LED散熱基板之厚膜與薄膜製程差異分析

1、簡介
LED模組現今大量使用在電子相關產品上,隨著應用範圍擴大以及照明系統的不斷提升,約從1990年開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晶粒、晶粒載板、晶片封裝及模組的材質與設計,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LED晶粒基板及LED晶片封裝的設計及材質就成為了主要的關鍵。

2、散熱基板對於LED模組的影響
LED從1970年以後開始出現紅光的LED,之後很快的演進到了藍光及綠光,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年開始,白光高功率LED的出現,讓LED的運用開始進入另一階段,像是戶外大型看版、小型顯示器的背光源等 (如圖一),但隨著高功率的快速演進,預計從2010年之後,車用照明、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,目前市面上較常見的陶瓷基板多為LTCC或厚膜技術製成的陶瓷散熱基板,此類型產品受網版印刷技術的準備瓶頸,使得其對位精準度上無法配合更高階的焊接,共晶(Eutectic)或覆晶(Flip chip) 封裝方式,而利用薄膜製程技術所開發的陶瓷散熱基板則提供了高對位精準度的產品,以因應封裝技術的發展。

2.1、散熱基板的選擇
就LED晶粒承載基板的發展上,以承載晶粒而言,傳統PCB的基板材質具有高度商業化的特色,在LED發展初期有著相當的影響力。然而,隨著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),並逐漸被市場接受進而廣泛使用。近年來,除了陶瓷基板本身的材料特性問題須考慮之外,對基板上金屬線路之線寬、線徑、金屬表面平整度與附著力之要求日增,使得以傳統厚膜製程備製的陶瓷基板逐漸不敷使用,因而發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製程及其產品特性上的差異做出分析。

表一、各類材料散熱系數


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展, 現階段陶瓷基板之金屬線路多以厚膜技術成型,然而厚膜印刷的對位精準度使得其無法跟上LED封裝技術之進步,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,這些技術的導入不但可以使用高發光效率的LED晶粒,更可以大幅降低其熱阻值並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路設計主流。

3-1、厚膜印刷陶瓷基版
厚膜製程大多使用網版印刷方式形成線路與圖形,因此,其線路圖形的完整度與線路對位的精確度往往隨著印刷次數增加與網版張力變化而出現明顯的累進差異,此結果將影響後續封裝製程上對位的精準度;再者,隨著元件尺寸不斷縮小,網版印刷的圖形尺寸與解析度亦有其限制,隨著尺寸縮小,網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明顯。為了線路尺寸能夠不斷縮小與精準度的嚴格要求下,LED散熱基板的生產技術勢必要繼續提升。因而薄膜製程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製程技術的廠家卻屈指可數。為此,以薄膜元件起家的璦司柏電子(ICP),即針對自家開發之薄膜基板與傳統厚膜基板進行其製程與產品特性差異分析(如下表二所示)。

表二 薄膜與厚膜製程產品之差異分析



3-2、薄膜製程應用於陶瓷基板
薄膜技術的導入正可解決上述線路尺寸縮小的製程瓶頸,結合高真空鍍膜技術與黃光微影技術,能將線路圖形尺寸大幅縮小,並且可同時符合精準的線路對位要求,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)的薄膜製程技術已能克服現階段厚膜製程在對位精準度的瓶頸,圖(二)即為薄膜製程之簡易流程圖,在空白陶瓷基板上(氧化鋁/氮化鋁)經過前處理之後,鍍上種子層(sputtering),經過光阻披覆、曝光顯影,再將所需之線路增厚(電鍍/化學鍍),最後經過去膜、蝕刻步驟使線路成形,此製程所備製之產品具有較高的線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品與傳統厚膜產品的金屬線路光學顯微圖像。可明顯看出厚膜印刷之線路,其表面具有明顯的坑洞且線條的平整度不佳,反觀以薄膜製程製備之金屬線路,不但色澤清晰且線條筆直平整。

由以上厚/薄膜這些金屬線路上的幾何精準度差異,再加上厚膜線路易因網版張網問題造成陣列圖形的累進公差加劇,使得厚膜印刷產品在後續晶片置件上,較容易造成置件偏移或是尋邊異常等困擾。換句話說厚膜印刷產品的對位及線路的精準度不夠精確,使其限制了晶片封裝製程的製程裕度(window)。然而,薄膜製程產品則能大幅改善其現象。

但從產品成本結構來看,如表二所示薄膜產品的製程設備(黃光微影)與生產環境(無塵或潔淨室)相較於厚膜產品其成本較高,然而薄膜製程的金屬線路多以厚銅材料為主,相較於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製程將陶瓷基板金屬化的產品,日漸達到經濟規模時,其成本將逐漸趨近於厚膜產品。

圖二、薄膜製程流程

圖三、厚膜與薄膜線路差異



3-2-1、氧化鋁陶瓷基板
上述部分是針對製程不同部份所做的闡述,另一項與散熱息息相關的則是基板材質,LED散熱基板所使用之材質現階段以陶瓷為主,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,然而厚膜技術或薄膜技術在氧化鋁陶瓷基板上製備金屬線路,其金屬線路與基版的接著度或是特性上並無顯著的差異,而兩種製程顯現出最主要的差異則是在線路尺寸縮小的要求下,薄膜製程能提供厚膜技術無法達到的較小線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,但厚膜印刷之金屬層(如高溫銀膠)多需經過高溫(高於800oC)燒結製程,此高溫燒結製程於大氣環境下執行易導致金屬線路與氮化鋁基板間產生氧化層,進而影響線路與基板之間的附著性;然而,薄膜製程則在300℃以下製程之條件下備製,無氧化物生成與附著性不佳之疑慮,更可兼具線路尺寸與高精準度之優勢。薄膜製程為高功率氮化鋁陶瓷LED散熱基板創造更多應用空間。

4、結論
以上我們已將LED散熱基板在兩種不同製程上做出差異分析,以薄膜製程備製陶瓷散熱基板具有較高的設備與技術,需整合材料開發門檻,如曝光、真空沉積、顯影、蒸鍍(Evaporation)、濺鍍(Sputtering)電鍍與無電鍍等技術,以目前的市場規模,薄膜產品的相對成本較高,但是一旦市場規模達到一定程度時,必定會反映在成本結構上,相對的在價格上與厚膜製程的差異將會有大幅度的縮短。

在高效能、高產品品質要求與高生產架動的高功率LED陶瓷基板的發展趨勢之下,高散熱效果、高精準度之薄膜製程陶瓷基板的選擇,將成為趨勢,以克服目前厚膜製程產品所無法突破的瓶頸。因此,可預期的薄膜陶瓷基板將逐漸應用在高功率LED上,並隨著高功率LED的快速發展而達經濟規模,此時不論高功率LED晶粒、薄膜型陶瓷散熱基板、封裝製程成本等都將大幅降低,進而更加速高功率LED產品的量化。

作者:璦司柏電子股份有限公司
研發處協理 余河潔
行銷處產品應用工程師 邱昱維

RSS RSS     print 列印     mail 分享     announcements 線上投稿        
瀏覽人次:23064
【免責聲明】
1、「LEDinside」包含的內容和資訊是根據公開資料分析和演釋,該公開資料,屬可靠之來源搜集,但這些分析和資訊並未經獨立核實。本網站有權但無此義務,改善或更正在本網站的任何部分之錯誤或疏失。
2、任何在「LEDinside」上出現的資訊(包括但不限於公司資料、資訊、研究報告、產品價格等),力求但不保證資料的準確性,均只作為參考,您須對您自主決定的行為負責。如有錯漏,請以各公司官方網站公佈為準。
3、「LEDinside」資訊服務基於"現況"及"現有"提供,網站的資訊和內容如有更改恕不另行通知。
4、「LEDinside」尊重並保護所有使用用戶的個人隱私權,您註冊的用戶名、電子郵寄地址等個人資料,非經您親自許可或根據相關法律、法規的強制性規定,不會主動地洩露給協力廠商。
【版權聲明】
「LEDinside」所刊原創內容之著作權屬於「LEDinside」網站所有,未經本站之同意或授權,任何人不得以任何形式重制、轉載、散佈、引用、變更、播送或出版該內容之全部或局部,亦不得有其他任何違反本站著作權之行為。