陶瓷微散熱器封裝基板關(guān)鍵制作技術(shù)探討

李保忠 張軍杰

(樂(lè)健科技珠海有限公司， 廣東 珠海 519180)

陶瓷微散熱器封裝基板關(guān)鍵制作技術(shù)探討

李保忠 張軍杰

(樂(lè)健科技珠海有限公司， 廣東 珠海 519180)

將陶瓷微散熱器嵌入BT基板內(nèi)形成陶瓷微散熱器封裝基板,從AlN陶瓷PVD鍍銅、AlN陶瓷切割、壓合、磨板、鉆孔、除膠及電鍍等幾個(gè)方面對(duì)陶瓷微散熱器封裝基板的關(guān)鍵制作技術(shù)進(jìn)行介紹，以期有效解決陶瓷微散熱器封裝基板生產(chǎn)過(guò)程中易出現(xiàn)的層偏、缺膠、空洞、開(kāi)短路等一系列品質(zhì)問(wèn)題。

LED；陶瓷；散熱；封裝基板

0 引言

LED照明被稱(chēng)為第四代照明光源，具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、體積小等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于各種指示燈、顯示屏、裝飾照明、背光源、普通照明等領(lǐng)域。隨著LED芯片輸入功率的不斷提高，大耗散功率帶來(lái)的大發(fā)熱量給LED封裝材料提出了更新、更高的要求。在LED散熱通道中，封裝基板是連接內(nèi)外散熱通路的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，兼有散熱通道、電路連接和對(duì)芯片進(jìn)行物理支撐的功能，要求其具有高電絕緣性、高導(dǎo)熱性、與芯片匹配的熱膨脹系數(shù)等特性。

從LED封裝技術(shù)伊始至今，LED封裝從PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier)結(jié)構(gòu)演變?yōu)楝F(xiàn)在的QFN(Quad Flat No-Lead Package)結(jié)構(gòu)，封裝器件尺寸日趨緊湊化。針對(duì)LED 應(yīng)用市場(chǎng)的需求量增長(zhǎng)，相應(yīng)的LED 封裝市場(chǎng)增速也隨之加快，尤其是SMD 和大功率LED 封裝增長(zhǎng)更為迅速，也逐漸成為L(zhǎng)ED封裝市場(chǎng)的主流趨勢(shì)。在LED 封裝市場(chǎng)產(chǎn)品中，LED表面貼裝式封裝支架大約占到40%的市場(chǎng)份額，其余60%則是引腳式。但從整個(gè)行業(yè)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，引腳式將在未來(lái)幾年逐漸被表面貼裝式取代[1-2]。

1 陶瓷微散熱器封裝基板結(jié)構(gòu)

隨著LED芯片輸入功率的不斷提高，其對(duì)封裝基板高散熱性、高精密線路的要求，已經(jīng)成為市場(chǎng)的顯著趨勢(shì)。因ALN陶瓷材料具有170-220 W/m.K 的高導(dǎo)熱率及其高電絕緣特性，故ALN陶瓷是此種芯片封裝材料的首選[3]。

但我們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)，ALN 封裝基板中真正起到散熱作用的面積只占其整板面積的60%左右，其余約40%的面積只是起到支撐正負(fù)極的作用。因此，著眼于開(kāi)發(fā)替代ALN 封裝基板中只是起到支撐正負(fù)極作用的面積，將具有高導(dǎo)熱性能的AlN陶瓷微散熱器嵌入BT基板材料中作為L(zhǎng)ED芯片的散熱通道，得到如下圖1所示的陶瓷微散熱器封裝基板[4]。這種封裝基板較全陶瓷的AlN陶瓷基板有30%以上的綜合成本優(yōu)勢(shì)。

圖1 陶瓷微散熱器封裝基板切片圖

陶瓷微散熱器封裝基板的制作方法大致是先將BT板和PP片指定位置鑼空，BT板和PP片疊合后將由預(yù)先金屬化的陶瓷切割而成的微散熱器嵌入鑼空位，壓合，PP片固化后實(shí)現(xiàn)陶瓷微散熱器和BT材料的接合，然后形成面銅層，并利用圖形轉(zhuǎn)移完成基板表面的圖形制作。

2 生產(chǎn)過(guò)程制作關(guān)鍵控制點(diǎn)

2.1 ALN陶瓷板PVD鍍銅

通過(guò)PVD濺射技術(shù)在ALN 陶瓷板上進(jìn)行Ti/Cu 濺射形成1μm厚度的種子層后，再進(jìn)行電鍍加厚銅。PVD 濺射Ti的原理如下圖2所示:

電子在高電場(chǎng)下發(fā)生躍遷，帶著高能量和速度轟擊Ti靶，經(jīng)能量傳遞Ti靶上的某些原子獲得指向靶表面外的動(dòng)量以及足夠的能量逸出靶面成為濺射原子，從而在濺射到ALN基材表面。

2.2 ALN切割及嵌入封裝基板中

如下圖3所示，首先對(duì)ALN陶瓷板表面的覆銅做線路，將需要切割位置的銅箔蝕刻掉，再采用砂輪切割的方法將ALN陶瓷板切成封裝用的微散熱器，然后用鑷子將微散熱器放入事先鑼好的BT封裝面板窗口中去，保證平整度，雙面用耐高溫PI膜貼緊壓實(shí)，防止ALN微散熱器掉落或移位。

圖2 PVD鍍鈦原理圖示

圖3 ALN切割及嵌入封裝基板中示意圖

2.3 壓合過(guò)程控制

(1)壓合輔助物料選擇及排板方法

為改善壓合時(shí)的填膠均勻性及平衡板厚，壓力均勻性控制和輔助材料的緩沖能力很重要。參見(jiàn)下圖4，排板時(shí)采用熔鉚結(jié)合技術(shù)壓合，同時(shí)層間采用高膨脹鋼板(此種鋼板的膨脹系數(shù)與銅箔的熱膨脹系數(shù)相同，保證漲縮一致性)和特殊緩沖材料(美國(guó)A公司推出的兩種新型材料)作為緩沖層，緩沖壓力，并在墊鋼層間加新牛皮紙防滑。

(2) 壓合參數(shù)控制及程序優(yōu)化

壓合程序需要從轉(zhuǎn)壓時(shí)間、轉(zhuǎn)高壓溫度、升溫速率等幾個(gè)方面來(lái)綜合調(diào)整，下表1為三種壓合程序通過(guò)測(cè)實(shí)際料溫而得到的參數(shù)。

表1 不同壓合程序各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比

圖4 支架封裝PCB排板示意圖

如下圖5所示，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，壓合參數(shù)三為最優(yōu)參數(shù)，能使樹(shù)脂的粘度曲線比較平緩，溢膠量少，可以使PP膠有效的填充層間空隙，進(jìn)而控制板厚的均勻性。附圖為我司熱媒油A壓機(jī)的程序曲線圖，顯示3條線，一條為壓板時(shí)根據(jù)材料性能所設(shè)定的壓力；一條為BT材料實(shí)際壓合過(guò)程中溫度曲線(實(shí)際材料溫度)，一條為BT材料壓合過(guò)程中不同壓力和溫度下的時(shí)間曲線(實(shí)際材料變化過(guò)程時(shí)間)。

圖5 封裝基板壓合程序和料溫曲線圖

2.4 砂帶研磨制作

磨板時(shí)板材會(huì)不同程度的拉伸，如果磨板方法不正確會(huì)導(dǎo)致板變化無(wú)規(guī)律可循，給鉆孔及圖形對(duì)位帶來(lái)很大麻煩，故砂帶磨板時(shí)需控制磨板的方向與次數(shù)，保證面向與邊向交錯(cuò)進(jìn)行。

如下圖6所示，需要保證ALN微散熱器上面的殘膠磨干凈，滿足平整度和銅厚要求，其中位于ALN與BT之間的樹(shù)脂上的銅厚必須≥35um。

2.5 鉆孔及除膠制作

(1)鉆孔制作

封裝材料為BT樹(shù)脂，填料多，板料具有硬、脆等缺點(diǎn)，在加工性能上與FR4有所不同，如參數(shù)控制不當(dāng)，易造成斷針、孔粗、釘頭、孔粗等不良，影響孔壁質(zhì)量。因此鉆孔時(shí)需要采用全新鉆針、高密胺墊板、鉆孔參數(shù)適當(dāng)降慢，使chiplod控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)；鉆孔方法選用金剛石涂層的刀具，采用蓋板、墊板使用酚醛材料；孔限設(shè)置為100孔，以避免基體材料疲勞破壞導(dǎo)致斷刀[5]。

圖6 壓合研磨后示意圖

(2)除膠方法

因封裝材料為BT樹(shù)脂，不同于普通FR4材料的環(huán)氧樹(shù)脂，必須采用一次Plasma(等離子)除膠加一次化學(xué)除膠過(guò)程(正常情況下控制除鉆污速率在0.3 mg/cm2～ 0.6 mg/cm2)，才能保證除膠效果。

2.6 電鍍制作

因LED封裝基板后續(xù)采用芯片級(jí)封裝，同時(shí)又要保證良好的散熱效果，故通孔必須采用填平制作，行業(yè)PCB廠通常用的為直流電鍍，想要把通孔填平非常困難。本文采用脈沖電鍍，周期反向脈沖電鍍(Periodic Pulse Reverse Plating)與有機(jī)添加劑協(xié)同作用可以實(shí)現(xiàn)通孔的電鍍填孔。對(duì)于水平電鍍填孔線，采用涂覆鈦不溶解的陽(yáng)極材料[6]。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)陶瓷微散熱器封裝基板生產(chǎn)中的一些關(guān)鍵工序，如ALN陶瓷板PVD鍍銅與切割、ALN微散熱器嵌入、壓合、鉆孔、除膠、電鍍、研磨等各方面進(jìn)行重點(diǎn)講解，從而突破了其生產(chǎn)過(guò)程的技術(shù)難點(diǎn)，有效解決了陶瓷微散熱器封裝基板生產(chǎn)過(guò)程中易出現(xiàn)的層偏、缺膠、空洞、開(kāi)短路等一系列品質(zhì)問(wèn)題。

以上為我公司在陶瓷微散熱器封裝基板制作過(guò)程一些經(jīng)驗(yàn)，希望能起到拋磚引玉的作用，給同行能提供幫助。

[1]王多笑,李佳.大功率LED散熱封裝技術(shù)研究[J].2008年中國(guó)電子學(xué)會(huì)第十五屆電子元件學(xué)術(shù)年會(huì),2007,6(2):141-150.

[2]李華平,柴廣躍,彭文達(dá),等.大功率LED的封裝及其散熱基板研究[J].半導(dǎo)體光電,2007,28(1).

[3]張樓英,李朝林.LED封裝中的散熱研究[J].電子與封裝,2009,9(5):1-4.

[4]石功奇,王健,丁培道.陶瓷基片材料的研究現(xiàn)狀[J].功能材料,1994,24(2):176-180.

[5]馮立明.電鍍工藝與設(shè)備[M].北京:化學(xué)工藝出版社,2005.

[6]林金堵，等.印制電路信息[J].2008,12.

Deepexploration of key manufacturing technology for packaging substrate with micro ceramic-radiator

Li Baozhong Zhang JunJie

Packaging substrate with a micro ceramic-radiator is formed by implanting the micro ceramic-radiator into a BT substrate.The key manufacturing technologies of the packaging substrate with micro ceramic-radiator,such as copper coating on the AlN ceramic by PVD,cutting of the AlN ceramic,lamination,plate grinding,drilling,and electroplating are introduced to work out common quality defects such as layer deviation,prepreg inefficiency,void and Open-Short.

LED; ceramic; heat radiating; packaging substrate

李保忠，本科,現(xiàn)任樂(lè)健科技(珠海)有限公司技術(shù)中心高級(jí)經(jīng)理。