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陶瓷基板現狀與發(fā)展分析

陶瓷基板材料以其優(yōu)良的導熱性和氣密性,廣泛應用于功率電子、電子封裝、混合微電子與多芯片模塊等領(lǐng)域。本文簡(jiǎn)要介紹了目前陶瓷基板的現狀與以后的發(fā)展。


1、 塑料和陶瓷材料的比較


塑料尤其是環(huán)氧樹(shù)脂由于比較好的經(jīng)濟性,至目前為止依然占據整個(gè)電子市場(chǎng)的統治地位,但是許多特殊領(lǐng)域比如高溫、線(xiàn)膨脹系數不匹配、氣密性、穩定性、機械性能等方面顯然不適合,即使在環(huán)氧樹(shù)脂中添加大量的有機溴化物也無(wú)濟于事。


相對于塑料材料,陶瓷材料也在電子工業(yè)扮演者重要的角色,其電阻高,高頻特性突出,且具有熱導率高、化學(xué)穩定性佳、熱穩定性和熔點(diǎn)高等優(yōu)點(diǎn)。在電子線(xiàn)路的設計和制造非常需要這些的性能,因此陶瓷被廣泛用于不同厚膜、薄膜或和電路的基板材料,還可以用作絕緣體,在熱性能要求苛刻的電路中做導熱通路以及用來(lái)制造各種電子元件。


2、陶瓷基板特性


2.1 熱傳導率


熱導率代表了基板材料本身直接傳導熱能的一種能力,數值愈高代表其散熱能力愈好。在LED領(lǐng)域散熱基板最主要的作用就是在于,如何有效的將熱能從LED芯片傳導到系統散熱,以降低LED 芯片的溫度,增加發(fā)光效率與延長(cháng)LED壽命,因此,散熱基板熱傳導效果的優(yōu)劣就成為業(yè)界在選用散熱基板時(shí),重要的評估項目之一。


 檢視表一,由四種陶瓷散熱基板的比較可明看出,雖然Al2O3材料之熱傳導率約在20~24之間,LTCC為降低其燒結溫度而添加了30%~50%的玻璃材料,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于純Al2O3基板之燒結溫度,而使其因材料密度較低使得熱傳導系數低Al2O3基板約在16~17W/mK之間。一般來(lái)說(shuō),LTCC與HTCC散熱效果并不如DBC與DPC散熱基板里想。


2.2 操作環(huán)境溫度


操作環(huán)境溫度,主要是指產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中,使用到*高工藝溫度,而以一生產(chǎn)工藝而言,所使用的溫度愈高,相對的制造成本也愈高,且良率不易掌控。


HTCC工藝本身即因為陶瓷粉末材料成份的不同,其工藝溫度約在1300~1600℃之間,而LTCC/DBC的工藝溫度亦約在850~1000℃之間。此外,HTCC與LTCC在工藝后對必須疊層后再燒結成型,使得各層會(huì )有收縮比例問(wèn)題,為解決此問(wèn)題相關(guān)業(yè)者也在努力尋求解決方案中。


另一方面,DBC對工藝溫度精準度要求十分嚴苛,必須于溫度極度穩定的1065~1085℃溫度范圍下,才能使銅層熔煉為共晶熔體,與陶瓷基板緊密結合,若生產(chǎn)工藝的溫度不夠穩定,勢必會(huì )造成良率偏低的現象。而在工藝溫度與裕度的考量,DPC的工藝溫度僅需250~350℃左右的溫度即可完成散熱基板的制作,完全避免了高溫對于材料所造成的破壞或尺寸變異的現象,也排除了制造成本費用高的問(wèn)題。


2.3 工藝能力


工藝能力,主要是表示各種散熱基板的金屬線(xiàn)路是以何種工藝技術(shù)完成,由于線(xiàn)路制造/成型的方法直接影響了線(xiàn)路精準度、表面粗糙鍍、對位精準度…等特性,因此在高功率小尺寸的精細線(xiàn)路需求下,工藝分辨率便成了必須要考慮的重要項目之一。


LTCC與HTCC均是采用厚膜印刷技術(shù)完成線(xiàn)路制作,厚膜印刷本身即受限于網(wǎng)版張力問(wèn)題,一般而言,其線(xiàn)路表面較為粗糙,且容易造成有對位不精準與累進(jìn)公差過(guò)大等現象。此外,多層陶瓷疊壓燒結工藝,還有收縮比例的問(wèn)題需要考量,這使得其工藝分辨率較為受限。


而DBC雖以微影工藝備制金屬線(xiàn)路,但因其工藝能力限制,金屬銅厚的下限約在150~300um之間,這使得其金屬線(xiàn)路的分辨率上限亦僅為150~300um之間(以深寬比1:1為標準)。而DPC則是采用的薄膜工藝制作,利用了真空鍍膜、黃光微影工藝制作線(xiàn)路,使基板上的線(xiàn)路能夠更加精確,表面平整度高,再利用電鍍/電化學(xué)鍍沉積方式增加線(xiàn)路的厚度,DPC金屬線(xiàn)路厚度可依產(chǎn)品實(shí)際需求(金屬厚度與線(xiàn)路分辨率)而設計。


一般而言,DPC金屬線(xiàn)路的分辨率在金屬線(xiàn)路深寬比為1:1的原則下約在10~50um之間。因此,DPC杜絕了LTCC/HTCC的燒結收縮比例及厚膜工藝的網(wǎng)版張網(wǎng)問(wèn)題。


2.4、陶瓷散熱基板之應用


陶瓷散熱基板會(huì )因應需求及應用上的不同,外型亦有所差別。另一方面,各種陶瓷基板也可依產(chǎn)品制造方法的不同,作出基本的區分。LTCC散熱基板在LED產(chǎn)品的應用上,大多以大尺寸高功率以及小尺寸低功率產(chǎn)品為主,基本上外觀(guān)大多呈現凹杯狀,且依客戶(hù)端的需求可制作出有導線(xiàn)架 & 沒(méi)有導線(xiàn)架兩種散熱基板,凹杯形狀主要是針對封裝工藝采用較簡(jiǎn)易的點(diǎn)膠方式封裝成型所設計,并利用凹杯邊緣作為光線(xiàn)反射的路徑,但LTCC本身即受限于工藝因素,使得產(chǎn)品難以備制成小尺寸,再者,采用了厚膜制作線(xiàn)路,使得線(xiàn)路精準度不足以符合高功率小尺寸的LED產(chǎn)品。而與LTCC工藝與外觀(guān)相似的HTCC,在LED散熱基板這一塊,尚未被普遍的使用,主要是因為HTCC采用1300~1600℃高溫干燥硬化,使生產(chǎn)成本的增加,相對的HTCC基板費用也高,因此對極力朝低成本趨向邁進(jìn)LED產(chǎn)業(yè)而言,面臨了較嚴苛的考驗HTCC。


另一方面, DBC與DPC則與LTCC/HTCC不僅有外觀(guān)上的差異,連LED產(chǎn)品封裝方式亦有所不同,DBC/DPC均是屬于平面式的散熱基板,而平面式散熱基板可依客制化備制金屬線(xiàn)路加工,再根據客戶(hù)需求切割成小尺寸產(chǎn)品,輔以共晶/復晶工藝,結合已非常純熟的螢光粉涂布技術(shù)及高階封裝工藝技術(shù)鑄膜成型,可大幅的提升LED的發(fā)光效率。


然而,DBC產(chǎn)品因受工藝能力限制,使得線(xiàn)路分辨率上限僅為150~300um,若要特別制作細線(xiàn)路產(chǎn)品,必須采用研磨方式加工,以降低銅層厚度,但卻造成表面平整度不易控制與增加額外成本等問(wèn)題,使得DBC產(chǎn)品不易于共晶/復晶工藝高線(xiàn)路精準度與高平整度的要求之應用。DPC利用薄膜微影工藝備制金屬線(xiàn)路加工,具備了線(xiàn)路高精準度與高表面平整度的的特性,非常適用于復晶/共晶接合方式的工藝,能夠大幅減少LED產(chǎn)品的導線(xiàn)截面積,進(jìn)而提升散熱的效率。


經(jīng)由上述各種陶瓷基板之生產(chǎn)流程、特性比較、以及應用范圍說(shuō)明后,可明確的比較出個(gè)別的差異性。其中,LTCC散熱基板在LED產(chǎn)業(yè)中已經(jīng)被廣泛的使用,但LTCC為了降低燒結溫度,于材料中加入了玻璃材料,使整體的熱傳導率降低至2~3W/mK之間,比其他陶瓷基板都還要低。


再者,LTCC使用網(wǎng)印方式印制線(xiàn)路,使線(xiàn)路本身具有線(xiàn)徑寬度不夠精細、以及網(wǎng)版張網(wǎng)問(wèn)題,導致線(xiàn)路精準度不足、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的問(wèn)題要考量,并不符合高功率小尺寸的需求,因此在LED產(chǎn)業(yè)的應用目前多以高功率大尺寸,或是低功率產(chǎn)品為主。而與LTCC工藝相似的HTCC以1300~1600℃的高溫干燥硬化,使生產(chǎn)成本偏高,居于成本考量鮮少目前鮮少使用于LED產(chǎn)業(yè),且HTCC與LTCC有相同的問(wèn)題,亦不適用于高功率小尺寸的LED產(chǎn)品。


另一方面,為了使DBC的銅層與陶瓷基板附著(zhù)性佳,必須因采用1065~1085℃高溫熔煉,制造費用較高,且有基板與Cu板間有微氣孔問(wèn)題不易解決,使得DBC產(chǎn)品產(chǎn)能與良率受到極大的考驗;再者,若要制作細線(xiàn)路必須采用特殊處理方式將銅層厚度變薄,卻造成表面平整度不佳的問(wèn)題,若將產(chǎn)品使用于共晶/復晶工藝的LED產(chǎn)品相對較為嚴苛。反倒是DPC產(chǎn)品,本身采用薄膜工藝的真空濺鍍方式鍍上薄銅,再以黃光微影工藝完成線(xiàn)路,因此線(xiàn)徑寬度10~50um,甚至可以更細,且表面平整度高(<0.3um)、線(xiàn)路對位精準度誤差值僅+/-1%,完全避免了收縮比例、網(wǎng)版張網(wǎng)、表面平整度、高制造費用…等問(wèn)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(lǐng)域而言,DPC在目前發(fā)展趨勢看來(lái),可以說(shuō)是最適合高功率LED發(fā)展需求的陶瓷散熱基板。
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