新瓷器时代LED陶瓷散热专项方案LTCCHTCCDBCDPC.doc

新瓷器時代-LED陶瓷散熱方案
分類：技術論壇
/03/16 16:02
1、前言
璦司柏電子為因應高功率LED照明世代來臨，致力尋求高功率LED解熱方案，近年來，陶瓷優良絕緣性與散熱效率促使得LED照明進入了新瓷器時代。LED 散熱技術隨著高功率LED產品應用發展，已成為各家業者相繼尋求解決議題，而LED散熱基板選擇亦隨著LED之線路設計、尺寸、發光效率…等條件不同有設計上差異，以当前市面上最常見可區分為
(一)系統電路板，其重要是作為LED最後將熱能傳導到大氣中、散熱鰭片或外殼散熱系統，而列為系統電路板種類涉及：鋁基板(MCPCB)、印刷電路板(PCB)以及軟式印刷電路板(FPC)。
(二)LED晶粒基板，是屬於LED晶粒與系統電路板兩者之間熱能導出媒介，並藉由共晶或覆晶與LED晶粒結合。
為確保LED散熱穩定與LED晶粒發光效率，近期許多以陶瓷材料作為高功率LED散熱基板之應用，其種類重要包具有：
低溫共燒多層陶瓷(LTCC)、
高溫共燒多層陶瓷(HTCC)、
直接接合銅基板(DBC)、
直接鍍銅基板(DPC)四種，
如下本文將針對陶瓷LED晶粒基板種類做进一步探討。

2、陶瓷散熱基板種類
        現階段較普遍陶瓷散熱基板種類共有LTCC、HTCC、DBC、DPC四種，
其中HTCC屬於較初期發展之技術，但由於其較高製程溫度(1300~1600℃)，使其電極材料選擇受限，且製作成本相當昂貴，
這些因素促使LTCC發展，LTCC雖然將共燒溫度降至約850℃，但其尺寸精確度、產品強度等技術上問題尚待突破。而DBC與DPC則為近幾年才開發成熟，且能量產化專業技術，但對於許多人來說，此兩項專業製程技術依然很陌生，甚至也许將兩者誤解為同樣製程。
DBC乃运用高溫加熱將Al2O3與Cu板結合，其技術瓶頸在於不易解決Al2O3與Cu板間微氣孔產生之問題，這使得該產品量產能量與良率受到較大挑戰，
而DPC技術則是运用直接披覆技術，將Cu沉積於Al2O3基板之上，其製程結合材料與薄膜製程技術，其產品為近年最普遍使用陶瓷散熱基板。然而其材料控制與製程技術整合能力规定較高，這使得跨入DPC產業並能穩定生產技術門檻相對較高，下文將針對四種陶瓷散熱基板生產流程做進一步說明，進而更加瞭解四種陶瓷散熱基板製造過程差異。

2-1 LTCC (Low-Temperature Co-fired Ceramic)
        LTCC 又稱為低溫共燒多層陶瓷基板，此技術須先將無機氧化鋁粉與約30%~50%玻璃材料加上有機黏結劑，使其混合均勻成為泥狀漿料，接著运用刮刀把漿料刮成片狀，再經由一道乾燥過程將片狀漿料形成一片片薄薄生胚，然後依各層設計鑽導通孔，作為各層訊號傳遞，LTCC內部線路則運用網版印刷技術，分別於生胚上做填孔及印製線路，內外電極則可分別使用銀、銅、金等金屬，最後將各層做疊層動作，放置於850~900℃燒結爐中燒結成型，即可完毕。詳細製造過程如圖1 LTCC生產流程圖。

2-2 HTCC (High-Temperature Co-fired Ceramic)
        HTCC又稱為高溫共燒多層陶瓷，生產製造過程與LTCC極為相似，重要差異點在於HTCC陶瓷粉末並無加入玻璃材質，因而，HTCC必須再高溫1300~1600℃環境下乾燥硬化成生胚，接著同樣鑽上導通孔，以網版印刷技術填孔與印製線路，因其共燒溫度較高，使得金屬導體材料選擇受限，其重要材料為熔點較高但導電性卻較差鎢、鉬、錳…等金屬，最後再疊層燒結成型。

2-3 DBC (Direct Bonded Copper )
        DBC直接接合銅基板，將高絕緣性Al2O3或AlN陶瓷基板單面或雙面覆上銅金屬後，經由高溫1065~1085℃環境加熱，使銅金屬因高溫氧化、擴散與Al2O3材質產生(Eutectic) 共晶熔體，使銅金與陶瓷基板黏合，形成陶瓷複合金屬基板，最後依據線路設計，以蝕刻方式備製線路，DBC製造流程圖如下圖2。

2-4 DPC (Direct Plate Copper)
          DPC亦稱為直接鍍銅基板，以璦司柏DPC基板製程為例：一方面將陶瓷基板做前處理清潔，运用薄膜專業製造技術－真空鍍膜方式於陶瓷基板上濺鍍結合於銅金屬複合層，接著以黃光微影之光阻被覆曝光、顯影、蝕刻、去膜製程完毕線路製作，最後再以電鍍/化學鍍沉積方式增长線路厚度，待光阻移除後即完毕金屬化線路製作，詳細DPC生產流程圖如下圖3。

3、陶瓷散熱基板特性
         在瞭解陶瓷散熱基板製造办法後，接下來將近一步探討各個散熱基板特性具备哪些差異，而各項特性又分別代表了什麼樣意義，為何會影響了散熱基板在應用時必須作為考量重點。如下表一 陶瓷散熱基板特性比較中，本文取了散熱基板：(1)熱傳導率、(2)製程溫度、(3)線路製作办法、(4)線徑寬度，四項特性作進一步討論：

3-1熱傳導率
        熱傳導率又稱為熱導率，它代表了基板材料自身直接傳導熱能一種能力，數值愈高代表其散熱能力愈好。LED散熱基板最重要作用就是在於，如何有效將熱能從LED晶粒傳導到系統散熱，以减少LED 晶粒溫度，增长發光效率與延長LED壽命，因而，散熱基板熱傳導效果優劣就成為業界在選用散熱基板時，重要評估項目之一。檢視表一，由四種陶瓷散熱基板比較可明看出，雖然Al2O3材料之熱傳導率約在20~24之間，LTCC為减少其燒結溫度而添加了30%~50%玻璃材料，使其熱傳導率降至2~3W/mK左右；而HTCC因其普遍共燒溫度略低於純Al2O3基板之燒結溫度，而使其因材料密度較低使得熱傳導係數低Al2O3基板約在16~17W/mK之間。普通來說，LTCC與HTCC散熱效果並不如DBC與DPC散熱基板裡想。

3-2 操作環境溫度
       操作環境溫度，重要是指產品在生產過程中，使用到最高製程溫度，而以毕生產製程而言，所使用溫度愈高，相對製导致本也愈高，且良率不易掌控。
HTCC製程自身即因為陶瓷粉末材料成分不同，其製程溫度約在1300~1600℃之間，
而LTCC/DBC製程溫度亦約在850~1000℃之間。此外，HTCC與LTCC在製程後對必須疊層後再燒結成型，使得各層會有收縮比例問題，為解決此問題相關業者也在努力尋求解決方案中。
另一方面，DBC對製程溫度精準度规定十分嚴苛，必須於溫度極度穩定1065~1085℃溫度範圍下，才干使銅層熔煉為共晶熔體，與陶瓷基板緊密結合，若生產製程溫度不夠穩定，勢必會导致良率偏低現象。而在製程溫度與裕度考量，
DPC製程溫度僅需250~350℃左右溫度即可完毕散熱基板製作，完全避免了高溫對於材料所导致破壞或尺寸變異現象，也排除了製导致本費用高問題。

3-3製程能力
       在表一中製程能力，重要是表达各種散熱基板金屬線路是以何種製程技術完毕，由於線路製造/成型办法直接影響了線路精準度、表面粗糙鍍、對位精準度…等特性，因而在高功率小尺寸精細線路需求下，製程解析度便成了必須要考慮重要項目之一。
LTCC與HTCC均是採用厚膜印刷技術完毕線路製作，厚膜印刷自身即受限於網版張力問題，普通而言，其線路表面較為粗糙，且容易导致有對位不精準與累進公差過大等現象。此外，多層陶瓷疊壓燒結製程，還有收縮比例問題需要考量，這使得其製程解析度較為受限。
而DBC雖以微影製程備製金屬線路，但因其製程能力限制，金屬銅厚下限約在150~300um之間，這使得其金屬線路解析度上限亦僅為150~300um之間(以深寬比1:1為標準)。
而DPC則是採用薄膜製程製作，运用了真空鍍膜、黃光微影製程製作線路，使基板上線路能夠更加精確，表面平整度高，再运用電鍍/電化學鍍沉積方式增长線路厚度，DPC金屬線路厚度可依產品實際需求(金屬厚度與線路解析度)而設計。普通而言，DPC金屬線路解析度在金屬線路深寬比為1:1原則下約在10~50um之間。因而，DPC杜絕了LTCC/HTCC燒結收縮比例及厚膜製程網版張網問題。下表二即為厚膜與薄膜製程產品差異做簡單比較。

4、陶瓷散熱基板之應用
         陶瓷散熱基板會因應需求及應用上不同，外型亦有所差別。另一方面，各種陶瓷基板也可依產品製造办法不同，作出基本區分。
LTCC散熱基板在LED產品應用上，大多以大尺寸高功率以及小尺寸低功率產品為主，基本上外觀大多呈現凹杯狀，且依客戶端需求可製作出有導線架 & 沒有導線架兩種散熱基板，凹杯形狀重要是針對封裝製程採用較簡易點膠方式封裝成型所設計，並运用凹杯邊緣作為光線反射路徑，但LTCC自身即受限於製程因素，使得產品難以備製成小尺寸，再者，採用了厚膜製作線路，使得線路精準度局限性以符合高功率小尺寸LED產品。
而與LTCC製程與外觀相似HTCC，在LED散熱基板這一塊，尚未被普遍使用，重要是因為HTCC採用1300~1600℃高溫乾燥硬化，使生產成本增长，相對HTCC基板費用也高，因而對極力朝低成本趨向邁進LED產業而言，面臨了較嚴苛考驗HTCC。
         另一方面， DBC與DPC則與LTCC/HTCC不僅有外觀上差異，連LED產品封裝方式亦有所不同，
DBC/DPC均是屬於平面式散熱基板，而平面式散熱基板可依客製化備製金屬線路加工，再根據客戶需求切割成小尺寸產品，輔以共晶/覆晶製程，結合已非常純熟螢光粉塗佈技術及高階封裝製程技術鑄膜成型，可大幅提高LED發光效率。
然而，DBC產品因受製程能力限制，使得線路解析度上限僅為150~300um，若要特別製作細線路產品，必須採用研磨方式加工，以减少銅層厚度，但卻导致表面平整度不易控制與增长額外成本等問題，使得DBC產品不易於共晶/覆晶製程高線路精準度與高平整度规定之應用。
DPC运用薄膜微影製程備製金屬線路加工，具備了線路高精準度與高表面平整度特性，非常適用於覆晶/共晶接合方式製程，能夠大幅減少LED產品導線截面積，進而提高散熱效率。各種陶瓷散熱基板之範例圖片與其應用範圍如下表三。

5、結論
       經由上述各種陶瓷基板之生產流程、特性比較、以及應用範圍說明後，可明確比較出個別差異性。
其中，LTCC散熱基板在LED產業中已經被廣泛使用，但LTCC為了减少燒結溫度，於材料中加入了玻璃材料，使整體熱傳導率减少至2~3W/mK之間，比其她陶瓷基板都還要低。再者，LTCC使用網印方式印製線路，使線路自身具备線徑寬度不夠精細、以及網版張網問題，導致線路精準度局限性、表面平整度不佳等現象，加上多層疊壓燒結又有基板收縮比例問題要考量，並不符合高功率小尺寸需求，因而在LED產業應用当前多以高功率大尺寸，或是低功率產品為主。
而與LTCC製程相似HTCC以1300~1600℃高溫乾燥硬化，使生產成本偏高，居於成本考量当前鮮少使用於LED產業，且HTCC與LTCC有相似問題，亦不適用於高功率小尺寸LED產品。另一方面，為了使DBC銅層與陶瓷基板附著性佳，必須因採用1065~1085℃高溫熔煉，製造費用較高，且有基板與Cu板間有微氣孔問題不易解決，使得DBC產品產能與良率受到極大考驗；再者，若要製作細線路必須採用特殊處理方式將銅層厚度變薄，卻导致表面平整度不佳問題，若將產品使用於共晶/覆晶製程LED產品相對較為嚴苛。
反倒是DPC產品，自身採用薄膜製程真空濺鍍方式鍍上薄銅，再以黃光微影製程完毕線路，因而線徑寬度10~50um，甚至可以更細，且表面平整度高(<0.3um)、線路對位精準度誤差值僅+/-1%，完全避免了收縮比例、網版張網、表面平整度、高製造費用…等問題。
雖LTCC、HTCC、DBC、與DPC等陶瓷基板都已廣泛使用與研究，然而，在高功率LED陶瓷散熱領域而言，DPC在当前發展趨勢看來，可以說是最適合高功率且小尺寸LED發展需求陶瓷散熱基板。