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            新聞資訊
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            陶瓷基板現狀與發展分析

            陶瓷基板材料以其優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域。本文簡要介紹了目前陶瓷基板的現狀與以后的發展。


            1、 塑料和陶瓷材料的比較


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


            相對于塑料材料,陶瓷材料也在電子工業扮演者重要的角色,其電阻高,高頻特性突出,且具有熱導率高、化學穩定性佳、熱穩定性和熔點高等優點。在電子線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,增加發光效率與延長LED壽命,因此,散熱基板熱傳導效果的優劣就成為業界在選用散熱基板時,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。一般來說,LTCC與HTCC散熱效果并不如DBC與DPC散熱基板里想。


            2.2 操作環境溫度


            操作環境溫度,主要是指產品在生產過程中,使用到*高工藝溫度,而以一生產工藝而言,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,使得各層會有收縮比例問題,為解決此問題相關業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,若生產工藝的溫度不夠穩定,勢必會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路是以何種工藝技術完成,由于線路制造/成型的方法直接影響了線路精準度、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完成線路制作,厚膜印刷本身即受限于網版張力問題,一般而言,其線路表面較為粗糙,且容易造成有對位不精準與累進公差過大等現象。此外,多層陶瓷疊壓燒結工藝,還有收縮比例的問題需要考量,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路,使基板上的線路能夠更加精確,表面平整度高,再利用電鍍/電化學鍍沉積方式增加線路的厚度,DPC金屬線路厚度可依產品實際需求(金屬厚度與線路分辨率)而設計。


            一般而言,DPC金屬線路的分辨率在金屬線路深寬比為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版張網問題。


            2.4、陶瓷散熱基板之應用


            陶瓷散熱基板會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品制造方法的不同,作出基本的區分。LTCC散熱基板在LED產品的應用上,大多以大尺寸高功率以及小尺寸低功率產品為主,基本上外觀大多呈現凹杯狀,且依客戶端的需求可制作出有導線架 & 沒有導線架兩種散熱基板,凹杯形狀主要是針對封裝工藝采用較簡易的點膠方式封裝成型所設計,并利用凹杯邊緣作為光線反射的路徑,但LTCC本身即受限于工藝因素,使得產品難以備制成小尺寸,再者,采用了厚膜制作線路,使得線路精準度不足以符合高功率小尺寸的LED產品。而與LTCC工藝與外觀相似的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LED產業而言,面臨了較嚴苛的考驗HTCC。


            另一方面, DBC與DPC則與LTCC/HTCC不僅有外觀上的差異,連LED產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路加工,再根據客戶需求切割成小尺寸產品,輔以共晶/復晶工藝,結合已非常純熟的螢光粉涂布技術及高階封裝工藝技術鑄膜成型,可大幅的提升LED的發光效率。


            然而,DBC產品因受工藝能力限制,使得線路分辨率上限僅為150~300um,若要特別制作細線路產品,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題,使得DBC產品不易于共晶/復晶工藝高線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路加工,具備了線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產品的導線截面積,進而提升散熱的效率。


            經由上述各種陶瓷基板之生產流程、特性比較、以及應用范圍說明后,可明確的比較出個別的差異性。其中,LTCC散熱基板在LED產業中已經被廣泛的使用,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使用網印方式印制線路,使線路本身具有線徑寬度不夠精細、以及網版張網問題,導致線路精準度不足、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題要考量,并不符合高功率小尺寸的需求,因此在LED產業的應用目前多以高功率大尺寸,或是低功率產品為主。而與LTCC工藝相似的HTCC以1300~1600℃的高溫干燥硬化,使生產成本偏高,居于成本考量鮮少目前鮮少使用于LED產業,且HTCC與LTCC有相同的問題,亦不適用于高功率小尺寸的LED產品。


            另一方面,為了使DBC的銅層與陶瓷基板附著性佳,必須因采用1065~1085℃高溫熔煉,制造費用較高,且有基板與Cu板間有微氣孔問題不易解決,使得DBC產品產能與良率受到極大的考驗;再者,若要制作細線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題,若將產品使用于共晶/復晶工藝的LED產品相對較為嚴苛。反倒是DPC產品,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路,因此線徑寬度10~50um,甚至可以更細,且表面平整度高(<0.3um)、線路對位精準度誤差值僅+/-1%,完全避免了收縮比例、網版張網、表面平整度、高制造費用…等問題。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陶瓷散熱領域而言,DPC在目前發展趨勢看來,可以說是最適合高功率LED發展需求的陶瓷散熱基板。
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