凱昶德吳朝暉:從LED到VCSEL,DPC陶瓷基板的技術及應用創新

「陶瓷基板為什麼能在高功率封裝領域佔據一席之地?如何解決LED產業的痛處:熱電分離?」在由LEDinside、中國LED網主辦的2018LED行情前瞻分析會上,凱昶德科技陶瓷元件事業部總監吳朝暉以「從LED到VCSEL激光器,DPC陶瓷基板的技術及應用創新」為主題詳細剖析了能解決當前熱電分離痛點的DPC陶瓷基板技術。

♦  凱昶德科技陶瓷元件事業部總監吳朝暉

DPC陶瓷基板被採用的原因

儘管近年來LED技術不斷升級,LED發光效率越來越高,高功率LED晶片的光電轉換效率也只能達到70%到80%,這意味著仍有20%到30%電能會轉化成熱能。對於LED產生的熱能,肯定是要傳導出去的。目前主要方式是向PCB板傳遞,但是這時會發現晶片的背面導熱通道和導電通道是重疊的,這對於導熱通道選用什麼樣的材質就是關鍵所在。

現有的解決方案是把晶片直接固定在銅熱沉上,但銅熱沉本身就是導電通道,就光源層面來講,一樣是沒有實現熱電分離。光源最後封裝在PCB板上,仍需要導入一個絕緣層來實現熱電分離。此時熱量雖然沒有集中在晶片上,但是卻集中在光源下的絕緣層附近,一旦做更高功率,散熱的問題就會浮現。而DPC陶瓷基板可以解決這個問題,其可將晶片直接固定在陶瓷上,在陶瓷上做出垂直互聯孔,形成內部獨立的導電通道,陶瓷本身既是絕緣體,又能散熱,這樣在光源層面就實現了熱電分離。此時下部的PCB板就不需要考慮熱電分離結構了,不需要在PCB上面做絕緣層。

DPC陶瓷基板的定義及其特點


要在光源層面解決熱電分離問題的陶瓷基板應具有以下特點:首先它必須具有高的導熱性,它的導熱性要比樹脂高幾個數量級;第二是要有高的絕緣強度;第三是高線路解析度,這樣才能跟晶片進行垂直共接或者倒裝,不會出問題;第四是高的表面平整度,銲接的時候就不會有空洞;第五是陶瓷和金屬要有高的附著力;第六是垂直互連導通孔,這樣才能實現貼片封裝,把電路從背面引到正面。而滿足這些條件的基板只有DPC陶瓷基板。現在很多的陶瓷基板是絲網印刷做出來的,它的技術特點滿足不了DPC的要求,所以只能叫線路板,不能叫半導體封裝基板。

 
♦ DPC陶瓷基板


什麼叫DPC陶瓷基板?它又叫直接鍍銅陶瓷基板,它採用薄膜金屬化和電鍍製程的技術,在陶瓷基板上採用影像轉移方式製作金屬線路,再採用穿孔電鍍技術形成高密度雙面布線及垂直互連。這是它的產品圖,上面是固晶層,下面是銲接層,中間是陶瓷,裡面設置了垂直互連孔。

DPC陶瓷基板的材質,首先是氧化鋁陶瓷,它的導熱係數比較高,如果要做到更高一點,我們可以用氮化鋁,它的導熱係數非常高,達到170,鋁合金的導熱係數才220到230,這意味著它和金屬導熱係數已經差不多了,而且它的絕緣強度非常高,這就是一個非常好的材料。所以在功率越高的時候,氮化鋁陶瓷的表現會越佳。

DPC陶瓷基板於三大領域應用剖析


傳統照明: 在高功率LED照明上,舞台燈、路燈、景觀照明已經大規模使用;在閃光燈方面、CSP上也大量採用,除此之外,還有包括現在很熱門的汽車頭燈,其LED光源基本上也都是採用DPC陶瓷基板。

♦ 傳統照明應用領域


UV LED:因為UV LED的封裝光源不能含有機物,為了應對這種問題,傳統的用矽膠填充的方式不能滿足,市場需要一種全新的封裝結構,即把基板做成三維腔室結構,晶片放在三維腔室結構裡,處於真空或者空氣環境下面,不填充矽膠進去。台灣推出的解決方案是在DPC的陶瓷底座上加裝一塊鋁金屬圍壩,是用CNC技術把鋁板鏤空,開一個窗口,再用膠水把它黏在DPC陶瓷基板上,這樣可以滿足封裝的要求,但是存在膠水不牢靠、不耐熱,不防水等問題。日韓推出的解決方案是HTCC陶瓷基板,即高溫共燒陶瓷基板,是將陶瓷生膜與鎢漿在高溫下共燒而獲得陶瓷三維腔室,這種方案存在線路粗糙,曲翹變形大,成本高等問題。

而凱昶德推出了3D成型的DPC陶瓷基板。第一、該產品底層線路仍然採用的是DPC技術;第二是金屬圍壩與陶瓷基體不採用黏接方式,封裝後氣密性比較好;第三是製程和現在的DPC製成基本上是相同的,除了增加一個圍壩之外;第四是圖案設計很靈活,圍壩採用模組化製造,新產品開發週期短。
 

♦ 3D成型的DPC陶瓷基板結構示意圖


VCSEL:VCSEL全名是「垂直共振腔面射型雷射」,它的雷射是從垂直的基板發出來的,而LED也是從垂直的基板發出來的,所以VCSEL雷射器和LED的晶片結構、製程和封裝技術就比較接近。它的結構有三個,包括頂部的反射器,底部的反射器和中間的發射腔。
 

♦ VCSEL結構圖

 

VCSEL可以做到幾百瓦,但晶片轉化效率很低,這就意味著散熱肯定有問題,且晶片目前主要是垂直結構,那就和高功率LED一樣,面臨熱電分離的難題,而陶瓷基板就是為解決熱電分離誕生的。其次VCSEL的功率密度是非常高的,每平方釐米可以做到千瓦以上,所以只能採用真空封裝,即基板要做三維腔室,把透鏡架設到晶片上方。VCSEL有這麼高的高功率密度,晶片和基板熱膨脹失格引起的應力問題會非常嚴重,因此晶片的熱膨脹係數與基板一定要匹配,這些問題,3D成型的DPC陶瓷基板剛好可以解決。總之,未來3D成型的DPC陶瓷基板在VCSEL雷射器上將會有廣泛的應用前景。

(文:LEDinside Skavy)

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