什么是led陶瓷基板 led芯片衬底材料有哪些

1、首先

瑷司柏电子随着高输出LED照明世代的到来，致力于寻求高输出LED的解热方案，近年来，由于陶瓷的出色绝缘性和散热效率，进入了LED照明新瓷器时代。LED随着高功率LED产品的应用发展，散热技术成为各领域技术人员相继寻求解决的议题，LED散热基板的选择也遵循LED线路设计、尺寸、发光效率hellip。等条件的不同在设计上有差异，作为当前市面上销售的最一般的（一）系统电路板被区别开来，这主要是LED最后将热能传导到大气中、散热鳍片或壳体的散热系统，作为系统电路板的种类，是铝基板MCPCB、印刷电路板（PCB）、以及软式印刷电路板（FPC。（二）LED芯片基板属于LED芯片与系统电路基板之间的热能导出的介质，通过共晶或覆晶与LED芯片结合。为了确保LED的散热稳定性和LED芯片的发光效率，最近作为高输出LED散热基板使用陶瓷材料的应用很多，其种类主要包括低温共烧陶瓷（LTCC、高温共烧多层陶瓷HTCC、直接接合铜基板DBC、直接镀铜基板DPC4种，以下深入研究陶瓷LED芯片基板的种类。

2、陶瓷散热基板的种类

现阶段一般的陶瓷散热基板的种类有LTCC、HTCC、DBC、DPC4种，其中HTCC是比较早期的发展技术，但是由于电极材料的选择受其较高的工艺温度（1300~160°C）的限制，制作成本相当高，促进LTCC的发展LTCC共烧温度降低到约850°C，但尺寸精度、产品强度等技术上的问题还必须突破。另一方面，DBC和DPC是近年来开发的能源生产化的专业技术，但是对于很多人来说，这两个专业技术依然不为人所知，也有可能将两者误解为同一技术。DBC是通过高温加热结合Al2O3和Cu板的技术的瓶颈，难以解决Al2O3和Cu板间微的气孔产生的问题，该产品的量产能量和良率受到了很大的挑战，DPC技术通过直接涂覆技术，将Cu堆积在Al2O3基板上该技术结合材料和膜技术是近年来最普遍使用的陶瓷散热基板。然而，材料控制和工艺技术的集成能力在DPC工业上相对较高，可以稳定生产的技术门槛在下面进一步描述四种陶瓷散热基板的生产过程，并且进一步理解四种陶瓷散热基板的制造过程的不同。

2.1 LTCC （Low-Temperature Co-fired Ceramic）

LTCC低温共烧多层陶瓷基板，该技术首先加入无机氧化铝粉和约30%~50%的玻璃材料有机黏结剂，均匀地混合泥状的浆料，然后用刀片将浆料刮成薄片状，再经过干燥过程将薄片状的浆料形成薄片状的薄胚，然后根据各层的设计进行钻孔导通孔，作为各层的信号的传送，LTCC内部线路使用网状印刷技术，分别在生胚上进行钻孔及印刷布线，内外电极分别使用银、铜、金等金属，最后使各层层叠动作，在850~900°C的烧结炉中烧结成型即可。详细的制造过程如LTCC生产流程图。

2.2 HTCC （High-Temperature Co-fired Ceramic）

HTCC也被称为高温共烧多层陶瓷，制造过程与LTCC极为相似，主要区别在于HTCC的陶瓷粉末中没有添加玻璃材质。其主要材料是熔点高但导电性差的钨、钼、锰hellip。等金属层叠，最后烧结成型。

2.3 DBC （Direct Bonded Copper）

DBC直接连接铜基板，在高绝缘性Al2O3或AlN陶瓷基板的单面或双面上涂覆铜金属后，经过高温1065~11085℃的环境加热，使铜金属通过高温氧化、扩散Al2O3材质产生共晶熔体，将铜金粘在陶瓷基板上，形成陶瓷复合金属基板最后，根据线路设计，采用蚀刻方式制备生产线，DBC生产流程图如下所示。

2.4 DPC （Direct Plate Copper）

DPC也被称为直接镀铜基板，瑷司柏DPC以基板工艺为例，首先对陶瓷基板进行预处理并清洗，以作为薄膜专业制造技术的真空镀膜方式在陶瓷基板上飞溅耦合到铜金属复合层，然后黄光微影的光电阻涂覆曝光、显影、蚀刻、脱膜工艺完成了铁路制作，最后以电镀/化学镀沉积方式增加线路厚度，除去光阻后金属化线路的制作完成，详细DPC生产流程图如下。

3、陶瓷散热基板的特性

在理解了陶瓷散热基板的制造方法之后，接着讨论各散热基板的特性有什么不同，各特性分别代表着什么意义，为什么会影响散热基板的应用。在以下表1的陶瓷散热基板的特性比较中，进一步研究了（1）热导率、（2）工程温度、（3）线路制作方法、（4）线径宽度、4个特性。

3.1热导率

导热率也被称为热导率，表示基板材料本身直接传导热能的能力，数值越高散热能力越好。LED散热基板的最主要作用是LED有效地从芯片向系统传导热能，降低LED芯片的温度，增加发光效率，延长LED寿命。因此，散热基板的导热效果的优劣是业界选择散热基板时重要的*评价项目之一。看表1，从4种陶瓷散热基板的比较可知，Al2O3材料的导热率在约20~24之间，为了降低LTCC其烧结温度，添加30%~50%的玻璃材料，使其导热率降低到2~3W/mK左右。另一方面，由于HTCC一般的共烧温度比纯Al2O3基板的烧结温度稍低，所以由于材料密度低，导热系数低Al2O3基板约为16~17W/mK。一般来说，认为LTCC和HTCC的散热效果不及DBC和DPC的散热基板。

3.2操作环境温度

操作环境温度主要是指产品在生产过程中被用于最高过程温度，但在一个生产过程中，使用的温度越高，相对的制造成本也越高，良率难以控制。HTCC由于陶瓷粉末材料成分的不同，过程温度约为1300~160°C，LTCC/DBC的过程温度也约为850~1000°C。另外，HTCC以及LTCC在工序后一定层叠后进行烧结成型，使各层产生收缩比例的问题，为了解决这个问题，相关人员也在摸索解决方法。另一方面，DBC对工艺温度精度的要求非常严格，如果温度不是极为稳定的1065~11085°C的温度范围，则铜层熔融在共晶熔体中，与陶瓷基板紧密结合，如果生产过程的温度不稳定，则会产生良率低的现象。另一方面，考虑到过程温度和裕度，DPC的过程温度在250~350°C左右的温度下完成了散热基板的制作，完全避免了高温对材料的破坏和尺寸变异，也排除了制造成本高的问题。

3.3工艺能力

表1的处理能力主要表示各种散热基板的金属线路是用怎样的工艺技术完成的，因为线路制造/成型方法直接影响了线路精度、表面粗镀、定位精度hellip。等特性，在高功率小尺寸精细线路的需求下，过程分析度成为必须考虑的重要项目之一。LTCC和HTCC都使用厚膜印刷技术完成了线路制作，厚膜印刷本身被限制于网板张力的问题，一般来说容易引起线路表面粗糙、对准不正确和累进公差过大等现象。此外，多层陶瓷层叠烧结过程还需要考虑收缩比例的问题，并且该过程的分析度受到限制。另一方面，DBC通过微阴影工艺制作金属线路，由于其处理能力受到限制，金属铜厚度的下限约为150~300 um，该金属线路的分辨率上限也不过是150~300 um之间（以深度宽度比1:1为基准）。DPC可以使用真空镀膜、黄光微阴影工艺制作线路，使基板上的线路更准确，表面平坦度高，再利用电镀/电化学以电镀沉积方式增加线路的厚度，DPC金属线路的厚度可以根据产品的实际需要（金属厚度和线路分析度）来设计。一般来说，DPC金属线路的分辨率在金属线路的深度宽度比为1:1的原则上约为10~50mm。因此，DPC根除LTCC/HTCC的烧结收缩比例以及厚膜过程的web张力问题。下面的表2简单地比较了厚膜和膜处理产品的区别。

4、陶瓷散热基板的应用

陶瓷散热板根据需求和应用上的不同，外形也不同。另一方面，各种陶瓷基板也可以根据产品的制造方法基本区分。LTCC散热基板在LED产品的应用中，以大尺寸高输出及小尺寸低输出产品为主，基本上外观呈凹陷状的情况较多，能够根据客户机的需要制造引线框amp。没有引线框的两种散热基板，杯形主要设计为相对于包装过程以相对简单的点胶方式进行包装成型，将杯边作为光线反射的路径来利用，但由于LTCC自身受到限制于工艺的原因产品的小尺寸化很困难，并且采用厚膜制作线，使线路精度不适合高输出小尺寸LED产品。另一方面，LTCC工艺与外观相似HTCC，在LED散热基板这一块中，虽然还没有被一般使用，但主要是HTCC采用1300~1600°C的高温干燥硬化，导致生产成本的增加，相对地HTCC基板费用也高，所以倾向于极力降低成本LED产业面临着严峻的考验HTCC。

另一方面，DBC和LTCC/HTCC不仅外观上有差异，LED产品的包装方式也不同，DBC/DPC都是平面式的散热基板，平面式散热基板由客人制造并加工金属线路，根据顾客的需要切断小尺寸的产品共晶/覆晶能够辅助过程。通过结合非常熟练的磷光体涂敷技术和高阶封装技术的铸造膜成形，能够大幅提高LED的发光效率。但是，DBC产品由于受到工艺能力的限制，所以线路分辨率的上限只不过是150~300 um，为了特别制造细线产品，必须用研磨方式加工以降低铜层的厚度，但会造成表面平坦度的控制和增加附加成本等问题DBC不容易应用产品共晶/覆晶工艺的高线路精度和高平整度要求。DPC通过膜微阴影工艺制备金属线加工，具有线路高精度和高表面平坦度的特性，非常适合覆晶/共晶接合方式的工艺，能够大幅降低LED产品的引线截面面积，提高散热效率。在下表3中示出了各种陶瓷散热基板的示例图像及其应用范围。

5、结论

通过上述各种陶瓷基板的制造工序、特性比较及应用范围说明，能够明确比较个别的差异性。其中，LTCC散热基板在LED产业中被广泛使用，但是LTCC为了降低烧结温度，在材料中添加玻璃材料，使整体的导热率降低到2~3W/mK，比其他陶瓷基板低。另外，LTCC使用印刷方式印刷线路，在线路本身存在线径宽度不细、网板张网的问题，除了线路精度不足、表面平坦度变差的现象之外，还考虑到多层叠层烧结引起的基板收缩比例的问题，与高输出小尺寸的需求不一致LED在产业中的应用现在多以高输出大尺寸和低输出产品为主。另一方面，与LTCC工艺类似的HTCC因1300~160°C的高温干燥而硬化，生产成本变高，考虑到成本LED在产业中的使用较少，HTCC与LTCC存在同样的问题，也不适用于高输出小尺寸LED产品。另一方面，为了使DBC铜层和陶瓷基板的附着性良好，必须采用1065~11085°C的高温熔融，制造费用高，基板和Cu板之间存在微孔的问题难以解决，DBC必须接受产品的生产能力和良好率极大的试验。另外，为了制作细线路，必须用特殊的处理方式使铜层的厚度变薄，但存在表面平坦度不好的问题，共晶/覆晶过程中使用产品LED产品相对严格。相反DPC产品本身通过膜工艺的真空飞溅方式镀薄铜，黄光通过微阴影工艺完成线路，因此线径宽度10~50m，可以进一步细化，表面平坦度高（<0.3um），线路对位精准度误差值仅+/-1%，收缩比例，网网网，表面平坦度可以完全避免高制造费用hellip。等问题。LTCC、HTCC、DBC、DPC等陶瓷基板被广泛使用和研究，但是在高输出LED陶瓷散热领域，DPC从现在的发展趋势来看，可以说是最适合高功率和小尺寸LED发展需求的陶瓷散热基板。