淺談大功率LED陶瓷基板制作工藝及填通孔技術(shù)

謝金平，范小玲，宗高亮

（廣東致卓環(huán)?？萍加邢薰荆瑥V東 佛山 528200）

近幾年電子產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，汽車LED(發(fā)光二極管)頭燈、大功率紫外LED燈、光通信激光器等產(chǎn)品需求不斷增加，使得LED芯片的應(yīng)用范圍越來越廣，尺寸越來越小，功率越來越高，導(dǎo)致其散熱問題日益突出。例如一個面積為1 mm × 1 mm、功率為3 W的LED芯片，如果其光電轉(zhuǎn)換效率為20%，則有2.4 W的熱量產(chǎn)生，熱流密度為240 W/cm2，可見其熱流密度非常高。如果基板無法解決熱量有效傳導(dǎo)的問題，必然導(dǎo)致產(chǎn)品使用壽命縮短，甚至芯片燒毀。

熱導(dǎo)率能夠反映基板本身直接傳導(dǎo)熱的能力，熱導(dǎo)率越高，表示其散熱能力越好。在大功率LED領(lǐng)域，散熱基板最主要的作用就是有效地將熱能從LED芯片傳導(dǎo)到系統(tǒng)進行散熱，以降低LED芯片的溫度，提高發(fā)光效率和延長LED的使用壽命。因此，熱傳導(dǎo)效果成為業(yè)界選用散熱基板時重要的評估項目之一。本文主要探討大功率LED陶瓷基板的制作工藝和填孔技術(shù)，以供同行參考。

1 大功率LED陶瓷基板的制作工藝

針對LED芯片的發(fā)熱問題，技術(shù)人員曾嘗試采用多種方式改進其導(dǎo)熱承載體，包括早期以鋁合金、銅為主體的金屬基板，以及目前使用較多的以氧化鋁為核芯的陶瓷基板。陶瓷基板主要有低溫共燒陶瓷(LTCC)、高溫共燒陶瓷(HTCC)、直接鍵合覆銅(DBC)和直接鍍銅(DPC)4種。Al2O3的熱傳導(dǎo)率在20 ~24 W/(m·K)之間；LTCC中添加了30% ~ 50%的玻璃材料，熱傳導(dǎo)率降至2 ~ 3 W/(m·K)；HTCC因其普遍共燒溫度略低于純Al2O3基板，故其材料密度較低，熱傳導(dǎo)率低于Al2O3基板，在16 ~ 17 W/(m·K)之間。對于普通LED芯片而言，這些材料都可以滿足要求，但對于發(fā)熱量高的大功率LED芯片，這些基板并不理想，熱傳導(dǎo)率為150 ~ 190 W/(m·K)的氮化鋁(AlN)才是合適的選擇。除了選用AlN外，還要結(jié)合其大功率、大電流的特點對芯片和基板進行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括鍍層結(jié)構(gòu)、線路設(shè)計、孔互聯(lián)等。經(jīng)對比驗證，制備大功率LED芯片基板的較佳方案是將DPC工藝和填通孔技術(shù)相結(jié)合，工藝流程見圖1。

圖1 大功率LED陶瓷基板的制作工藝流程Figure 1 Process flow for manufacturing ceramic substrate applied to high-powered LEDs

具體如下：

(1) 選用具有高熱傳導(dǎo)率的氮化鋁陶瓷；

(2) 借助激光機打孔得到通孔陶瓷基板；

(3) 在陶瓷基板表面磁控濺射過渡層──微納米氧化鋁膜；

(4) 在過渡層上磁控濺射得到熱應(yīng)力緩沖層──鈦鎢合金層；

(5) 通過磁控濺射直接覆銅，獲得雙面薄層導(dǎo)電銅層；

(6) 采用合適的設(shè)備和電鍍液實現(xiàn)通孔填充；

(7) 通過半加成法線路加工，在表面形成銅層線路，從而提高基板各層電路之間的信號傳輸能力和熱傳導(dǎo)能力；

(8) 最后通過電鍍貴金屬對電路表面進行加工，其中基板背面的金屬層用于與散熱器共晶貼合，以實現(xiàn)高導(dǎo)熱性能。

最重要的工序為磁控濺射、填通孔鍍銅和精細線路加工?，F(xiàn)階段磁控濺射技術(shù)已經(jīng)很成熟，針對不同材料都有對應(yīng)的工藝可供選擇，品質(zhì)可靠。精細線路加工方面，可借助真空 + 雙流體蝕刻機、光刻機等先進設(shè)備，實現(xiàn)難度也不大。在填通孔方面，大功率LED陶瓷基板用的AlN材料厚度一般為380 μm，通孔直徑一般為100 μm，相對于傳統(tǒng)PCB填通孔和半導(dǎo)體填孔，其性能要求特殊，難度較大，品質(zhì)及穩(wěn)定性有待進一步研究和改善，因此下文著重探討填通孔技術(shù)。

2 填通孔技術(shù)

2.1 樹脂塞孔

常見的樹脂塞孔有壓合填孔和樹脂油墨塞孔2種方式。壓合填孔主要應(yīng)用于厚徑比低和孔數(shù)少的內(nèi)層填孔。樹脂油墨塞孔可用于厚徑比高及孔數(shù)較多的填孔，主要應(yīng)用于外層填孔，是當(dāng)前PCB行業(yè)普遍采用的塞孔方式，根據(jù)實施方式不同，可分為絲網(wǎng)印刷塞孔和滾涂塞孔。

2.2 導(dǎo)電膠塞孔

導(dǎo)電膠塞孔主要借助導(dǎo)電膠填充通孔。相對于一些絕緣性填充材料而言，導(dǎo)電膠具有一定的散熱效果，但工藝流程較復(fù)雜。另外，為了滿足基板的表面平整度，需要將多余的導(dǎo)電膠研磨掉。由于需要覆蓋的二次電鍍，因此基板面銅的總厚度增大，蝕刻時線路的微細化將顯著受限。

2.3 電鍍填通孔

樹脂和導(dǎo)電膠塞的散熱通孔是利用含金屬的環(huán)氧基膏體來提高通孔的熱導(dǎo)率，盡管對提高散熱效果有一定的作用，但與純金屬相比，導(dǎo)熱率還是較低，因此在大功率LED基板上的使用受限。而填通孔鍍銅是利用電化學(xué)方法在孔內(nèi)電沉積金屬銅來完全填充散熱通孔。銅的熱傳導(dǎo)率高達360 W/(m·K)，導(dǎo)熱性更好，可靠性更高。另外，電鍍填通孔技術(shù)相對于其他填通孔技術(shù)可以縮短操作流程，節(jié)省人力和物力。

根據(jù)所用電源類型，電鍍填通孔技術(shù)可分為直流電鍍一步法、脈沖電鍍一步法及脈沖電鍍兩步法。

2.3.1 直流電鍍一步法

直流電鍍一步法被視為用銅填充通孔的理想工藝，因為它可最大限度地減少電鍍槽的數(shù)量和縮短電鍍生產(chǎn)線長度。但直流電鍍銅填通孔受基板厚度的限制。對于厚度小于200 μm、直徑為100 μm的基板，搭配專用的設(shè)備和合適的添加劑，使用直流電鍍一步法尚可實現(xiàn)填通孔。但隨著基板厚度的增大，直流電鍍填通孔所需時間大幅延長，且孔內(nèi)空洞現(xiàn)象(見圖2和表1)無法避免，加之大功率LED陶瓷基板的介質(zhì)層厚度以380 μm居多，因此采用直流電鍍一般無法實現(xiàn)完全填充。

圖2 大功率LED陶瓷基板直流電鍍填通孔的示意圖Figure 2 Sketch showing through hole filling on high-powered ceramic-based LEDs by direct-current plating

表1 大功率LED陶瓷基板直流電鍍填通孔的常用配方及填充效果Table 1 Common bath composition for through hole filling on high-power ceramic-based LEDs by direct current plating and its filling effectiveness

2.3.2 脈沖電鍍一步法

在有機添加劑的協(xié)助下采用正反雙向脈沖(PPR)電鍍是填充通孔的有效途徑之一。直流電鍍時僅電流密度可控，而PPR電鍍過程有3個參數(shù)可以獨立控制，分別為脈沖頻率、占空比和電流密度，可更好地控制銅沉積。另外，不同的PPR波形組合在一起可構(gòu)成復(fù)合波形。反向電流的主要作用是對電流密度較大的尖端部位(孔口)所沉積的銅進行反咬蝕，起到拉平的效果。在正向電流的作用下，由于添加劑的輔助作用，銅離子在孔內(nèi)的沉積速率大于在板面的沉積速率，保證了銅離子在孔內(nèi)的順利沉積，從而避免了空洞形成。若結(jié)合使用特殊類型的添加劑，則對板厚380 μm、孔徑100 μm的通孔有較好的填充效果，如圖3和表2所示。

圖3 大功率LED陶瓷基板正反脈沖電鍍一步法填通孔的示意圖Figure 3 Sketch showing through hole filling on high-powered ceramic-based LEDs by pulse-reverse plating

表2 大功率LED陶瓷基板脈沖電鍍一步法填通孔的常用參數(shù)及效果Table 2 Common bath composition for through hole filling on high-powered ceramic-based LEDs by pulse-reverse plating and its filling effectiveness

2.3.3 脈沖電鍍兩步法

陶瓷基板上的通孔通常是激光鉆孔并濺射導(dǎo)電層所得。如圖4所示，先在1個特殊的異步反向脈沖波形下結(jié)合特定的添加劑電鍍銅，在孔中心形成橋接(搭橋)，將1個通孔分割成2個盲孔，再電鍍填盲孔，可獲得很好的填孔效果，空洞現(xiàn)象很少，穩(wěn)定性好。但該法對添加劑和電鍍參數(shù)的控制要求非常嚴格，對設(shè)備和操作人員的要求也很高，其常用參數(shù)和填孔效果見表3。

圖4 大功率LED陶瓷基板脈沖電鍍兩步法填通孔的示意圖Figure 4 Sketch showing through hole filling on high-powered ceramic-based LEDs by two-step pulsed plating

表3 大功率LED陶瓷基板兩步法脈沖電鍍填通孔的常用參數(shù)及效果Table 3 Common bath composition for through hole filling on high-powered ceramic-based LEDs by two-step pulsed plating and its filling effectiveness

3 結(jié)語

大功率LED封裝領(lǐng)域?qū)宓纳嵋笤絹碓礁撸瑸榱私鉀Q高導(dǎo)熱和大功率問題，從成本和應(yīng)用效果看，較可靠的方案是選用AlN陶瓷基板，采用直接鍍銅(DPC)工藝與電鍍填通孔相結(jié)合的技術(shù)。在電鍍填通孔方面，直流電鍍只適用于介質(zhì)層厚度為100 μm左右的通孔；對于介質(zhì)層厚度在380 μm及以上的通孔，采用脈沖電鍍兩步法的填通孔效果較好，更可靠，陶瓷基板表面鍍銅層較薄，適用于做精細線路，但對設(shè)備和添加劑的要求較高。脈沖電鍍一步法對設(shè)備和添加劑的要求較低，也能用于介質(zhì)層厚度為380 μm陶瓷基板的填通孔。