「陶瓷基板為什麼能在高功率封裝領域佔據一席之地？如何解決LED產業的痛處：熱電分離？」在由LEDinside、中國LED網主辦的2018LED行情前瞻分析會上，凱昶德科技陶瓷元件事業部總監吳朝暉以「從LED到VCSEL激光器，DPC陶瓷基板的技術及應用創新」為主題詳細剖析了能解決當前熱電分離痛點的DPC陶瓷基板技術。
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♦ 凱昶德科技陶瓷元件事業部總監吳朝暉 |
DPC陶瓷基板被採用的原因
儘管近年來LED技術不斷升級，LED發光效率越來越高，高功率LED晶片的光電轉換效率也只能達到70%到80%，這意味著仍有20%到30%電能會轉化成熱能。對於LED產生的熱能，肯定是要傳導出去的。目前主要方式是向PCB板傳遞，但是這時會發現晶片的背面導熱通道和導電通道是重疊的，這對於導熱通道選用什麼樣的材質就是關鍵所在。
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現有的解決方案是把晶片直接固定在銅熱沉上，但銅熱沉本身就是導電通道，就光源層面來講，一樣是沒有實現熱電分離。光源最後封裝在PCB板上，仍需要導入一個絕緣層來實現熱電分離。此時熱量雖然沒有集中在晶片上，但是卻集中在光源下的絕緣層附近，一旦做更高功率，散熱的問題就會浮現。而DPC陶瓷基板可以解決這個問題，其可將晶片直接固定在陶瓷上，在陶瓷上做出垂直互聯孔，形成內部獨立的導電通道，陶瓷本身既是絕緣體，又能散熱，這樣在光源層面就實現了熱電分離。此時下部的PCB板就不需要考慮熱電分離結構了，不需要在PCB上面做絕緣層。
DPC陶瓷基板的定義及其特點
要在光源層面解決熱電分離問題的陶瓷基板應具有以下特點：首先它必須具有高的導熱性，它的導熱性要比樹脂高幾個數量級；第二是要有高的絕緣強度；第三是高線路解析度，這樣才能跟晶片進行垂直共接或者倒裝，不會出問題；第四是高的表面平整度，銲接的時候就不會有空洞；第五是陶瓷和金屬要有高的附著力；第六是垂直互連導通孔，這樣才能實現貼片封裝，把電路從背面引到正面。而滿足這些條件的基板只有DPC陶瓷基板。現在很多的陶瓷基板是絲網印刷做出來的，它的技術特點滿足不了DPC的要求，所以只能叫線路板，不能叫半導體封裝基板。
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♦ DPC陶瓷基板
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什麼叫DPC陶瓷基板？它又叫直接鍍銅陶瓷基板，它採用薄膜金屬化和電鍍製程的技術，在陶瓷基板上採用影像轉移方式製作金屬線路，再採用穿孔電鍍技術形成高密度雙面布線及垂直互連。這是它的產品圖，上面是固晶層，下面是銲接層，中間是陶瓷，裡面設置了垂直互連孔。
DPC陶瓷基板的材質，首先是氧化鋁陶瓷，它的導熱係數比較高，如果要做到更高一點，我們可以用氮化鋁，它的導熱係數非常高，達到170，鋁合金的導熱係數才220到230，這意味著它和金屬導熱係數已經差不多了，而且它的絕緣強度非常高，這就是一個非常好的材料。所以在功率越高的時候，氮化鋁陶瓷的表現會越佳。
DPC陶瓷基板於三大領域應用剖析
傳統照明： 在高功率LED照明上，舞台燈、路燈、景觀照明已經大規模使用；在閃光燈方面、CSP上也大量採用，除此之外，還有包括現在很熱門的汽車頭燈，其LED光源基本上也都是採用DPC陶瓷基板。
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♦ 傳統照明應用領域 |
UV LED：因為UV LED的封裝光源不能含有機物，為了應對這種問題，傳統的用矽膠填充的方式不能滿足，市場需要一種全新的封裝結構，即把基板做成三維腔室結構，晶片放在三維腔室結構裡，處於真空或者空氣環境下面，不填充矽膠進去。台灣推出的解決方案是在DPC的陶瓷底座上加裝一塊鋁金屬圍壩，是用CNC技術把鋁板鏤空，開一個窗口，再用膠水把它黏在DPC陶瓷基板上，這樣可以滿足封裝的要求，但是存在膠水不牢靠、不耐熱，不防水等問題。日韓推出的解決方案是HTCC陶瓷基板，即高溫共燒陶瓷基板，是將陶瓷生膜與鎢漿在高溫下共燒而獲得陶瓷三維腔室，這種方案存在線路粗糙，曲翹變形大，成本高等問題。
而凱昶德推出了3D成型的DPC陶瓷基板。第一、該產品底層線路仍然採用的是DPC技術；第二是金屬圍壩與陶瓷基體不採用黏接方式，封裝後氣密性比較好；第三是製程和現在的DPC製成基本上是相同的，除了增加一個圍壩之外；第四是圖案設計很靈活，圍壩採用模組化製造，新產品開發週期短。
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♦ 3D成型的DPC陶瓷基板結構示意圖 |
VCSEL：VCSEL全名是「垂直共振腔面射型雷射」，它的雷射是從垂直的基板發出來的，而LED也是從垂直的基板發出來的，所以VCSEL雷射器和LED的晶片結構、製程和封裝技術就比較接近。它的結構有三個，包括頂部的反射器，底部的反射器和中間的發射腔。
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♦ VCSEL結構圖 |
VCSEL可以做到幾百瓦，但晶片轉化效率很低，這就意味著散熱肯定有問題，且晶片目前主要是垂直結構，那就和高功率LED一樣，面臨熱電分離的難題，而陶瓷基板就是為解決熱電分離誕生的。其次VCSEL的功率密度是非常高的，每平方釐米可以做到千瓦以上，所以只能採用真空封裝，即基板要做三維腔室，把透鏡架設到晶片上方。VCSEL有這麼高的高功率密度，晶片和基板熱膨脹失格引起的應力問題會非常嚴重，因此晶片的熱膨脹係數與基板一定要匹配，這些問題，3D成型的DPC陶瓷基板剛好可以解決。總之，未來3D成型的DPC陶瓷基板在VCSEL雷射器上將會有廣泛的應用前景。
（文：LEDinside Skavy）
