LED陶瓷基板

LED陶瓷基板的技术分析与现状

——本资料由·东莞市中实创半导体照明有限公司/ 工程部·整理与撰写——

摘要：

陶瓷基板材料以其优良的导热性和气密性，广泛应用于功率电子、LED封装、多芯片模块等领域。本文简要介绍了目前LED封装陶瓷基板的技术现状与以后的发展。

关键字:LED陶瓷基板 LED产业

（一）前言：

陶瓷基板材料以其优良的导热性和气密性，广泛应用于功率电子、LED封装、多芯片模块等领域。LED散热基板的选择亦随着LED之线路设计、尺寸、发光效率…等条件的不同有设计上的差异，以目前市面上最常见的可区分为：①系统电路板，其主要是作为LED最后将热能传导到大气中、散热鳍片或外壳的散热系统，而列为系统电路板的种类包括：铝基板(MCPCB)、印刷电路板(PCB)以及软式印刷电路板(FPC)；②LED芯片基板，是属于LED芯片与系统电路板两者之间热能导出的媒介，并藉由共晶或覆晶与LED芯片结合。为确保LED的散热稳定与LED芯片的发光效率，近期许多以陶瓷材料作为高功率LED散热基板之应用，其种类主要包含有：低温共烧多层陶瓷(LTCC)、高温共烧多层陶瓷(HTCC)、直接接合铜基板 (DBC)、直接镀铜基板(DPC)四种，以下本文将针对陶瓷LED芯片基板的种类做深入的探讨。

（二）陶瓷基板的定义和性能：

1．定义：陶瓷基板是以电子陶瓷为基的，对膜电路元件及外贴切元件形成一个支撑底座的片状材料。按照陶瓷基片应用领域的不同，又分为HIC（混合集成电路）陶瓷基片、聚焦电位器陶瓷基片、激光加热定影陶瓷基片、片式电阻基片、网络电阻基片等；按加工方式的不同，陶瓷基片分为模压片、激光划线片两大类。

2．陶瓷基板的性能：

（1）机械性质

Ø有足够高的机械强度，除搭载元件外，也能作为支持构件使用；

Ø加工性好，尺寸精度高；容易实现多层化；

Ø表面光滑，无翘曲、弯曲、微裂纹等。

（2）电学性质

Ø绝缘电阻及绝缘破坏电压高；

Ø介电常数低；

Ø介电损耗小；

Ø在温度高、湿度大的条件下性能稳定，确保可靠性。

（3）热学性质

Ø热导率高；

Ø热膨胀系数与相关材料匹配（特别是与Si的热膨胀系数要匹配）；

Ø耐热性优良。

（4）其它性质

Ø化学稳定性好；容易金属化，电路图形与其附着力强；

Ø无吸湿性；耐油、耐化学药品；α射线放出量小；

Ø所采用的物质五公害、无毒性；在使用温度范围内晶体结构不变化；

Ø原材料丰富；技术成熟；制造容易；价格低。

（三）陶瓷基板与金属基板的比较：

LED散热基板主要分为金属基板与陶瓷基板。金属基板以铝或铜为材料，由于技术成熟，且具低成本优势，目前为一般LED产品所采用。而陶瓷基板线路对位精确度高，为业界公认导热与散热

性能极佳材料，是目前高功率LED散热最适方案，虽然成本比金属基板来得高，但照明要求的散热性及稳定性高于笔记本电脑、电视等电子产品，因此，包括Cree、欧司朗、飞利浦及日亚等国际大厂，都使用陶瓷基板作为LED晶粒散热材质。

如今生产上通用的大功率LED散热基板结构如图1所示，其一般为铝质基板：最下层为铝金属层，其厚度约为1.3mm；铝层之上为高分子绝缘层，厚约0.1mm；最上层为铜线路以及焊接电路。虽然铝的导热系数比较高，但是绝缘层导热系数极低，因此绝缘层成为该中结构基板的散热瓶颈，影响整个基板的散热效果；同时由于绝缘层的存在，使得其无法承受高温焊接，从而影响了封装工艺的实施，限制了封装结构的优化，因此不利于LED散热。

由于高分子绝缘材料的导热系数较低，同时耐热性能较差，如果要提高铝金属基板的整体导热性能及耐热性能，需要替换掉绝缘材料，但是绝缘材料的启用，使得同线路无法自傲铝金属基板之上布置，所以目前直接提高铝金属基板的导热系数还无法实现。而陶瓷散热基板，其具有新的导热材料和新的内部结构，以消除铝金属基板所具有的缺陷，从而改善基板的整体散热效果。

表1 为陶瓷散热基板与金属散热基板比较

项目陶瓷基板（氧化铝、氮化铝）金属基板（铝、铜及其合金）热导率W/M·K 20~41 / 150~170 0.15~4.0

绝缘性好差，需表面处理出一层绝缘膜

热稳定性好一般

自身热辐射能力强一般

价格较高不高

应用领域大功率小尺寸LED应用较多小功率大尺寸LED

（四）各种陶瓷材料的比较:

陶瓷材料的种类：Al2O3 ；3Al2O3·2SiO2莫来石；2Al2O3·2MgO·5SiO2堇青石；

MgO·SiO2块滑石；2MgO·SiO2镁橄榄石；AlN；SiC；BeO

①Al2O3：到目前为止，氧化铝基板是LED领域中最常用的基板材料，因为在机械、热、电性能上相对于大多数其他氧化物陶瓷，强度及化学稳定性高，且原料来源丰富，适用于各种各样的技术制造以及不同的形状。

②BeO：具有比金属铝还高的热导率，应用于需要高热导的场合，但温度超过300℃后迅速降低，最重要的是由于其毒性限制了自身的发展。

③AlN：AlN有两个非常重要的性能值：一是高的热导率，二是与Si相匹配的膨胀系数。缺点是即使在表面有非常薄的氧化层也会对热导率产生影响，只有对材料和工艺进行严格控制才能制造出一致性较好的AlN基板。目前大规模的AlN生产技术国内还是不成熟，相对于Al2O3比较，AlN价格相对偏高许多，这个也是制约其发展的瓶颈。

④实际生产和开发应用的陶瓷基片材料还有SiC、BN复相陶瓷、AZ氧化锆陶瓷和玻璃陶瓷等。其中，BeO和SiC热导率很高（250W/m.K），SiC因体积电阻较小（＜1013W·cm）、介电常数较大（40）、介电损耗较高（50），不利于信号的传输，且成型工艺复杂、设备