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2022-12-19
目前，隨著國內外LED行業向高效率、高密度、大功率等方向發展，開發性能優越的散熱材料已成為解決LED散熱問題的當務之急。一般來說，LED發光效率和使用壽命會隨結溫的增加而下降，當結溫達到125℃以上時，LED甚至會出現失效。為使LED結溫保持在較低溫度下，必須采用高熱導率、低熱阻的散熱基板材料和合理的封裝工藝，以降低LED總體的封裝熱阻。
圖1 LED散熱陶瓷基板
LED散熱基板的作用是吸收芯片產生的熱，并傳導至熱沉上，從而實現與芯片外界的熱交換。因此，作為LED的理想散熱基板必須在物理性質、化學性質、電學性質方面具有以下幾個特性：
(1)良好的化學穩定性和耐腐蝕性。
(2)高的熱導率，熱膨脹系數與芯片材料相匹配。
(3)低的介電常數和介電損耗。
(4)電絕緣性好，并具有很高的機械強度高。
(5)價格低廉、易加工。
(6)密度小、無毒。
現階段常用基板材料有Si、金屬(Al、Cu、W、Mo)及金屬合金材料(Cu/W、Cu/Mo)、陶瓷(Al2O3、AlN、SiC、BN)和復合材料等，它們的熱膨脹系數與熱導率如表1所示。其中Si材料成本高；金屬及金屬合金材料的固有導電性、熱膨脹系數與芯片材料不匹配；陶瓷材料難加工等缺點，均很難同時滿足大功率基板的各種性能要求。
表1 常見大功率LED封裝基板的熱膨脹系數與熱導率
LED散熱基板的分類
環氧樹脂覆銅基板(FR-4)是傳統電子封裝中應用最廣泛的基板。它起到支撐、導電和絕緣三個作用。其主要特性有：成本低、較高的耐吸濕性、密度低、易加工、易實現微細圖形電路、適合大規模生產等。但由于FR-4的基底材料是環氧樹脂，有機材料的熱導率低，耐高溫性差，因此FR-4不能適應高密度、高功率LED封裝要求，一般只用于小功率LED封裝中。
金屬基覆銅基板(MCPCB)是繼FR-4后出現的一種新型基板。它是將銅箔電路及高分子絕緣層通過導熱粘結材料與具有高熱導系數的金屬(Cu、Al)、底座直接粘結制得，如圖2所示。其熱導率約為1.12 W/m·K，相比FR-4有較大的提高。由于MCPCB具有優異的散熱性，它已成為目前大功率LED散熱基板市場上應用最廣泛的產品。但MCPCB也有其固有的缺點：高分子絕緣層的熱導率較低，只有0.3 W/m·K，導致熱量不能很好的從芯片直接傳到金屬底座上；金屬Cu、Al的熱膨脹系數較大，可能造成比較嚴重的熱失配問題。
圖2 金屬基覆銅基板(MCPCB)結構示意圖
金屬基復合基板(MMC)最具代表性的材料是鋁碳化硅(AlSiC)。鋁碳化硅是將SiC陶瓷的低膨脹系數和金屬Al的高導熱率結合在一起的金屬基復合材料，它綜合了兩種材料的優點，具有低密度(2.79g/cm3)、低熱膨脹系數、高熱導率、高剛度等一系列優異特性。AlSiC的熱膨脹系數可以通過改變SiC的含量來加以調試，使其與相鄰材料的熱膨脹系數相匹配，從而將兩者的熱應力減至最小。如圖3是一種以AlSiC做基板的多芯片封裝示意圖。
圖3 一種以AlSiC做基板的多芯片封裝示意圖
陶瓷基板材料常見的主要有Al2O3、AlN、SiC、BN、BeO、Si3N4等，與其他基板材料相比，陶瓷基板在機械性質、電學性質、熱學性質具有以下特點：
(1)機械性能。機械強度，能用作為支持構件；加工性好，尺寸精度高；表面光滑，無微裂紋、彎曲等。
(2)熱學性質。導熱系數大，熱膨脹系數與Si和GaAs等芯片材料相匹配，耐熱性能良好。
(3)電學性質。介電常數低，介電損耗小，絕緣電阻及絕緣破壞電高，在高溫、高濕度條件下性能穩定，可靠性高。
(4)其他性質。化學穩定性好，無吸濕性；耐油、耐化學藥品；無毒、無公害、α射線放出量小；晶體結構穩定，在使用溫度范圍內不易發生變化；原材料資源豐富。
長期以來，Al2O3和BeO陶瓷是大功率封裝兩種主要基板材料。但這兩種基板材料都固有缺點，Al2O3的熱導率低，熱膨脹系數與芯片材料(如Si)不匹配；BeO雖然具有優良的綜合性能，但生產成本較高和有劇毒。因此，從性能、成本和環保等方面考慮，這兩種基板材料均不能作為今后大功率LED器件發展最理想材料。AlN陶瓷具有高熱導率、高強度、高電阻率、密度小、低介電常數、無毒、以及與Si相匹配的熱膨脹系數等優異性能，將逐步取代傳統大功率LED基板材料，成為今后最具發展前途的一種陶瓷基板材料。
氮化鋁陶瓷基板的物理性質
氮化鋁(AlN)是一種人工合成礦物，并非天然存在于大自然中。AlN的晶體結構類型為六方纖鋅礦型，具有密度小(3.26g/cm3)、強度高、耐熱性好（約3060℃分解）、熱導率高、耐腐蝕等優點。
圖4 AlN纖鋅礦型晶體結構示意圖
AlN是一種強共價鍵化合物，其熱傳導機理是晶格振動（即聲子傳熱）。由于Al和N的原了序數小，從本性上決定了AlN具有很高的熱導率，其熱導率理論值可高達319W/m·K。但在實際產品中，由于AlN的晶體結構可能完全均勻分布，并存在很多雜質和缺陷，如圖5所示，使得其熱導率般只有170-230W/m·K。在熱傳導過程中，晶體中的各種缺陷（如點陣畸變、位錯、雜質、氣孔、微裂紋）、晶界、界面、第二相以及聲子本身都會對聲子產生干擾和散射，從而大大降低基板的熱導率。
圖5 影響AlN基板熱導率的各種因素
氮化鋁陶瓷基板金屬化方法
由于AlN基板不具有電導性，因此在用作大功率LED散熱基板之前必須對其表面進行金屬化和圖形化。但AlN與金屬是兩類物理化學性質完全不同的材料，兩者差異表現最為突出的就是形成化合物的成鍵方式不同。AlN是強共價鍵化合物，而金屬一般都表現為金屬鍵化合物，因此與其它化學鍵的化合物相比，在高溫下AlN與金屬的浸潤性較差，實現金屬化難度較高。因此，如何實現AlN基板表面金屬化和圖形化成為大功率LED散熱基板發展的一個至關重要問題。目前使用最廣泛的AlN基板金屬化的方法主要有：(1)機械連接法、(2)厚膜法、(3)活性金屬釬焊法、(4)共燒法、(5)薄膜法、(6)直接覆銅法。
機械連接法
機械連接法的特點是采取合理的結構設計將AlN基板與金屬連接在一起，主要有熱套連接和螺栓連接兩種。機械連接方法具有工藝簡單，可行性好等特點，但它常常會產生應力集中，并且不適用于高溫環境。
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厚膜法
厚膜法是通過絲網印刷在AlN基板表面涂刷一層導體漿料，經燒結形成引線接點及電路。厚膜導體漿料一般由導電金屬粉末（Au、Ag、Cu等，粒度為1-5μm）、玻璃粘結劑和有機載體（包括表面活性劑、有機溶劑和增稠劑等）經混合球磨而成。其中導電金屬粉末決定了漿料成膜后的電學性能和機械性能，玻璃粘結劑的作用是粘結導電金屬粉末與基體材料并決定了兩者之的粘結強度，有機載體作為溶劑將金屬粉末與粘結劑混合在一起。
圖6 厚膜法金屬化AlN基板示意圖
活性金屬釬焊法
活性金屬釬焊法是在普通釬料中加入一些化學性質較為活潑的過渡元素如：Ti、Zr、Al、Nb、V等。一定溫度下，這些活潑元素會與陶瓷基板在界面處發生化學反應，形成反應過渡層，如圖7所示。反應過渡層的主要產物是一些金屬間化合物，并具有與金屬相同的結構，因此可以被熔化的金屬潤濕。
圖7 AlN基板與活性金屬釬料結合界面示意圖
共燒法
共燒法是通過絲網印刷工藝在AlN陶瓷生片表面涂刷一層難熔金屬（Mo、W等）的厚膜漿料，一起脫脂燒成，使導電金屬與AlN陶瓷燒成為一體結構。共燒法根據燒結溫度的高低可分為低溫共燒(LTCC)和高溫共燒(HTCC)兩種方式，低溫共燒基板的燒結溫度一般為800-900℃，而高溫共燒基板的燒結溫度為1600-1900℃。燒結后，為了便于芯片引線鍵合及焊接，還需在金屬陶瓷復合體的金屬位置鍍上一層Sn或Ni等熔點較低的金屬。
薄膜法
薄膜法是通過真空鍍膜技術在AlN基板表面實現金屬化。通常采用的真空鍍膜技術有離子鍍、真空蒸鍍、濺射鍍膜等。但金屬和陶瓷是兩種物理化學性質完全不同的材料，直接在陶瓷基板表面進行金屬化得到的金屬化層的附著力不高，并且陶瓷基板與金屬的熱膨脹系數不匹配，在工作時會受到較大的熱應力。為了提高金屬化層的附著力和減小陶瓷與金屬的熱應力，陶瓷基板一般采用多層金屬結構。
圖8 多層金屬AlN陶瓷基板
直接覆銅法
直接覆銅法(DBC)是一種基于陶瓷基板發展起來的陶瓷表面金屬化方法，基本原理是：在弱氧化環境中，與陶瓷表面連接的金屬銅表面會被氧化形成一層Cu[O]共晶液相，該液相對互相接觸的金屬銅和陶瓷基板表面都具有良好潤濕效果，并在界面處形成CuAlO2等化合物使金屬銅能夠牢固的敖接在陶瓷表面，實現陶瓷表面的金屬化。而AlN基板具有較強的共價鍵，金屬銅直接覆著在其表面的附著力不高，因此必須進行預處理來改善其與Cu的附著力。一般先對其表面進行氧化，生成一層薄Al2O3，通過該氧化層來實現與金屬銅的連接。
圖9 AlN基板直接覆銅工藝
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