“陶瓷基板為什么能在大功率封裝領(lǐng)域占據(jù)一席之地？如何解決LED行業(yè)的痛點：熱電分離?”在由LEDinside、LED網(wǎng)主辦的2018LED行情前瞻分析會上，凱昶德科技陶瓷元件事業(yè)部總監(jiān)吳朝暉以“從LED到VCSEL激光器，DPC陶瓷基板的技術(shù)及應(yīng)用創(chuàng)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(shù)。
凱昶德科技陶瓷元件事業(yè)部總監(jiān)吳朝暉
DPC陶瓷基板被采用的原因
盡管近年來LED技術(shù)不斷升級，LED光效越來越高，大功率LED芯片的光電轉(zhuǎn)化效率也只能達到70%到80%，這意味著仍有20%到30%電能會轉(zhuǎn)化成熱能。對于LED產(chǎn)生的熱能，肯定是要傳導(dǎo)出去的。目前主要方式是向PCB板傳遞，但是這時會發(fā)現(xiàn)芯片的背面導(dǎo)熱通道和導(dǎo)電通道是重疊的，這對于導(dǎo)熱通道選用什么樣的材質(zhì)就是關(guān)鍵所在。
現(xiàn)有的解決方案是把芯片直接固定在銅熱沉上，但銅熱沉本身就是導(dǎo)電通道，就光源層面來講，一樣是沒有實現(xiàn)熱電分離。光源最后封裝在PCB板上，仍需要導(dǎo)入一個絕緣層來實現(xiàn)熱電分離。此時熱量雖然沒有集中在芯片上，但是卻集中在光源下的絕緣層附近，一旦做更大功率，熱的問題就出來了。而DPC陶瓷基板可以解決這個問題，其可將芯片直接固在陶瓷上，在陶瓷上做出垂直互聯(lián)孔，形成內(nèi)部獨立的導(dǎo)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(xiàn)了熱電分離。此時下部的PCB板就不需要考慮熱電分離結(jié)構(gòu)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(yīng)具有以下特點：首先它必須具有高的導(dǎo)熱性，它的導(dǎo)熱性要比樹脂高幾個數(shù)量級；第二是要有高的絕緣強度；第三是高線路解析度，這樣才能跟芯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，焊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(dǎo)通孔，這樣才能實現(xiàn)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(xiàn)在很多的陶瓷基板是絲網(wǎng)印刷做出來的，它的工藝特點滿足不了DPC的要求，所以只能叫線路板，不能叫半導(dǎo)體封裝基板。
DPC陶瓷基板
什么叫DPC陶瓷基板？它又叫直接鍍銅陶瓷基板，它采用薄膜金屬化和電鍍制程的技術(shù)，在陶瓷基板上采用影像轉(zhuǎn)移方式制作金屬線路，再采用穿孔電鍍技術(shù)形成高密度雙面布線及垂直互連。這是它的產(chǎn)品圖，上面是固晶層，下面是焊接層，中間是陶瓷，里面設(shè)置了垂直互連孔。
DPC陶瓷基板的材質(zhì)，首先是氧化鋁陶瓷，它的導(dǎo)熱系數(shù)比較高，如果要做到更高一點，我們可以用氮化鋁，它的導(dǎo)熱系數(shù)非常高，達到170，鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)才220到230，這意味著它和金屬導(dǎo)熱系數(shù)已經(jīng)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(xiàn)會越佳。
DPC陶瓷基板于三大領(lǐng)域應(yīng)用剖析
傳統(tǒng)照明： 在大功率LED照明上，舞臺燈、路燈、景觀照明已經(jīng)大規(guī)模使用；在閃光燈方面、CSP上也大量采用，除此之外，還有包括現(xiàn)在很熱的汽車頭燈，其LED光源基本上也都是采用DPC陶瓷基板。
傳統(tǒng)照明應(yīng)用領(lǐng)域
UV LED：因為UV LED的封裝光源不能含有機物，為了應(yīng)對這種問題，傳統(tǒng)的用硅膠填充的方式不能滿足，市場需要一種全新的封裝結(jié)構(gòu)，即把基板做成三維腔室結(jié)構(gòu)，芯片放在三維腔室結(jié)構(gòu)里，處于真空或者空氣環(huán)境下面，不填充硅膠進去。臺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(shù)把鋁板鏤空，開一個窗口，再用膠水把它粘在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(chǎn)品底層線路仍然采用的是DPC工藝；第二是金屬圍壩與陶瓷基體不采用粘接方式，封裝后氣密性比較好；第三是制程和現(xiàn)在的DPC制成基本上是相同的，除了增加一個圍壩之外；第四是圖案設(shè)計很靈活，圍壩采用模塊化制造，新產(chǎn)品開發(fā)周期短。
3D成型的DPC陶瓷基板結(jié)構(gòu)示意圖
VCSEL：VCSEL全稱是“垂直共振腔表面發(fā)射激光器”，它的激光是從垂直的襯底發(fā)出來的，LED也是從垂直的襯底發(fā)出來的，所以VCSEL激光器和LED的芯片結(jié)構(gòu)、制程和封裝工藝就比較接近。它的結(jié)構(gòu)有三個，包括頂部的反射器，底部的反射器和中間的發(fā)射腔。
VCSEL結(jié)構(gòu)圖
VCSEL可以做到幾百瓦，但芯片轉(zhuǎn)化效率很低，這就意味著散熱肯定有問題，且芯片目前主要是垂直結(jié)構(gòu)，那就和大功率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，每平方厘米可以做到千瓦以上，所以只能采用真空封裝，即基板要做三維腔室，把透鏡架設(shè)到芯片上方。VCSEl有這么高的高功率密度，芯片和基板熱膨脹失配引起的應(yīng)力問題會非常嚴重，因此芯片的熱膨脹系數(shù)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?？傊磥?D成型的DPC陶瓷基板在VCSEL激光器上將會有廣泛的應(yīng)用前景。
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