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陶瓷基板现状与发展分析

陶瓷基板材料以其优良的导热性和气密性,广泛应用于功率电子、电子封装、混合微电子与多芯片模块等领域。本文简要介绍了目前陶瓷基板的现状与以后的发展。


1、 塑料和陶瓷材料的比较


塑料尤其是环氧树脂由于比较好的经济性,至目前为止依然占据整个电子市场的统治地位,但是许多特殊领域比如高温、线膨胀系数不匹配、气密性、稳定性、机械性能等方面显然不适合,即使在环氧树脂中添加大量的有机溴化物也无济于事。


相对于塑料材料,陶瓷材料也在电子工业扮演者重要的角色,其电阻高,高频特性突出,且具有热导率高、化学稳定性佳、热稳定性和熔点高等优点。在电子线路的设计和制造非常需要这些的性能,因此陶瓷被广泛用于不同厚膜、薄膜或和电路的基板材料,还可以用作绝缘体,在热性能要求苛刻的电路中做导热通路以及用来制造各种电子元件。


2、陶瓷基板特性


2.1 热传导率


热导率代表了基板材料本身直接传导热能的一种能力,数值愈高代表其散热能力愈好。在LED领域散热基板最主要的作用就是在于,如何有效的将热能从LED芯片传导到系统散热,以降低LED 芯片的温度,增加发光效率与延长LED寿命,因此,散热基板热传导效果的优劣就成为业界在选用散热基板时,重要的评估项目之一。


 检视表一,由四种陶瓷散热基板的比较可明看出,虽然Al2O3材料之热传导率约在20~24之间,LTCC为降低其烧结温度而添加了30%~50%的玻璃材料,使其热传导率降至2~3W/mK左右;而HTCC因其普遍共烧温度略低于纯Al2O3基板之烧结温度,而使其因材料密度较低使得热传导系数低Al2O3基板约在16~17W/mK之间。一般来说,LTCC与HTCC散热效果并不如DBC与DPC散热基板里想。


2.2 操作环境温度


操作环境温度,主要是指产品在生产过程中,使用到*高工艺温度,而以一生产工艺而言,所使用的温度愈高,相对的制造成本也愈高,且良率不易掌控。


HTCC工艺本身即因为陶瓷粉末材料成份的不同,其工艺温度约在1300~1600℃之间,而LTCC/DBC的工艺温度亦约在850~1000℃之间。此外,HTCC与LTCC在工艺后对必须叠层后再烧结成型,使得各层会有收缩比例问题,为解决此问题相关业者也在努力寻求解决方案中。


另一方面,DBC对工艺温度精准度要求十分严苛,必须于温度极度稳定的1065~1085℃温度范围下,才能使铜层熔炼为共晶熔体,与陶瓷基板紧密结合,若生产工艺的温度不够稳定,势必会造成良率偏低的现象。而在工艺温度与裕度的考量,DPC的工艺温度仅需250~350℃左右的温度即可完成散热基板的制作,完全避免了高温对于材料所造成的破坏或尺寸变异的现象,也排除了制造成本费用高的问题。


2.3 工艺能力


工艺能力,主要是表示各种散热基板的金属线路是以何种工艺技术完成,由于线路制造/成型的方法直接影响了线路精准度、表面粗糙镀、对位精准度…等特性,因此在高功率小尺寸的精细线路需求下,工艺分辨率便成了必须要考虑的重要项目之一。


LTCC与HTCC均是采用厚膜印刷技术完成线路制作,厚膜印刷本身即受限于网版张力问题,一般而言,其线路表面较为粗糙,且容易造成有对位不精准与累进公差过大等现象。此外,多层陶瓷叠压烧结工艺,还有收缩比例的问题需要考量,这使得其工艺分辨率较为受限。


而DBC虽以微影工艺备制金属线路,但因其工艺能力限制,金属铜厚的下限约在150~300um之间,这使得其金属线路的分辨率上限亦仅为150~300um之间(以深宽比1:1为标准)。而DPC则是采用的薄膜工艺制作,利用了真空镀膜、黄光微影工艺制作线路,使基板上的线路能够更加精确,表面平整度高,再利用电镀/电化学镀沉积方式增加线路的厚度,DPC金属线路厚度可依产品实际需求(金属厚度与线路分辨率)而设计。


一般而言,DPC金属线路的分辨率在金属线路深宽比为1:1的原则下约在10~50um之间。因此,DPC杜绝了LTCC/HTCC的烧结收缩比例及厚膜工艺的网版张网问题。


2.4、陶瓷散热基板之应用


陶瓷散热基板会因应需求及应用上的不同,外型亦有所差别。另一方面,各种陶瓷基板也可依产品制造方法的不同,作出基本的区分。LTCC散热基板在LED产品的应用上,大多以大尺寸高功率以及小尺寸低功率产品为主,基本上外观大多呈现凹杯状,且依客户端的需求可制作出有导线架 & 没有导线架两种散热基板,凹杯形状主要是针对封装工艺采用较简易的点胶方式封装成型所设计,并利用凹杯边缘作为光线反射的路径,但LTCC本身即受限于工艺因素,使得产品难以备制成小尺寸,再者,采用了厚膜制作线路,使得线路精准度不足以符合高功率小尺寸的LED产品。而与LTCC工艺与外观相似的HTCC,在LED散热基板这一块,尚未被普遍的使用,主要是因为HTCC采用1300~1600℃高温干燥硬化,使生产成本的增加,相对的HTCC基板费用也高,因此对极力朝低成本趋向迈进LED产业而言,面临了较严苛的考验HTCC。


另一方面, DBC与DPC则与LTCC/HTCC不仅有外观上的差异,连LED产品封装方式亦有所不同,DBC/DPC均是属于平面式的散热基板,而平面式散热基板可依客制化备制金属线路加工,再根据客户需求切割成小尺寸产品,辅以共晶/复晶工艺,结合已非常纯熟的萤光粉涂布技术及高阶封装工艺技术铸膜成型,可大幅的提升LED的发光效率。


然而,DBC产品因受工艺能力限制,使得线路分辨率上限仅为150~300um,若要特别制作细线路产品,必须采用研磨方式加工,以降低铜层厚度,但却造成表面平整度不易控制与增加额外成本等问题,使得DBC产品不易于共晶/复晶工艺高线路精准度与高平整度的要求之应用。DPC利用薄膜微影工艺备制金属线路加工,具备了线路高精准度与高表面平整度的的特性,非常适用于复晶/共晶接合方式的工艺,能够大幅减少LED产品的导线截面积,进而提升散热的效率。


经由上述各种陶瓷基板之生产流程、特性比较、以及应用范围说明后,可明确的比较出个别的差异性。其中,LTCC散热基板在LED产业中已经被广泛的使用,但LTCC为了降低烧结温度,于材料中加入了玻璃材料,使整体的热传导率降低至2~3W/mK之间,比其他陶瓷基板都还要低。


再者,LTCC使用网印方式印制线路,使线路本身具有线径宽度不够精细、以及网版张网问题,导致线路精准度不足、表面平整度不佳等现象,加上多层叠压烧结又有基板收缩比例的问题要考量,并不符合高功率小尺寸的需求,因此在LED产业的应用目前多以高功率大尺寸,或是低功率产品为主。而与LTCC工艺相似的HTCC以1300~1600℃的高温干燥硬化,使生产成本偏高,居于成本考量鲜少目前鲜少使用于LED产业,且HTCC与LTCC有相同的问题,亦不适用于高功率小尺寸的LED产品。


另一方面,为了使DBC的铜层与陶瓷基板附着性佳,必须因采用1065~1085℃高温熔炼,制造费用较高,且有基板与Cu板间有微气孔问题不易解决,使得DBC产品产能与良率受到极大的考验;再者,若要制作细线路必须采用特殊处理方式将铜层厚度变薄,却造成表面平整度不佳的问题,若将产品使用于共晶/复晶工艺的LED产品相对较为严苛。反倒是DPC产品,本身采用薄膜工艺的真空溅镀方式镀上薄铜,再以黄光微影工艺完成线路,因此线径宽度10~50um,甚至可以更细,且表面平整度高(<0.3um)、线路对位精准度误差值仅+/-1%,完全避免了收缩比例、网版张网、表面平整度、高制造费用…等问题。虽LTCC、HTCC、DBC、与DPC等陶瓷基板都已广泛使用与研究,然而,在高功率LED陶瓷散热领域而言,DPC在目前发展趋势看来,可以说是最适合高功率LED发展需求的陶瓷散热基板。
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