年开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,现在的照明系统上所使用之LED功率已经不只1W、3W、5W甚至到达10W以上,所以散热基板的散热效能儼然成为最重要的议题。影响LED散热的主要因素包含了LED芯片、芯片载板、芯片封装及模组的材质与设计,而LED及其封装的材料所累积的热能多半都是以传导方式散出,所以LED芯片 基板及LED芯片封装的设计及材质就成为了主要的关键。

2、散热基板对于LED模组的影响
LED从1970年以后开始出现红光的LED,之后很快的演进到了蓝光及绿光,初期的运用多半是在一些标示上,如家电用品上的指示,到了2000年开始,白光高功率LED的出现,让LED的运用开始进入另一阶段,像是户外大型看版、小型显示器的背光源等 (如图一),但随着高功率的快速演进,预计从2010年之后,车用照明、室内及特殊照明的需求量日增,但是这些高功率的照明设备,其散热效能的要求也越益严苛,因陶瓷基板具有较高的散热能力与较高的耐热、气密性,因此,陶瓷基板为目前高功率LED最常使用的基板材料之一。

然而,目前市面上较常见的陶瓷基板多为LTCC或厚膜技术制成的陶瓷散热基板,此类型产品受网版印刷技术的准备瓶颈,使得其对位精准度上无法配合更高阶的焊接,共晶(Eutectic)或覆晶(Flip chip) 封装方式,而利用薄膜工艺技术所开发的陶瓷散热基板则提供了高对位精准度的产品,以因应封装技术的发展。

2.1、散热基板的选择
就LED芯片承载基板的发展上,以承载芯片而言,传统PCB的基板材质具有高度商业化的特色,在LED发展初期有着相当的影响力。然而,随着LED功率的提升,LED基板的散热能力,便成为其重要的材料特性之一,为此,陶瓷基板逐渐成为高效能LED的主要散热基板材料(如表一所示),并逐渐被市场接受进而广泛使用。近年来,除了陶瓷基板本身的材料特性问题须考虑之外,对基板上金属线路之线宽、线径、金属表面平整度与附着力之要求日增,使得以传统厚膜工艺备制的陶瓷基板逐渐不敷使用,因而发展出了薄膜型陶瓷散热基板,本文将针对陶瓷散热基板在厚膜与薄膜工艺及其产品特性上的差异做出分析。

表一、各类材料散热系数


3、陶瓷散热基板
从传统的PCB(FR4)板,到现在的陶瓷基板,LED不断往更高功率的需求发展, 现阶段陶瓷基板之金属线路多以厚膜技术成型,然而厚膜印刷的对位精准度使得其无法跟上LED封装技术之进步,其主要因素为在更高功率LED元件的散热设计中,使用了共晶以及覆晶两种封装技术,这些技术的导入不但可以使用高发光效率的LED芯片,更可以大幅降低其热阻值并且让接合度更加完善,让整体运作的功率都相对的提昇。但是这两种接合方式的应用都需要拥有精确金属线路设计的基础,因此以曝光微影为对位方式的薄膜型陶瓷散热基板就变成为精准线路设计主流。

3-1、厚膜印刷陶瓷基版
厚膜工艺大多使用网版印刷方式形成线路与图形,因此,其线路图形的完整度与线路对位的精确度往往随着印刷次数增加与网版张力变化而出现明显的累进差异,此结果将影响后续封装工艺上对位的精准度;再者,随着元件尺寸不断缩小,网版印刷的图形尺寸与解析度亦有其限制,随着尺寸缩小,网版印刷所呈现之各单元图形尺寸差异(均匀性)与金属厚度差异亦将越发明显。为了线路尺寸能够不断缩小与精准度的严格要求下,LED散热基板的生产技术势必要继续提升。因而薄膜工艺的导入就成为了改善方法之一,然而国内拥有成熟的陶瓷基板薄膜金属化工艺技术的厂家却屈指可数。为此,以薄膜元件起家的璦司柏电子(ICP),即针对自家开发之薄膜基板与传统厚膜基板进行其工艺与产品特性差异分析(如下表二所示)。

表二 薄膜与厚膜工艺产品之差异分析



3-2、薄膜工艺应用于陶瓷基板
薄膜技术的导入正可解决上述线路尺寸缩小的工艺瓶颈,结合高真空镀膜技术与黄光微影技术,能将线路图形尺寸大幅缩小,并且可同时符合精准的线路对位要求,其各单元的图形尺寸的低差异性(高均匀性)更是传统网版印刷所不易达到的结果。在高热导的要求下,目前璦司柏(ICP)的薄膜工艺技术已能克服现阶段厚膜工艺在对位精准度的瓶颈,图(二)即为薄膜工艺之简易流程图,在空白陶瓷基板上(氧化铝/氮化铝)经过前处理之后,镀上种子层(sputtering),经过光阻披覆、曝光显影,再将所需之线路增厚(电镀/化学镀),最后经过去膜、蚀刻步骤使线路成形,此工艺所备制之产品具有较高的线路精确度与较佳的金属镀层表面平整度。图(三)即为璦司柏薄膜基板产品与传统厚膜产品的金属线路光学显微图像。可明显看出厚膜印刷之线路,其表面具有明显的坑洞且线条的平整度不佳,反观以薄膜工艺制备之金属线路,不但色泽清晰且线条笔直平整。

由以上厚/薄膜这些金属线路上的几何精准度差异,再加上厚膜线路易因网版张网问题造成阵列图形的累进公差加剧,使得厚膜印刷产品在后续芯片置件上,较容易造成置件偏移或是寻边异常等困扰。换句话说厚膜印刷产品的对位及线路的精准度不够精确,使其限制了芯片封装工艺的工艺裕度(window)。然而,薄膜工艺产品则能大幅改善其现象。

但从产品成本结构来看,如表二所示薄膜产品的工艺设备(黄光微影)与生产环境(无尘或洁净室)相较于厚膜产品其成本较高,然而薄膜工艺的金属线路多以厚铜材料为主,相较于厚膜印刷之厚银而言,材料成本却相对较低,因此,可预期的当利用薄膜工艺将陶瓷基板金属化的产品,日渐达到经济规模时,其成本将逐渐趋近于厚膜产品。




3-2-1、氧化铝陶瓷基板
上述部分是针对工艺不同部份所做的阐述,另一项与散热息息相关的则是基板材质,LED散热基板所使用之材质现阶段以陶瓷为主,而氧化铝陶瓷基板应是较易取得且成本较低之材料,是目前运用在元件上的主要材料,然而厚膜技术或薄膜技术在氧化铝陶瓷基板上制备金属线路,其金属线路与基版的接着度或是特性上并无显着的差异,而两种工艺显现出最主要的差异则是在线路尺寸缩小的要求下,薄膜工艺能提供厚膜技术无法达到的较小线路尺寸与较高的图形精准度。

3-2-2、氮化铝陶瓷基板
而在更高功率LED应用的前提下,具高导热係数的氮化铝(170-230W/mK)将是散热基板的首选材质,但厚膜印刷之金属层(如高温银胶)多需经过高温(高于800oC)烧结工艺,此高温烧结工艺于大气环境下执行易导致金属线路与氮化铝基板间产生氧化层,进而影响线路与基板之间的附着性;然而,薄膜工艺则在300℃以下工艺之条件下备制,无氧化物生成与附着性不佳之疑虑,更可兼具线路尺寸与高精准度之优势。薄膜工艺为高功率氮化铝陶瓷LED散热基板创造更多应用空间。

4、结论
以上我们已将LED散热基板在两种不同工艺上做出差异分析,以薄膜工艺备制陶瓷散热基板具有较高的设备与技术,需整合材料开发门槛,如曝光、真空沉积、显影、蒸镀(Evaporation)、溅镀(Sputtering)电镀与无电镀等技术,以目前的市场规模,薄膜产品的相对成本较高,但是一旦市场规模达到一定程度时,必定会反映在成本结构上,相对的在价格上与厚膜工艺的差异将会有大幅度的缩短。

在高效能、高产品品质要求与高生产架动的高功率LED陶瓷基板的发展趋势之下,高散热效果、高精准度之薄膜工艺陶瓷基板的选择,将成为趋势,以克服目前厚膜工艺产品所无法突破的瓶颈。因此,可预期的薄膜陶瓷基板将逐渐应用在高功率LED上,并随着高功率LED的快速发展而达经济规模,此时不论高功率LED芯片、薄膜型陶瓷散热基板、封装工艺成本等都将大幅降低,进而更加速高功率LED产品的量化。

作者:璦司柏电子股份有限公司
研发处协理 余河洁
行销处产品应用工程师 邱昱维

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