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1、灯具网 http:/www.uu00.tvLED散热基板之厚膜与薄膜制程差异分析1、简介LED模组现今大量使用在电子相关产品上，随着应用范围扩大以及 照明系统的不断提升，约从1990年开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，现在的照明系统上所使用之 LED功率已经不只1W、3W、5W甚至到达10W以上，所以散热基 板的散热效能俨然成为最重要的议题。影响 LED 散热的主要因素包 含了 LED晶粒、晶粒载板、晶片封装及模组的材质与设计，而 LED 及其封装的材料所累积的热能多半都是以传导方式散出，所以LED晶粒基板及LED晶片封装的设计及材质就成为了主要的关键。2、散热基
2、板对于LED模组的影响LED从1970年以后开始出现红光的LED,之后很快的演进到了蓝光 及绿光，初期的运用多半是在一些标示上，如家电用品上的指示，到 了 2000年开始，白光高功率LED的出现，让LED的运用开始进入 另一阶段，像是户外大型看版、小型显示器的背光源等（如图一），但随着高功率的快速演进，预计从 2010年之后，车用照明、室内及特 殊照明的需求量日增，但是这些高功率的照明设备，具散热效能的要 求也越益严苛，因陶瓷基板具有较高的散热能力与较高的耐热、气密性，因此，陶瓷基板为目前高功率 LED最常使用的基板材料之一。1070196019W)20002021:拓壤西聚研究所然而，目前市
3、面上较常见的陶瓷基板多为 LTCC或厚膜技术制成的陶 瓷散热基板，此类型产品受网版印刷技术的准备瓶颈，使得其对位精准度上无法配合更高阶的焊接，共晶（Eutectic）或覆晶（Flip chip）封装 方式，而利用薄膜制程技术所开发的陶瓷散热基板则提供了高对位精 准度的产品，以因应封装技术的发展。2.1、散热基板的选择就LED晶粒承载基板的发展上，以承载晶粒而言，传统 PCB的基板 材质具有高度商业化的特色，在 LED发展初期有着相当的影响力。 然而，随着LED功率的提升，LED基板的散热能力，便成为其重要 的材料特性之一，为此，陶瓷基板逐渐成为高效能LED的主要散热基板材料（如表一所示），并逐
4、渐被市场接受进而广泛使用。近年来， 除了陶瓷基板本身的材料特性问题须考虑之外， 对基板上金属线路之 线宽、线径、金属表面平整度与附着力之要求日增，使得以传统厚膜 制程备制的陶瓷基板逐渐不敷使用，因而发展出了薄膜型陶瓷散热基 板，本文将针对陶瓷散热基板在厚膜与薄膜制程及其产品特性上的差 异做出分析。中国灯具招商网http:/www.uu00.tv 专业整理表一、各类材料散热系数表一，各材料散热系数Mate rialConductlvl ty(W/ mK)FR40.2Alumina17-27Aluminium Nitride170-230Gold315Sliver425Copper398Sourc
5、e : UEC Inc3、陶瓷散热基板从传统的PCB(FR4)板，到现在的陶瓷基板，LED不断往更高功率的 需求发展， 现阶段陶瓷基板之金属线路多以厚膜技术成型，然而厚 膜印刷的对位精准度使得其无法跟上 LED封装技术之进步，其主要 因素为在更高功率LED元件的散热设计中，使用了共晶以及覆晶两 种封装技术，这些技术的导入不但可以使用高发光效率的 LED晶粒, 更可以大幅降低其热阻值并且让接合度更加完善，让整体运作的功率 都相对的提升。但是这两种接合方式的应用都需要拥有精确金属线路 设计的基础，因此以曝光微影为对位方式的薄膜型陶瓷散热基板就变 成为精准线路设计主流。3-1、厚膜印刷陶瓷基版厚膜制
6、程大多使用网版印刷方式形成线路与图形，因此，其线路图形的完整度与线路对位的精确度往往随着印刷次数增加与网版张力变 化而出现明显的累进差异，此结果将影响后续封装制程上对位的精准 度；再者，随着元件尺寸不断缩小，网版印刷的图形尺寸与解析度亦 有其限制，随着尺寸缩小，网版印刷所呈现之各单元图形尺寸差异（均 匀性）与金属厚度差异亦将越发明显。为了线路尺寸能够不断缩小与 精准度的严格要求下，LED散热基板的生产技术势必要继续提升。因而薄膜制程的导入就成为了改善方法之一， 然而国内拥有成熟的陶 瓷基板薄膜金属化制程技术的厂家却屈指可数。为此，以薄膜元件起家的谖司柏电子（ICP）,即针对自家开发之薄膜基板与
7、传统厚膜基板 进行其制程与产品特性差异分析（如下表二所示）。表二薄膜典厚膜裂程董品之差其分析薄膜裂程厚膜熨程I路精津度精津度校高1%以印品防式成形差值较高+/10%Sg詹材料材料楣定度敕高易受聚料均刍性婕tg磨表面表面平整度高 0.31jm平整度低差值糜Bl-3pm瞰敕不易费用较高生覆g眼睛ttewMS易箱詹附著性不曾有氧化物生成附著性佳附著性受基板材影警 网N酶注线路位置使用曝光期影 相封位置精型度高受版张力及印刷次数影警相 封位置精型度低3-2、薄膜制程应用于陶瓷基板薄膜技术的导入正可解决上述线路尺寸缩小的制程瓶颈，结合高真空 镀膜技术与黄光微影技术，能将线路图形尺寸大幅缩小，并且可同时
8、符合精准的线路对位要求，其各单元的图形尺寸的低差异性（高均匀性）更是传统网版印刷所不易达到的结果。在高热导的要求下，目前 谖司柏（ICP）的薄膜制程技术已能克服现阶段厚膜制程在对位精准度 的瓶颈，图（二）即为薄膜制程之简易流程图，在空白陶瓷基板上（氧化 铝/氮化铝）经过前处理之后，镀上种子层（sputtering）,经过光阻披覆、 曝光显影，再将所需之线路增厚（电镀/化学镀），最后经过去膜、蚀刻 步骤使线路成形，此制程所备制之产品具有较高的线路精确度与较佳 的金属镀层表面平整度。图（三）即为谖司柏薄膜基板产品与传统厚膜 产品的金属线路光学显微图像。可明显看出厚膜印刷之线路，其表面 具有明显的坑
9、洞且线条的平整度不佳，反观以薄膜制程制备之金属线 路，不但色泽清晰且线条笔直平整。由以上厚/薄膜这些金属线路上的几何精准度差异，再加上厚膜线路 易因网版张网问题造成阵列图形的累进公差加剧， 使得厚膜印刷产品 在后续晶片置件上，较容易造成置件偏移或是寻边异常等困扰。 换句 话说厚膜印刷产品的对位及线路的精准度不够精确， 使其限制了晶片 封装制程的制程裕度（window）。然而，薄膜制程产品则能大幅改善其 现象。但从产品成本结构来看，如表二所示薄膜产品的制程设备（黄光微影）与生产环境（无尘或洁净室）相较于厚膜产品其成本较高，然而薄膜制 程的金属线路多以厚铜材料为主，相较于厚膜印刷之厚银而言，材料
10、成本却相对较低，因此，可预期的当利用薄膜制程将陶瓷基板金属化 的产品，日渐达到经济规模时，其成本将逐渐趋近于厚膜产品。图二、薄膜制程流程灯具批发 http:/www.uu00.tv:_Pu JHAI2O3AI203AI2O3港鬼魂戏魏光更披置 a一 Cu . 一 CuAI2O3AI2O3AI2O3琪光甄再糠咯童皴去假埃司柏重子提供H-,薄膜裂程流程 图3厚膜与薄膜线路差异 3-2-1、氧化铝陶瓷基板上述部分是针对制程不同部份所做的阐述，另一项与散热息息相关的则是基板材质，LED散热基板所使用之材质现阶段以陶瓷为主、而 氧化铝陶瓷基板应是较易取得且成本较低之材料，是目前运用在元件上的主要材料，然
11、而厚膜技术或薄膜技术在氧化铝陶瓷基板上制备金 属线路，其金属线路与基版的接着度或是特性上并无显著的差异，而两种制程显现出最主要的差异则是在线路尺寸缩小的要求下，薄膜制程能提供厚膜技术无法达到的较小线路尺寸与较高的图形精准度。3-2-2、氮化铝陶瓷基板而在更高功率LED应用的前提下、具高导热系数的氮化铝 （170-230W/mK）将是散热基板的首选材质，但厚膜印刷之金属层（如高温银胶）多需经过高温（高于800oC）烧结制程，此高温烧结制程于 大气环境下执行易导致金属线路与氮化铝基板间产生氧化层，进而影 响线路与基板之间的附着性；然而，薄膜制程则在 300 C以下制程 之条件下备制，无氧化物生成与
12、附着性不佳之疑虑，更可兼具线路尺 寸与高精准度之优势。薄膜制程为高功率氮化铝陶瓷 LED散热基板 创造更多应用空间。4、结论以上我们已将LED散热基板在两种不同制程上做出差异分析，以薄 膜制程备制陶瓷散热基板具有较高的设备与技术，需整合材料开发门槛，如曝光、真空沉积、显影、蒸镀(Evaporation)、溅镀(Sputtering) 电镀与无电镀等技术，以目前的市场规模，薄膜产品的相对成本较高， 但是一旦市场规模达到一定程度时， 必定会反映在成本结构上，相对 的在价格上与厚膜制程的差异将会有大幅度的缩短。在高效能、高产品品质要求与高生产架动的高功率LED陶瓷基板的发展趋势之下，高散热效果、高精准度之薄膜制程陶瓷基板的选择， 将成为趋势，以克服目前厚膜制程产品所无法突破的瓶颈。因此，可 预期的薄膜陶瓷基板将逐渐应用在高功率LED上,并随着高功率LED的快速发展而达经济规模，此时不论高功率 LED晶粒、薄膜型 陶瓷散热基板、封装制程成本等都将大幅降低，进而更加速高功率LED产品的量化信息由灯饰批发市场专业整理。更多详情http:/www.uu00.tv/