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窒化アルミ、最も理想的な基板材料

2022-12-19

目前，隨著國內(nèi)外LED行業(yè)向高效率、高密度、大功率等方向發(fā)展，開發(fā)性能優(yōu)越的散熱材料已成為解決LED散熱問題的當(dāng)務(wù)之急。一般來說，LED發(fā)光效率和使用壽命會(huì)隨結(jié)溫的增加而下降，當(dāng)結(jié)溫達(dá)到125℃以上時(shí)，LED甚至?xí)霈F(xiàn)失效。為使LED結(jié)溫保持在較低溫度下，必須采用高熱導(dǎo)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(chǎn)生的熱，并傳導(dǎo)至熱沉上，從而實(shí)現(xiàn)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(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)方面具有以下幾個(gè)特性：


(1)良好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性。

(2)高的熱導(dǎo)率，熱膨脹系數(shù)與芯片材料相匹配。

(3)低的介電常數(shù)和介電損耗。

(4)電絕緣性好，并具有很高的機(jī)械強(qiáng)度高。

(5)價(jià)格低廉、易加工。

(6)密度小、無毒。

現(xiàn)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(fù)合材料等，它們的熱膨脹系數(shù)與熱導(dǎo)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(dǎo)電性、熱膨脹系數(shù)與芯片材料不匹配；陶瓷材料難加工等缺點(diǎn)，均很難同時(shí)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(shù)與熱導(dǎo)率


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LED散熱基板的分類

功率型LED封裝技術(shù)發(fā)展至今，可供選用的散熱基板主要有環(huán)氧樹脂覆銅基板(FR-4)、金屬基覆銅基板(MCPCB)、金屬基復(fù)合基板(MMC)、陶瓷覆銅基板等。

環(huán)氧樹脂覆銅基板(FR-4)是傳統(tǒng)電子封裝中應(yīng)用最廣泛的基板。它起到支撐、導(dǎo)電和絕緣三個(gè)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(shí)現(xiàn)微細(xì)圖形電路、適合大規(guī)模生產(chǎn)等。但由于FR-4的基底材料是環(huán)氧樹脂，有機(jī)材料的熱導(dǎo)率低，耐高溫性差，因此FR-4不能適應(yīng)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(xiàn)的一種新型基板。它是將銅箔電路及高分子絕緣層通過導(dǎo)熱粘結(jié)材料與具有高熱導(dǎo)系數(shù)的金屬(Cu、Al)、底座直接粘結(jié)制得，如圖2所示。其熱導(dǎo)率約為1.12 W/m·K，相比FR-4有較大的提高。由于MCPCB具有優(yōu)異的散熱性，它已成為目前大功率LED散熱基板市場上應(yīng)用最廣泛的產(chǎn)品。但MCPCB也有其固有的缺點(diǎn)：高分子絕緣層的熱導(dǎo)率較低，只有0.3 W/m·K，導(dǎo)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(shù)較大，可能造成比較嚴(yán)重的熱失配問題。

圖2 金屬基覆銅基板(MCPCB)結(jié)構(gòu)示意圖

金屬基復(fù)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(shù)和金屬Al的高導(dǎo)熱率結(jié)合在一起的金屬基復(fù)合材料，它綜合了兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，具有低密度(2.79g/cm3)、低熱膨脹系數(shù)、高熱導(dǎo)率、高剛度等一系列優(yōu)異特性。AlSiC的熱膨脹系數(shù)可以通過改變SiC的含量來加以調(diào)試，使其與相鄰材料的熱膨脹系數(shù)相匹配，從而將兩者的熱應(yīng)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(jī)械性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)具有以下特點(diǎn)：


(1)機(jī)械性能。機(jī)械強(qiáng)度，能用作為支持構(gòu)件；加工性好，尺寸精度高；表面光滑，無微裂紋、彎曲等。

(2)熱學(xué)性質(zhì)。導(dǎo)熱系數(shù)大，熱膨脹系數(shù)與Si和GaAs等芯片材料相匹配，耐熱性能良好。

(3)電學(xué)性質(zhì)。介電常數(shù)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(wěn)定，可靠性高。

(4)其他性質(zhì)。化學(xué)穩(wěn)定性好，無吸濕性；耐油、耐化學(xué)藥品；無毒、無公害、α射線放出量小；晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在使用溫度范圍內(nèi)不易發(fā)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(diǎn)，Al2O3的熱導(dǎo)率低，熱膨脹系數(shù)與芯片材料(如Si)不匹配；BeO雖然具有優(yōu)良的綜合性能，但生產(chǎn)成本較高和有劇毒。因此，從性能、成本和環(huán)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(fā)展最理想材料。AlN陶瓷具有高熱導(dǎo)率、高強(qiáng)度、高電阻率、密度小、低介電常數(shù)、無毒、以及與Si相匹配的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)異性能，將逐步取代傳統(tǒng)大功率LED基板材料，成為今后最具發(fā)展前途的一種陶瓷基板材料。


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氮化鋁陶瓷基板的物理性質(zhì)

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(jié)構(gòu)類型為六方纖鋅礦型，具有密度小(3.26g/cm3)、強(qiáng)度高、耐熱性好（約3060℃分解）、熱導(dǎo)率高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。


圖4 AlN纖鋅礦型晶體結(jié)構(gòu)示意圖

AlN是一種強(qiáng)共價(jià)鍵化合物，其熱傳導(dǎo)機(jī)理是晶格振動(dòng)（即聲子傳熱）。由于Al和N的原了序數(shù)小，從本性上決定了AlN具有很高的熱導(dǎo)率，其熱導(dǎo)率理論值可高達(dá)319W/m·K。但在實(shí)際產(chǎn)品中，由于AlN的晶體結(jié)構(gòu)可能完全均勻分布，并存在很多雜質(zhì)和缺陷，如圖5所示，使得其熱導(dǎo)率般只有170-230W/m·K。在熱傳導(dǎo)過程中，晶體中的各種缺陷（如點(diǎn)陣畸變、位錯(cuò)、雜質(zhì)、氣孔、微裂紋）、晶界、界面、第二相以及聲子本身都會(huì)對(duì)聲子產(chǎn)生干擾和散射，從而大大降低基板的熱導(dǎo)率。


圖5 影響AlN基板熱導(dǎo)率的各種因素


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氮化鋁陶瓷基板金屬化方法

由于AlN基板不具有電導(dǎo)性，因此在用作大功率LED散熱基板之前必須對(duì)其表面進(jìn)行金屬化和圖形化。但AlN與金屬是兩類物理化學(xué)性質(zhì)完全不同的材料，兩者差異表現(xiàn)最為突出的就是形成化合物的成鍵方式不同。AlN是強(qiáng)共價(jià)鍵化合物，而金屬一般都表現(xiàn)為金屬鍵化合物，因此與其它化學(xué)鍵的化合物相比，在高溫下AlN與金屬的浸潤性較差，實(shí)現(xiàn)金屬化難度較高。因此，如何實(shí)現(xiàn)AlN基板表面金屬化和圖形化成為大功率LED散熱基板發(fā)展的一個(gè)至關(guān)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(jī)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。

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機(jī)械連接法

機(jī)械連接法的特點(diǎn)是采取合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)械連接方法具有工藝簡單，可行性好等特點(diǎn)，但它常常會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，并且不適用于高溫環(huán)境。

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厚膜法

厚膜法是通過絲網(wǎng)印刷在AlN基板表面涂刷一層導(dǎo)體漿料，經(jīng)燒結(jié)形成引線接點(diǎn)及電路。厚膜導(dǎo)體漿料一般由導(dǎo)電金屬粉末（Au、Ag、Cu等，粒度為1-5μm）、玻璃粘結(jié)劑和有機(jī)載體（包括表面活性劑、有機(jī)溶劑和增稠劑等）經(jīng)混合球磨而成。其中導(dǎo)電金屬粉末決定了漿料成膜后的電學(xué)性能和機(jī)械性能，玻璃粘結(jié)劑的作用是粘結(jié)導(dǎo)電金屬粉末與基體材料并決定了兩者之的粘結(jié)強(qiáng)度，有機(jī)載體作為溶劑將金屬粉末與粘結(jié)劑混合在一起。


圖6 厚膜法金屬化AlN基板示意圖

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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(xué)性質(zhì)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(huì)與陶瓷基板在界面處發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成反應(yīng)過渡層，如圖7所示。反應(yīng)過渡層的主要產(chǎn)物是一些金屬間化合物，并具有與金屬相同的結(jié)構(gòu)，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(jié)合界面示意圖

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共燒法

共燒法是通過絲網(wǎng)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(dǎo)電金屬與AlN陶瓷燒成為一體結(jié)構(gòu)。共燒法根據(jù)燒結(jié)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(jié)溫度一般為800-900℃，而高溫共燒基板的燒結(jié)溫度為1600-1900℃。燒結(jié)后，為了便于芯片引線鍵合及焊接，還需在金屬陶瓷復(fù)合體的金屬位置鍍上一層Sn或Ni等熔點(diǎn)較低的金屬。

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薄膜法

薄膜法是通過真空鍍膜技術(shù)在AlN基板表面實(shí)現(xiàn)金屬化。通常采用的真空鍍膜技術(shù)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(xué)性質(zhì)完全不同的材料，直接在陶瓷基板表面進(jìn)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(shù)不匹配，在工作時(shí)會(huì)受到較大的熱應(yīng)力。為了提高金屬化層的附著力和減小陶瓷與金屬的熱應(yīng)力，陶瓷基板一般采用多層金屬結(jié)構(gòu)。


圖8 多層金屬AlN陶瓷基板

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直接覆銅法

直接覆銅法(DBC)是一種基于陶瓷基板發(fā)展起來的陶瓷表面金屬化方法，基本原理是：在弱氧化環(huán)境中，與陶瓷表面連接的金屬銅表面會(huì)被氧化形成一層Cu[O]共晶液相，該液相對(duì)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(shí)現(xiàn)陶瓷表面的金屬化。而AlN基板具有較強(qiáng)的共價(jià)鍵，金屬銅直接覆著在其表面的附著力不高，因此必須進(jìn)行預(yù)處理來改善其與Cu的附著力。一般先對(duì)其表面進(jìn)行氧化，生成一層薄Al2O3，通過該氧化層來實(shí)現(xiàn)與金屬銅的連接。


圖9 AlN基板直接覆銅工藝