凯昶德推出3D成型DPC陶瓷基板开创UVLED全无机封装新革命

高功率LED封装技术的发展与趋势,仍朝低热阻、高可靠度、高出光率、长寿命、易加工、小尺寸及低成本等方向持续不断地改进。陶瓷封装凭借其独特的耐高温与不易劣化等特性,始终在高功率LED市场占据着一席之地。

在LED陶瓷封装中,陶瓷基板作为芯片的承载基板,起着机械支撑保护、电互连(绝缘)、导热散热、辅助出光等作用。传统上应用于LED陶瓷封装的基板主要采用LTCC和HTCC工艺制备,其典型供应商有日本的京瓷及中国的潮州三环。

LTCC/HTCC陶瓷基板从其制备工艺看,由于采用了多层叠压共烧工艺,可以制备含密封腔体的多层结构,满足器件气密封装要求,但在实际应用中,仍存在如下缺点:采用厚膜印刷完成线路制作,由于网板张力变化等因素,线路表面较为粗糙(Ra约为1~3um),对位不精准。

而且多层陶瓷叠压烧结工艺还有收缩比例失调引起的尺寸精度问题,这使得其工艺解析度较为受限,不利于高精密微电子封装技术,以上因素的叠加使得LTCC/HTCC等厚膜线路陶瓷基板的推广应用受到极大挑战。下图1展示了典型的LTCC陶瓷基板截面图及厚膜线路表面状态图。

图1带陶瓷腔体的LTCC陶瓷基板截面图

在向LED功率器件封装领域的推广过程中,LTCC/HTCC厚膜线路陶瓷基板的固有缺点显露无遗,使得这种封装形式在LED领域如昙花一现般快速没落,2012年左右即快速退出了市场,取而代之是一种平板型的DPC陶瓷基板,其典型供应商有台湾地区的同欣电子及大陆的凯昶德(证券代码:831790,股票简称:凯德科技)。

如图2所示,平板型DPC陶瓷基板是一种结合薄膜线路与电镀制程的技术,在薄膜金属化的陶瓷板上采用影像转移方式制作线路,再采用穿孔电镀技术形成高密度双面布线间的垂直互连。

由于采用了半导体微加工技术,基板线宽可降低为10~30um,表面平整度高(<0.3um),线路对位精准度高(±1%),再配以高绝缘、高导热的陶瓷基体(氧化铝、氮化铝),因此平板型DPC陶瓷基板具备了高线路精准度、高表面平整度、高绝缘及高导热的特性,在LED高功率封装领域迅速占据了重要的市场地位。

图2平板型DPC陶瓷基板结构示意图

平板型DPC陶瓷基板尽管在LED领域得到广泛应用,但薄膜线路采用的黄光微影技术只能在平板上进行布线,其工艺局限性使得它们不能在陶瓷基板上做出三维密封腔室,无法实现LED功率器件的三维气密封装,满足高气密性、高真空度或惰性气体填充等特殊要求。

为实现气密封装,DPC陶瓷基板一般采用注塑的方式实现密封胶填充和成型,技术要求高,工艺流程复杂,注塑设备昂贵,这也限制了薄膜线路陶瓷基板在功率器件领域的广泛应用。

鉴于现有基板在功率器件封装领域的应用缺陷,凯昶德经过潜心研发,突破了陶瓷-金属3D成型技术,推出了含金属密封腔体的3D成型DPC陶瓷基板,以满足现有功率器件封装技术的发展需要。

图3凯昶德3D成型DPC陶瓷基板结构示意图

凯昶德3D成型DPC陶瓷基板结构如图3所示,其线路层仍然保留了薄膜线路陶瓷基板特有的高解析度、高平整度及高可靠垂直互联等技术优势,且在陶瓷基板表面一体成型获得金属密封腔,形成陶瓷-金属3D密封结构。

该技术既消除了LTCC/HTCC等厚膜基板尺寸精度不高,线路粗糙等缺陷,也弥补了现有薄膜基板无法制作3D封装腔体的缺陷,且基体可以根据封装需要,在高导热氮化铝、高强度氮化硅、高纯氧化铝等不同陶瓷材质中任意选择,工艺一致性好,成本低,为高可靠,高功率及小型化LED功率器件的封装提供了更广阔的解决方案。

应用于UVLED:实现全无机封装,可靠性高、成本低

LED陶瓷封装光源已逐渐向紫外、红外,植物照明、汽车照明,闪光灯舞台灯等细分市场渗透,近几年获得飞速发展,其中UVLED市场前景尤其值得期待。

尽管UVLED在印刷固化、杀菌消毒、空气净化、医疗、生化检测等领域得到广泛应用,但也面临着可靠性差、散热不良、光效不高、成本高等问题。

国内市场上主要采用传统白光LED封装技术,其封装材料含有有机材质,尽管采用了陶瓷基板作为芯片支撑,但透明出光材料仍为硅胶和环氧树脂等,如图4(a)所示。这类有机材料是影响UVLED寿命和可靠性的关键,使得器件无法实现气密封装,导致LED信赖性中冷热循环实验中存在巨大风险。

为了应对UVLED的高能辐射对有机材料的影响,日、韩等制造商近期推出了采用LTCC/HTCC陶瓷密封腔+玻璃透镜的UVLED器件,惰性气体填充,陶瓷基座与玻璃透镜仍然采用有机粘结材料,如图4(b)所示。

台湾地区也相继推出了一种陶瓷底板+铝基围坝+玻璃透镜的封装结构,陶瓷与铝基围坝、铝基围坝与玻璃透镜之间仍采用有机粘结材料粘合,如图4(c)所示。由此可见,现有国内外封装技术仍或多或少的采用了有机材料,尽管通过对有机材料进行改性,在一定程度上减缓了LED金线受损和断线失效,但有机材料长期在高强度紫外光、热、湿、氧气条件下工作,可靠性很难得到保证。

(a)国内  (b)日韩等国外  (c)台湾地区
图4:当前几种主要UVLED封装形式

凯昶德推出的3D成型DPC陶瓷基板则为彻底去除有机封装材料提供了最佳解决方案。如图5所示,陶瓷基板与金属围坝一体成型,形成密封腔体,无连接界面,气密性高,防水性好;金属围坝的形状可以任意设计,围坝顶部可制备出定位台阶,便于精确放置玻璃透镜;根据器件气密性要求,围坝与透镜的连接,或采用焊接或采用粘结都非常方便;3D成型DPC陶瓷基板可以整片制造,具有工艺一致性高,成本低,制造周期短,无模具开发费用等优点,非常适用于大规模自动化生产。

图5凯昶德3D成型陶瓷基板UVLED全无机封装结构图

针对市场前景最为广泛的UV-CLED封装,凯昶德的3D成型DPC陶瓷基板更是拥有其他基板无法比拟的优势。首先,UV-CLED由于p-GaN的吸收,只能采用倒装方法从背面出光。

其次,当前UV-CLED芯片外量子效率还较低,致使大部分电能转化为热能,必须采用倒装工艺促进散热,这就意味着无论从芯片制程还是从封装工艺考虑,UV-CLED都必须采用倒装共晶技术。

图6带反射杯的UV-C倒装结构图

市场上目前推出的LTCC/HTCC陶瓷基板,其固晶区均采用厚膜丝印技术,线路解析度及表面粗糙度无法达成芯片倒装共晶的要求,而凯昶德推出的3D成型基板,其线路层采用的是薄膜工艺,完全契合了芯片倒装共晶的工艺要求,配以玻璃盖板金属封焊技术,可实现全无机倒装共晶封装,是目前最适合于UV-CLED封装的基板解决方案。

此外,该3D成型工艺还可以把围坝设计成带一定反射角的碗杯状,提高出光效率,图6显示了带反射杯的UV-CLED倒装结构图。

应用于LED舞台灯:封装设计更灵活,制程简单

凯昶德陶瓷-金属3D成型技术,不仅能获得高真空度所需的密闭腔室,也能根据器件需要制作出不同形状的围坝图案,该技术可简化现有大功率LED舞台灯的封装制程,提高可靠性。

以某国际大厂推出的舞台灯为例,其封装结构图如图7(a)所示,采用氮化铝陶瓷基板外加方形玻璃透镜的封装方式,芯片为RGBW四垂直芯片,每颗芯片最高可处理4.5A的电流。

由于驱动电流大,功率相对较大,因此采用半封闭式设计,在玻璃透镜的两端各开一个小口,作为空气流通的通道,通过热对流的方式进行散热。

(a)市场上现有封装  (b)3D成型DPC陶瓷基板封装
图7RGBW舞台灯结构图

这种设计笔者认为存在一些缺陷,比如玻璃透镜形状复杂,制作成本高;玻璃透镜与基板之间采用有机粘合,容易脱落,降低了可靠性;玻璃透镜与基板粘合时对位精度要求高,增加了封装设备成本。

采用3D成型DPC陶瓷基板则可以克服以上缺陷,如图7(b)所示,该技术可以在陶瓷基体上一体成型出带有散热口的金属围坝,封装时不存在围坝与陶瓷基板对位偏移的风险,围坝顶部制作有限位台阶,便于玻璃透镜的定位。

根据可靠性高低要求,玻璃透镜与围坝之间可以采用有机粘合或者金属焊接的方式进行结合,围坝及玻璃透镜结构简单,制作成本低,同时大大简化了封装难度,降低了封装成本。同样,通过改变围坝图案或者围坝高度,可以改善出光效率、调整出光角度。

通过以上设计方案的探讨,笔者认为,凯昶德推出的3D成型DPC陶瓷基板,在极大程度上弥补了现有LTCC/HTCC、平板型DPC等陶瓷基板的各自缺陷,为UVLED、大功率舞台灯等新型功率器件封装提供了更好的解决方案。

此外,鉴于其良好的密封性、导热性、耐热性、绝缘性、高频特性及低热膨胀系数等优点,凯昶德推出的3D成型DPC陶瓷基板,已在SiC、GaN基第三代光电及半导体功率器件、光纤通讯、5G射频模块、大功率微波器件、光伏模组、MEMS传感器等封装领域中得到了广泛应用,拥有广阔的市场前景。

 

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