陶瓷散热基板与Metal Core PCB的散热差异分析比较

陶瓷散熱基板與Metal Core PCB的散熱差異分析比較
时间：2010-11-30 浏览1827次【字体：大中小】
前言:
隨著科技日新月異的發展，近年來全球環保的意識抬頭，如何有效開發出節能省電的科技產品已成為現今趨勢。

就led產業而言，慢慢這幾年內成為快速發的新興產業之一，在2010年的中國世博會中可看出LED的技術更是發光異彩，從上游到下游的生產製造，每一環節都是非常重要的角色。

針對LED的發光效率會隨著使用時間的增長與應用的次數增加而持續降低，過高的接面溫度會加速影響其LED發光的色溫品質致衰減，所以接面溫度與LED發光亮度呈現反比的關係。

此外，隨著LED晶粒尺寸的增加與多晶LED封裝設計的發展，LED載板的熱負荷亦倍增，此時除載板材料的散熱能力外，其材料的熱穩定性便左右了LED 產品壽命。

簡單的說，高功率LED產品的載板材料需同時具備高散熱與高耐熱的特性，因此封裝基板的材質就成為關鍵因素。

在傳統LED散熱基板的應用上，Metal Core PCB(MCPCB)與陶瓷散熱基板應用範圍是有所區別的，MCPCB主要使用於系統電路板，陶瓷散熱基板則是應用於LED晶粒基板，然而隨著LED需求的演化，二者逐漸被應用於COB(Chip on board)的製程上，下文將針對此二種材料作進一步討論與比較。

MCPCB:
MCPCB主要是從早期的銅箔印刷式電路板(FR4)慢慢演變而成，MCPCB與FR4之間最大的差異是，MCPCB以金屬為核心技術，採用鋁或銅金屬作為電路板之底材，在基板上附著上一層銅箔或銅板金屬板作線路，用以改善散熱不佳等問題。

MCPCB 的結構圖如圖一所示：
圖一.MCPCB結構圖
因鋁金屬本身具有良好的延展性與熱傳導，結合銅金屬的高熱傳導率，理當有非常良好的導熱/散熱效果，然而，鋁本身為一導體，基於產品特性，鋁基板與銅之間必須利用一絕緣體做絕緣，以避免銅線路與鋁基板上下導通，故MCPCB多採用高分子材料作為絕緣層材料，但絕緣層(Polymer)熱傳導率僅
0.2~0.5W/mK，且有耐熱方面的問題。

因此原本熱傳導率極佳的鋁／銅金屬，在加入Polymer後，形成熱阻，大幅的降低基板整體的熱傳導效率，導致MCPCB 的熱傳導率僅有1W/mK~2.2W/mK。

近期的研究中，將高導電材料覆合於MCPCB之高分子材料中，雖提昇了MCPCB產品的熱傳導率，但其MCPCB整體主軸方向的熱傳導率亦僅能提昇致3~5W/mK左右。

然而，在實際應用上，MCPCB也面臨因衝壓分割時造成因金屬延伸(如圖二所示)，此時因金屬銅層受衝壓變形延伸而導致板邊高分子介電絕緣層變形，如此一來，容易使得LED產品的耐壓特性不穩定(介電高分子變形破壞)。

圖二、MCPCB 沖壓分割示意
陶瓷散熱基板:
近期有許多以陶瓷材料作為高功率LED散熱基板之應用，然而LTCC／HTCC二者因採用厚膜製程備置金屬線路，使得線路精準度不高，加上受限於製程因素，不利於生產小尺寸的產品，因此LTCC／HTCC現階段製程能力並不適合小尺寸高功率產品的需求。

另一方面，DBC亦受限於製程能力，線路解析度僅適合
100~300um，且其量產能力受金屬／陶瓷介面空氣孔洞問題而受限。

在陶瓷基板產品的線路精確度、材料散熱系數、金屬表面平整度、金屬／陶瓷間接合覆著度考量，目前以薄膜微影程製作金屬線的DPC陶瓷基板的應用範疇最廣。

MCPCB&薄陶瓷散熱基板的差異:
目前市場上多數還是以MCPCB為主要，其原因成本低廉、一開始的發光效率佳，但其散熱效果較差，且製程溫度不可超過350℃，故無法應用於高功率LED上，其詳細比較可見表一。

表一、MCPCB&薄陶瓷散熱基板的差異
MCPCB
●其結構為在厚度1.5mm的鋁板上，以厚度為72 μm的Polymer黏合金屬銅(37 μm)。

●為連結鋁/銅金屬並建立一絕緣阻抗，其以
熱導率僅為0.2~0.5W/mK的Polymer黏結，導致MCPCB材料之整體熱導率下降至2~3W/mK。

●此外Polymer材質的存在，亦使基板之熱穩定性不佳，在高溫環境下具有Polymer材質探化，造成短路之風險。

Al2O3 Ceramic ●其結構為在厚度可為
0.35~11.5mm的Al2O3基板上與下表面，備製一厚度在10~70 μm的金屬層(Cu/Ni/Au、Ag、Cu/Au等)。

●以介金屬材料Al2O3基板與金屬層，其材料
傳導效果佳，導熱率為22~27 W/mK。

●Al2O3基板材質之熱穩定性極佳，提供優良
的材料高溫熱穩定性與高絕緣阻抗。

高功率、小尺寸的產品為目前在LED產業所發展的重點，在製作越精細精準度越高之情況下，製程的能力與技術也是相當重要的環節之一。

如何研發出符合市場需求，解決未來產品解決方案，進而發揮出最大的經濟效益並且讓我們的產品更加環保，以符合綠能所需，也是我們著重的課題之一。