LED封裝基板研究新進(jìn)展

陳畢達(dá)，甘貴生,2,3

（1. 華中科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074；2. 重慶理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400054；3. 重慶特種焊接材料與技術(shù)高校工程技術(shù)研究中心，重慶 400054）

LED封裝基板研究新進(jìn)展

陳畢達(dá)1，甘貴生1,2,3

（1. 華中科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074；2. 重慶理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400054；3. 重慶特種焊接材料與技術(shù)高校工程技術(shù)研究中心，重慶 400054）

基板散熱是LED散熱的最主要途徑，其散熱能力直接影響到LED器件的性能和可靠性。總結(jié)了LED封裝基板材料的性能，綜述了金屬基板、陶瓷基板、硅基板和新型復(fù)合材料基板的研究進(jìn)展，展望了功率型LED封裝基板的應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)。綜合表明，MCPCB, DBC, DAB, DPC等基板各具優(yōu)勢(shì)，但DPC基板各種制備工藝參數(shù)合適，特別是鋁碳化硅基板(Al/SiC)有著低原料成本、高導(dǎo)熱、低密度和良好可塑性的顯著優(yōu)勢(shì)，有望大面積推廣應(yīng)用。

功率LED；封裝基板；散熱；制備

近年來(lái)，LED(Light emitting diode)以其壽命長(zhǎng)、節(jié)能環(huán)保、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)而逐漸成為新一代的發(fā)光光源[1]。白熾燈相對(duì)于 LED燈，在耗能方面缺點(diǎn)過(guò)于明顯，大部分白熾燈會(huì)把90%的能量轉(zhuǎn)化成熱能而耗散掉，只有低于10%的能量會(huì)轉(zhuǎn)換為可見光，因此在全球節(jié)能減排的大形勢(shì)下，國(guó)家發(fā)改委已經(jīng)宣布從2016年10月1日起，功率在15 W及其以上的普通照明用白熾燈將會(huì)被禁止銷售和進(jìn)口。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，大功率 LED的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛[2]。同時(shí)隨著 LED功率的增大，其散熱問(wèn)題也變得越發(fā)突出。通常情況下，隨著 LED結(jié)溫的升高，LED器件的光效和使用壽命均會(huì)下降，而當(dāng)結(jié)溫超過(guò)125 ℃時(shí)，LED甚至?xí)霈F(xiàn)失效。由于技術(shù)條件的限制，現(xiàn)階段 LED的發(fā)光轉(zhuǎn)換效率僅為20%～30%左右，余下的能量大部分都轉(zhuǎn)換為熱能而被耗散掉[3]。對(duì)大功率 LED來(lái)說(shuō)，這些熱量如果聚集在芯片內(nèi)部而不及時(shí)導(dǎo)出，則會(huì)使 LED發(fā)光效率降低，更嚴(yán)重的還會(huì)影響 LED的壽命[4]，因此，基板散熱作為L(zhǎng)ED芯片散熱的最重要途徑，是目前LED封裝系統(tǒng)中的關(guān)鍵，低熱阻、高導(dǎo)熱等性能優(yōu)良的散熱基板的研發(fā)將顯得尤為重要。

1 LED封裝基板材料

散熱基板，特別是大功率 LED的散熱基板，其主要作用是吸收 LED芯片所產(chǎn)生的熱量并且與外界進(jìn)行熱量交換，故采用大功率 LED散熱基板材料時(shí)必須考慮到以下性能：熱導(dǎo)率高、穩(wěn)定性高、絕緣性能優(yōu)異以及很好的匹配芯片的熱膨脹系數(shù)的能力[5]。對(duì)于大功率LED，封裝基板材料的選擇將直接影響芯片的散熱能力，進(jìn)而影響整個(gè) LED的穩(wěn)定性和可靠性。如若材料選擇不當(dāng)，則會(huì)直接導(dǎo)致 LED失效加速，進(jìn)而影響其使用壽命，因此選擇合適的基板材料顯得尤為重要?，F(xiàn)階段使用最多的基板材料為樹脂、金屬（鋁銅等）、硅、陶瓷和復(fù)合結(jié)構(gòu)材料等[6—7]。

早期的 LED往往采用引線框架式結(jié)構(gòu)，大多數(shù)由支架、芯片、反光杯、金線和環(huán)氧樹脂透鏡組成。這種結(jié)構(gòu)主要靠金屬支架散熱，周圍封裝所采用的樹脂散熱能力較差。環(huán)氧樹脂覆銅基板(FR-4)是傳統(tǒng)電子封裝中應(yīng)用和使用最廣泛的基板，通常會(huì)作為印刷電路板(PCB)的主材料，但是其熱導(dǎo)率(0.2～0.3 W/(m·K))較低，耐熱性能差，僅適用于小功率或者集成度很低的LED器件封裝。Angie Fan等人通過(guò)在環(huán)氧基板上電鍍銅通孔的方式，極大程度地增加了PCB板的散熱性能，為制得可用于大功率的 PCB板提供了方向[8]。

隨著制備技術(shù)的不斷發(fā)展，兩種新型材料 EMC和 SMC被逐漸引入到 LED封裝中。環(huán)氧塑封料(epoxy molding compound)主要以環(huán)氧樹脂為基體，加入導(dǎo)熱系數(shù)高的硅微粉和多種助焊劑混合而成的粉狀塑料[9]。SMC(silicon Molding Compound)則主要由不飽和樹脂、玻璃纖維、無(wú)機(jī)填料和其他類型填充劑組成。這兩種材料改性后熱導(dǎo)率可以達(dá)到 4～7 W/(m·K)，但是，其固化成型后硬度通常過(guò)高，易產(chǎn)生裂紋和毛刺，不利于后續(xù)加工，要進(jìn)行推廣普及有一定的難度。

半導(dǎo)體硅材料是使用最早的基板材料，具有熱導(dǎo)率高、成本低、與 LED芯片熱失配小、易于加工切割等特點(diǎn)，可以作為大功率LED的散熱基板材料[10]，但是，使用硅作為基板材料，仍存在材料脆性大、絕緣性不良等缺點(diǎn)，并且導(dǎo)電通孔的技術(shù)不成熟，故硅基板的推廣受到一定的限制[11]。

金屬基板使用的材料通常是鋁和銅，并且將其壓合到 PCB板上，形成三層結(jié)構(gòu)，即得到了所謂的金屬核印刷電路板(MCPCB)。Al和Cu的力學(xué)性能優(yōu)良，熱導(dǎo)率高，并且易于加工，很適合作為金屬基板的材料。由于使用了環(huán)氧樹脂作為填充物，使其熱導(dǎo)率通常較低，且鋁和銅的熱膨脹系數(shù)與芯片不匹配，極易使芯片開裂[10]。

陶瓷具有絕緣性好、強(qiáng)度較高、熱膨脹系數(shù)小和導(dǎo)熱性好等優(yōu)點(diǎn)，很適合作為大功率 LED封裝基板材料。陶瓷基板材料通常有 Al2O3, AlN, BeO, SiC,Si3N4等，其中Al2O3陶瓷使用最廣，但其熱導(dǎo)率只有24 W/(m·K)，相比于其他陶瓷基板通常較低，因此Al2O3陶瓷的發(fā)展便受到了限制。相比于Al2O3，AlN基板的絕緣性能更好，熱導(dǎo)率更高（理論上可達(dá)320 W/(m·K)），耐高溫和腐蝕，并且其熱膨脹系數(shù)與硅更加匹配，這些優(yōu)異的性能使 AlN陶瓷被一致看好作為大功率LED封裝基板[12—13]。BeO陶瓷因其具有高熱導(dǎo)率、高強(qiáng)度和絕緣性等特性，在很多領(lǐng)域都受到重視和應(yīng)用，但是 BeO有劇毒，其通常只用于軍用。SiC陶瓷用作大功率LED封裝基板，各項(xiàng)性能都比較合適，但是由于其燒結(jié)溫度過(guò)高，高達(dá)2000 ℃以上，使其制備成本明顯增加，限制了SiC陶瓷的進(jìn)一步發(fā)展。Si3N4陶瓷為共價(jià)化合物，其熱膨脹系數(shù)低、熱導(dǎo)率高，并且耐熱疲勞性能良好，很適合用作高導(dǎo)熱高強(qiáng)度的陶瓷基板材料。

復(fù)合材料基板采用多種材料混合，制成工藝往往較復(fù)雜，并且工藝并不是很成熟。雖然可以將不同復(fù)合材料相結(jié)合，但是實(shí)現(xiàn)過(guò)程通常較困難，推廣有一定的難處。常用基板材料的性能參數(shù)見表1。

2 LED封裝基板研究進(jìn)展

2.1 金屬芯印刷電路板

金屬芯印刷電路板(MCPCB, metal core printed circuit board)是在原有的PCB（印刷電路板）基礎(chǔ)上，將熱導(dǎo)率較高的金屬（如鋁、銅等）壓合到 PCB上而得到的。MCPCB由金屬層、絕緣層和線路層構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)見圖1。

表1 常用基板材料性能[10]Tab.1 Properties of common substrate materials

MCPCB首先是美國(guó)Wesern Electric公司在1963年研發(fā)得到，之后各大公司相繼開始研究開發(fā)。相比于普通的印刷電路板(PCB)，金屬芯印刷電路板的熱導(dǎo)率較高，散熱性能更好，且特別適合用于表面貼裝工藝(SMT)。根據(jù)使用金屬基材的不同，金屬芯印刷電路板分為銅基 MCPCB、鋁基 MCPCB和鐵基MCPCB，而LED散熱中使用得較多的是鋁基MCPCB。鋁本身作為導(dǎo)體，金屬芯鋁基板與銅之間必須做絕緣，以防止銅線路與金屬芯鋁基板間發(fā)生短路，故MCPCB的絕緣層多采用高分子絕緣材料。高分子絕緣層(Polymer)熱傳導(dǎo)率通常為 0.2～0.5 W/(m·K)，加入后基板熱阻會(huì)增加，基板的整體熱阻會(huì)顯著增大，進(jìn)而使得MCPCB的熱傳導(dǎo)率僅有1～2.2 W/(m·K)。同時(shí)，MCPCB中加入的絕緣層耐熱性能較差，故MCPCB的工作溫度較低，無(wú)法用于較高溫度，限制了其進(jìn)一步發(fā)展。基于此，美國(guó)Thermastrate公司使用高溫陶瓷作為MCPCB的絕緣層，極大提高了基板的導(dǎo)熱性能。OSRAM公司推出的“Golden Dragon”系列 LED則將芯片焊接在銅合金熱擴(kuò)散層上，之后再焊接在鋁芯MCPCB上，其熱導(dǎo)率可達(dá)1.3 W/(m·K)[14]。臺(tái)灣科技公司采用類鉆碳材料 DLC（diamond like carbon，熱導(dǎo)率為475 W/(m·K)）取代絕緣層，應(yīng)用于MCPCB的制作，制得的MCPCB的熱導(dǎo)率也提高不少。也有學(xué)者研究出在金屬鋁表面通過(guò)陽(yáng)極氧化、微弧氧化等方式生長(zhǎng)氧化鋁膜作為絕緣層，然后制作電路層，通過(guò)此技術(shù)得到的基板熱導(dǎo)率可達(dá) 10～20 W/(m·K)，耐熱性好[15]。

Wang[16]等人研究出高性能的 MCPCB板(Super MCPCB)，其集成的金屬柱位于LED器件正下方，能有效的散熱，熱阻降低明顯，導(dǎo)熱性能更好，其結(jié)構(gòu)見圖 2。Anithambigai[17]等人研究發(fā)現(xiàn)鋁基 MCPCB的散熱性能優(yōu)于銅基MCPCB，且MCPCB的襯底金屬層厚度越大，則熱阻越低。Juntunen[18]等人為了提高大功率多芯片LED模塊的散熱性能，采用銅通孔來(lái)制備金屬芯印刷電路板，此電路板相比于相同布局的氧化鋁模塊熱阻降低了55%，有較好的散熱性能。

圖1 金屬芯基板結(jié)構(gòu)[10]Fig.1 Structure of MCPCB substrate

圖2 兩種基板示意圖對(duì)比[16]Fig.2 Comparison of two substrates

2.2 共燒陶瓷基板

共燒陶瓷基板分為低溫共燒陶瓷基板(LTCC,low-temperature co-fired ceramic)和高溫共燒陶瓷基板(HTCC, high-temperature co-fired ceramic)。低溫共燒陶瓷基板最早由美國(guó)研發(fā)得到，開始是應(yīng)用于航空和軍用電子設(shè)備中，后來(lái)陸續(xù)被歐洲和日本的公司相繼引進(jìn)，逐漸引入到車用市場(chǎng)和通訊產(chǎn)業(yè)中。LTCC制備工藝流程主要有混料、流延、沖孔、絲網(wǎng)印刷、疊片、后續(xù)檢測(cè)等工藝，其燒結(jié)溫度相對(duì)于高溫共燒陶瓷基板來(lái)說(shuō)更低[19]。低溫共燒陶瓷由于采用了流延成型，設(shè)備工藝并不復(fù)雜，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率較高，并且燒結(jié)溫度低，能耗低，有一定的發(fā)展前景。相比于普通PCB電路基板，LTCC可靠性高，更能適應(yīng)大電流及耐高溫的要求，特別適用于惡劣的工作環(huán)境。Yuan[20]等人通過(guò)研究，制得了CaO-BaOAl2O3-B2O3-SiO2/AlN陶瓷體系，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)AlN的組成為40%時(shí)基板的熱導(dǎo)率為5.9 W/(m·K)，介電常數(shù)為6.3，介電損耗為0.0049，彎曲強(qiáng)度可達(dá)178 MPa。Qing Zhenjun[21]等人研究發(fā)現(xiàn)，加入成分為 Li2OAl2O3-SiO2陶瓷的復(fù)合 Al2O3基板的抗彎強(qiáng)度可以達(dá)到 155 MPa，介電損耗為 2.49×10?3。

由于 LTCC所用的材料是玻璃-陶瓷復(fù)合材料，陶瓷的成分通常是Al或者Al2O3，也包括BeO、鐵電尖晶石、鐵電鈣鈦礦或者光電壓電陶瓷等其他材料。通過(guò)調(diào)節(jié) LTCC材料的組成可以得到不同熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)，(65%+35%)的 3Al2O3·2SiO2和 2MgO2-Al2O3-5SiO2系統(tǒng)就和Si材料的熱匹配相類似[22]。由于LTCC使用共燒材料較多，不同材料之間的燒結(jié)致密化速度不同，這會(huì)使燒成后的基板表面不平整、翹曲、分層。同時(shí)由于加入了玻璃相，使LTCC綜合熱導(dǎo)率不高，往往只有2～3 W/(m·K)，且易變形干裂，這些問(wèn)題一直制約著LTCC的發(fā)展。Yan等人[23]研究了低溫共燒陶瓷的翹曲度工藝，經(jīng)過(guò)表面處理使 LTCC基板翹曲度得到降低，由之前的 150～250 μm 降至 80～110 μm。Park[24]等人采用多層陶瓷封裝得到了LTCC基板，數(shù)值模擬顯示其熱阻小于10 K/W，實(shí)際測(cè)量的熱阻值小于1 K/W。Sim[25]等人改進(jìn)了低溫共燒陶瓷 COB封裝(LTCCCOB)，去掉了芯片與金屬基底之間的絕緣層，實(shí)際測(cè)量和仿真顯示LTCC-COB基板的熱阻為7.3 K/W，且發(fā)射光的發(fā)射強(qiáng)度較高，適用于大功率LED封裝，示意圖和實(shí)物見圖3。

圖3 LTCC-COB基板[25]Fig.3 LTCC-COB substrate

高溫共燒陶瓷基板(HTCC)的制備工藝與 LTCC相似，也包括配料、流延、干燥沖孔、絲網(wǎng)印刷、疊層燒結(jié)、切片等工藝，只是HTCC不摻雜玻璃粉，且其燒結(jié)溫度更高。由于其燒結(jié)溫度高，故使金屬導(dǎo)體材料的使用受限，只能用鎢、鉬、錳等難熔且電導(dǎo)率低的金屬材料，限制了HTCC基板的發(fā)展。雖然高溫共燒陶瓷的燒結(jié)溫度高，能耗巨大，但是HTCC基板有著結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、熱導(dǎo)率高、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，特別適合用于大功率封裝領(lǐng)域。Cheah[26]等人在微型蒸汽推進(jìn)器中應(yīng)用HTCC工藝，制備得到的微型加熱器相比于硅基推進(jìn)器效率更高，能耗降低21%以上。

2.3 直接敷銅陶瓷基板

直接敷銅陶瓷基板(DBC, direct bonded copper substrates)是在銅與陶瓷之間加入氧元素，在1065～1083 ℃溫度間得到Cu-O共晶液，隨后反應(yīng)得到中間相（CuAlO2或 CuAl2O4），從而實(shí)現(xiàn) Cu板和陶瓷基板化學(xué)冶金結(jié)合[27]，最后再通過(guò)光刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖形制備，形成電路。如圖4所示，直接鍵合陶瓷基板分為3層，中間的絕緣材料是Al2O3或者AlN。Al2O3的熱導(dǎo)率通常為24 W/(m·K)，AlN的熱導(dǎo)率則為170 W/(m·K)。DBC基板的熱膨脹系數(shù)與Al2O3/AlN相類似，非常接近 LED外延材料的熱膨脹系數(shù)，可以顯著降低芯片與基板間所產(chǎn)生的熱應(yīng)力。實(shí)物見圖5。

圖4 覆銅陶瓷基板的截面[27]Fig.4 Cross-section of DBC

由于銅具備較高的載流能力、導(dǎo)熱性能優(yōu)良，且Al2O3/AlN陶瓷材料的機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性、熱導(dǎo)率及絕緣性均較好，故DBC基板很適合用于功率器件的封裝，已開始應(yīng)用于大功率 LED 封裝領(lǐng)域[28—29]。Zhang[30]等人經(jīng)過(guò)化學(xué)鍍銅處理后制得 DBC基板的敷接強(qiáng)度為208 N/cm2，相比于未處理的敷銅板強(qiáng)度提高明顯。Grzesiak等[31]對(duì)在 DBC板上實(shí)現(xiàn)精確圖案的不同技術(shù)，比較發(fā)現(xiàn)刻蝕和激光燒蝕技術(shù)的結(jié)合，可以徹底改善DBC印刷圖案的質(zhì)量，可以得到0.1 mm線路而不損壞襯底層。俞曉東[32]將DBC敷接原理應(yīng)用于厚膜印刷工藝上，在基板表面涂刷上新研制的銅電子漿料，得到了新型敷銅陶瓷基板封裝的大功率 LED，發(fā)現(xiàn)在20 W功率條件下引腳溫度只有29.4 ℃，最大光衰僅為2.9%，提高了LED的可靠性及壽命。謝建軍等人[33]采用直接敷銅(DBC)工藝，在 1000～1060 ℃下制備Cu/AlN材料，研究發(fā)現(xiàn)Cu與AlN陶瓷基板間的結(jié)合強(qiáng)度超過(guò)8.0 N/mm。雖然DBC基板有諸多優(yōu)點(diǎn)，但也有不足，主要體現(xiàn)在：① DBC制備利用了在高溫下(1065 ℃)Cu與Al2O3間的共晶反應(yīng)，對(duì)設(shè)備和工藝控制要求高，使基板成本偏高；② 由于Al2O3與Cu層間容易產(chǎn)生微氣孔，降低了產(chǎn)品抗熱沖擊性能，這些缺點(diǎn)成為DBC基板推廣的瓶頸[34]。

圖5 覆銅陶瓷基板[31]Fig.5 Photos of DBC

2.4 直接敷鋁陶瓷基板

直接敷鋁陶瓷基板(DAB, Direct aluminum bonded substrates)是鋁與陶瓷層鍵合而形成的基板，其結(jié)構(gòu)與DBC相似。相比于直接敷銅陶瓷基板，直接敷鋁基板在理論和實(shí)驗(yàn)上顯示出優(yōu)異的特性。由于銅和氧化鋁敷接的溫度較高（高于1000 ℃），在界面間會(huì)形成金屬間化合物 CuAlO2，故敷銅氧化鋁基板在使用時(shí)內(nèi)應(yīng)力大，抗熱震性能差，其使用壽命較短。DAB則是鋁和氧化鋁之間的結(jié)合，界面不存在化學(xué)反應(yīng)，且純鋁自身良好的塑性可以減輕界面間的熱應(yīng)力，從而提高了可靠性。DAB的基本結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 覆鋁陶瓷基板的結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of DBC

DAB雖然與DBC在許多方面作用類似，但是相比于 DBC，其抗熱震疲勞性能和熱穩(wěn)定性優(yōu)異，且重量輕、熱應(yīng)力小，因此特別適合用于功率電子電路[35]。同時(shí)，優(yōu)異的抗熱震疲勞性能使敷鋁陶瓷基板的應(yīng)用范圍更加廣泛[36]，圖7為封好芯片的DAB基板。L.Dupont[37]等人研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)800次熱循環(huán)后，DAB基板沒(méi)有出現(xiàn)裂紋。Khazaka等人[38]對(duì)AlN陶瓷基板的熱循環(huán)失效進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)將基板置于?55～250 ℃下，經(jīng)過(guò)1500次熱循環(huán)而不失效。李明鶴等[39]制得了氮化鋁-鋁基板，發(fā)現(xiàn)在260 ℃熱沖擊下，鋁板未變形，AlN薄膜也未破裂，電學(xué)性能沒(méi)有明顯的變化，且該基板可用于LED芯片COB封裝。Lin等人[40]研究了 Al2O3/Al/Al2O3的敷接溫度與基板性能之間的參數(shù)關(guān)系，在1100 ℃下制備得到的基板熱導(dǎo)率可達(dá) 32 W/(m·K)?；谥苯臃箐X基板的高抗熱震性、低重量，使其有廣泛的應(yīng)用前景和進(jìn)一步推廣改進(jìn)的價(jià)值。

圖7 封裝好芯片的DAB基板[36]Fig.7 DBC substrates with chips

2.5 直接鍍銅陶瓷基板

直接鍍銅陶瓷基板(DPC, direct plate copper substrates)是將陶瓷基板做預(yù)處理清潔，利用半導(dǎo)體工藝在陶瓷基板上濺射銅種子層，再經(jīng)曝光、顯影、蝕刻、去膜等光刻工藝實(shí)現(xiàn)線路圖案，最后再通過(guò)電鍍或化學(xué)鍍方式增加銅線路的厚度，移除光刻膠后即完成金屬化線路制作[41]。DPC基板見圖8。

圖8 DPC基板Fig.8 DPC substrate

DPC采用半導(dǎo)體制備工藝，其制備溫度較低，避免了因高溫而對(duì)材料造成蠕變或尺寸變異等現(xiàn)象，也降低了成本。此外，制備所得的基板具有很高的線路精確度和表面平整度，且金屬/陶瓷界面無(wú)孔洞，結(jié)合牢固，具有較高的散熱能力，特別適用于高精度、高集成的LED封裝[42]。DPC基板也存在金屬層與陶瓷結(jié)合強(qiáng)度低的問(wèn)題，進(jìn)而使產(chǎn)品的可靠性不高，這嚴(yán)重限制了DPC基板的發(fā)展[43]。Lin等[44]研究了AlN基DPC基板在熱循環(huán)下的分層問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)Cu-AlN雙材料板在回流焊時(shí)會(huì)出現(xiàn)滯后和包辛格行為。Hao[45]等人采用化學(xué)鍍銅工藝來(lái)制得 DPC基板的種子層，得到基板的剪切強(qiáng)度可達(dá)2.7 MPa。Chen[46]等人通過(guò)使用瞬態(tài)測(cè)試儀測(cè)量4種陶瓷基板的熱阻，DPC-AlN基板的熱阻最小且為1.57 K/W，余下的TFC-Al2O3,DPC-Al2O3, DBC-AlN基板的熱阻分別為8.09, 7.05,4.78 K/W。

2.6 硅基板

半導(dǎo)體硅材料具有熱阻小、熱導(dǎo)率高、加工工藝成熟、成本低及與LED芯片熱失配小等優(yōu)點(diǎn)，適合用作大功率LED的散熱基板，并且最近逐漸從半導(dǎo)體業(yè)界引入到LED領(lǐng)域[47]。臺(tái)灣同欣電子認(rèn)為將DPC工藝應(yīng)用到硅基板上是未來(lái)制備大功率LED的趨勢(shì)之一，充分運(yùn)用成熟的硅工藝和薄膜工藝得到精度高的線路，實(shí)現(xiàn)高密度集成封裝，同時(shí)也利用硅材料的熱導(dǎo)率高和較小翹曲等性能來(lái)滿足CTE匹配[48—49]，見圖9。香港科技大學(xué)RickyLee、華中科技大學(xué)呂植成等人通過(guò)在硅晶圓上刻蝕出通孔結(jié)構(gòu)，采用濺射、電鍍方式制備得到含TSV（硅通孔）銅柱的散熱硅基板。硅和銅均有較高的熱導(dǎo)率，故整個(gè)硅基板會(huì)有較高的散熱能力。

圖9 硅基板[49]Fig.9 Si substrate

硅基板雖然性能優(yōu)良，熱導(dǎo)率較高，但是其本身材料較脆，絕緣性不良的缺點(diǎn)仍亟待解決。華中科技大學(xué)吳懿平等人采用微納制造工藝制得了高導(dǎo)熱低成本硅基板，導(dǎo)電層選擇 Cr/Cu/Ni結(jié)構(gòu)，制得的硅基板熱阻為3.57 ℃/W。目前也有臺(tái)灣企業(yè)研發(fā)得到硅基板并且量產(chǎn)，但良品率不高。硅基板相比于其他基板有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在工藝不斷改進(jìn)下，未來(lái)在大功率LED領(lǐng)域一定有廣闊的應(yīng)用前景。

2.7 新型復(fù)合材料基板

新型復(fù)合材料基板是將多種所需材料混在一起，通過(guò)較復(fù)雜的工藝，利用材料各自優(yōu)點(diǎn)而制得的基板。這種基板的綜合性能通常優(yōu)異，能滿足不同的封裝需求，因此引起了廣泛的關(guān)注。

近年來(lái)，鋁碳化硅基板(Al/SiC)由于具有原料成本低、導(dǎo)熱高、密度低、可塑性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而越來(lái)越受到人們的關(guān)注[50]。SiC顆粒的熱膨脹系數(shù)與 LED芯片襯底的熱膨脹系數(shù)相近，且彈性模量高，密度較小；同時(shí)鋁的高導(dǎo)熱、低密度、低成本和易加工等特點(diǎn)，使其用作基板材料時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[51]，因此，兩種材料復(fù)合得到的鋁碳化硅基板綜合性能優(yōu)良，若應(yīng)用于大功率 LED基板，則前景廣闊。Zhu等[52]制備得到了Sip-SiCp/Al混雜復(fù)合材料，其密度為2.96 g/cm3，熱導(dǎo)率為 194 W/(m·K)，熱膨脹系數(shù)為 7×10?6K?1，適合用于封裝行業(yè)。Mizuuchi等[53]研究了 AlSiC復(fù)合材料的制備工藝，采用放電等離子燒結(jié)工藝制備得到的 AlSiC合成材料的熱導(dǎo)率很高，可達(dá) 252 W/(m·K)，并且此復(fù)合材料與芯片的熱匹配性能較好，結(jié)合強(qiáng)度較高。中國(guó)專利[54]提供了一種鋁碳化硅的制備方法，此制備方法在未加入添加劑情況下，保持了鋁碳化硅材料的抗彎強(qiáng)度，得到的材料熱導(dǎo)率為250～280 W/(m·K)。

AlN陶瓷因具有高熱導(dǎo)率、高硬度、低介電損耗及與硅線膨脹系數(shù)相近等優(yōu)點(diǎn)而使其逐漸成為半導(dǎo)體基板和封裝材料之一。為了達(dá)到更好的性能，Doo[55]等人在 LTCC工藝基礎(chǔ)上研究了晶須增強(qiáng)復(fù)合陶瓷材料，發(fā)現(xiàn)在低于 900 ℃溫度下制得的 glass/AlNp/SiCw復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的熱導(dǎo)率為10.3 W/(m·K)，抗彎強(qiáng)度為420 MPa。Ma等[56]則在850 ℃和40 MPa條件下制備了glass/AlNp/Si3C4w三層結(jié)構(gòu)材料，當(dāng)β-Si3N4晶須的體積分?jǐn)?shù)為14%時(shí)，所制備的三層結(jié)構(gòu)材料熱導(dǎo)率為18.8 W/(m·K)，熱膨脹系數(shù)和抗彎強(qiáng)度分別為4.2×10?6K?1和 226 MPa。金燦燦等[57]以 AlN 粉和活性強(qiáng)的六方氮化硼(h-BN)粉為原料，在1900 ℃下制備了AlN/BN（體積分?jǐn)?shù)為20%）復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，其抗彎強(qiáng)度為(482±42) MPa，熱導(dǎo)率可達(dá)47.2 W/(m·K)，介電常數(shù)和介電損耗分別為7.64和4.62×10?4。

Wang等[58]研究了經(jīng)碳纖維強(qiáng)化后的氧化鋁低溫?zé)Y(jié)基板的導(dǎo)熱性能，在850 ℃和25 MPa條件下得到了glass/Al2O3/Cf復(fù)相材料，當(dāng)Cf的體積分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，復(fù)合結(jié)構(gòu)基板的熱導(dǎo)率可達(dá)28.98 W/(m·K)，熱膨脹系數(shù)為 7.55×10?6K?1。Zhu 等[59]研究了有機(jī)柔性“納米紙”基板的性能，通過(guò)在納米紙中加入納米氮化硼片，制得了高透光性復(fù)合結(jié)構(gòu)基板，此基板的熱導(dǎo)率高達(dá) 145.7 W/(m·K)。

3 LED封裝基板的應(yīng)用進(jìn)展

LED封裝基板在 LED封裝中占據(jù)了主要的作用，其散熱性能直接影響了 LED的性能。目前常用基板的性能對(duì)比見表2[60]。金屬芯印刷電路板由于其成本低、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，早在20世紀(jì)90年代就已經(jīng)開始使用，發(fā)展至今其在低成本基板領(lǐng)域仍占有一席之地，但是，由于其熱導(dǎo)率較低、耐溫性能不好，且工藝溫度不可超過(guò)350 ℃，故無(wú)法用于集成的高功率LED上。

陶瓷基板有較高的熱導(dǎo)率，且制作線路對(duì)位精度較高，適合用于COB(Chip On Board)基板，是目前高功率LED基板的發(fā)展方向[61]。雖然陶瓷基板的成本高于金屬基板，但是隨著設(shè)備自動(dòng)化程度和原料成本的不斷降低，其成本會(huì)降低到市場(chǎng)可接受范圍內(nèi)。LTCC, HTCC, DBC, DAB, DPC基板均屬于陶瓷基板。HTCC屬于較早期陶瓷技術(shù)，但由于其制備工藝溫度(1300～1600 ℃)較高，使其電極材料的選擇非常有限，且高溫條件下制作成本較高，因此實(shí)際 LED封裝中應(yīng)用較少，反而使LTCC得到發(fā)展。LTCC可將共燒溫度降至約850 ℃，燒結(jié)成本較低，但其尺寸精度和產(chǎn)品強(qiáng)度不高等問(wèn)題仍待突破，需要進(jìn)一步的研究。DBC, DAB和DPC則為近幾年才開發(fā)成熟且能量產(chǎn)化的技術(shù)，并不為大眾所熟知。DBC的技術(shù)瓶頸在于不易解決Al2O3與Cu板間產(chǎn)生微氣孔的問(wèn)題，這使得DBC的產(chǎn)能與良率都不高，而DAB基板是 Al和 Al2O3之間的鍵合，界面不存在化學(xué)反應(yīng)，可靠性能更高，但是其工藝并不成熟，推廣有一定的難度。DPC技術(shù)是利用直接披覆技術(shù)，將Cu沉積于Al2O3基板上，該工藝結(jié)合了材料與薄膜工藝，其產(chǎn)品散熱效果較好，近幾年使用較為廣泛，為 LED基板業(yè)界所看好。

硅基板由于其絕緣性能較差，作為基板材料必須做絕緣處理，而絕緣層和導(dǎo)電通孔技術(shù)目前并不成熟，推廣到市場(chǎng)還需進(jìn)一步研究。新型基板材料，如鋁碳化硅基板、AlN復(fù)合陶瓷基板和碳纖維強(qiáng)化氧化鋁低溫?zé)Y(jié)基板等，還處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，并且所用原材料價(jià)格均較貴，推廣到市場(chǎng)還有很多問(wèn)題亟待解決。

隨著LED倒裝和垂直芯片工藝的日益成熟，LED封裝器件的功率會(huì)進(jìn)一步增大，散熱問(wèn)題會(huì)更加突出，故大功率 LED對(duì)基板的散熱能力要求會(huì)更高。陶瓷基板可直接封倒裝芯片，然后熒光粉涂覆，最后鑄模形成透鏡。此工藝降低了成本，大多數(shù)廠商已開始使用。此外，包括美國(guó)Lamina公司、杜邦公司，日本友華公司，國(guó)內(nèi)易美芯光、研創(chuàng)光電等企業(yè)也均有陶瓷基板的生產(chǎn)，其中康弛光電科技與中科院上海硅酸鹽研究所共同研發(fā)了新型 K9-H陶瓷 LED復(fù)合散熱材料，成功應(yīng)用于 LED燈泡上并已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)則在 DPC基板方面有核心技術(shù)，占據(jù)了全球80%的市場(chǎng)，在LED基板領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在陶瓷基板中，DPC陶瓷基板在各方面性能都具有優(yōu)勢(shì)，再加上自動(dòng)化工藝逐漸降低成本，定會(huì)成為市場(chǎng)上使用最廣的LED基板。

表2 常用LED基板性能比較[60]Tab.2 Performance comparison of LED substrates in common use

4 結(jié)語(yǔ)

LED散熱，尤其是大功率LED的散熱，是LED封裝技術(shù)的關(guān)鍵?；逶贚ED散熱中起到了關(guān)鍵的作用，其性能的優(yōu)劣將直接影響到LED器件的使用性能和可靠性，因此，未來(lái)成本低、導(dǎo)熱高且機(jī)械性能優(yōu)良的散熱基板必定是LED基板的發(fā)展趨勢(shì)和方向。

目前，MCPCB, DBC, DAB, DPC等基板均有各自優(yōu)勢(shì)，隨著工藝的不斷發(fā)展進(jìn)步，這些基板在未來(lái)工藝的改進(jìn)下將不斷克服缺點(diǎn)，發(fā)揮各自獨(dú)特的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。DPC基板各種工藝參數(shù)合適，有望在未來(lái)進(jìn)行大面積推廣應(yīng)用。LTCC, HTCC, Al/SiC, AlN基板雖然本身具有高強(qiáng)度、高導(dǎo)熱、高熱匹配等優(yōu)異性能，但是成本問(wèn)題使其發(fā)展受到限制，相信隨著技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)定會(huì)將其應(yīng)用到大功率 LED基板領(lǐng)域。新材料復(fù)合基板中，鋁碳化硅基板(Al/SiC)由于具有原料成本低、導(dǎo)熱高、密度低、可塑性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而使其具有顯著的優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)大功率 LED基板上一定有廣闊的應(yīng)用前景。

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New Development of Packaging Substrate for LED

CHEN Bi-da1,GAN Gui-sheng1,2,3
(1. College of Materials Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China;2. College of Materials Science and Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China;3. Chongqing Municipal Engineering Research Center of Institutions of Higher Education for Special Welding Materials and Technology, Chongqing 400054, China)

Substrates is the most important way for cooling LED. Its cooling capacity affects performance and reliability of LED devices directly. In this work, properties of LED packaging substrate materials were summarized, and metal substrates, ceramic substrates, silicon substrates as well as the novel composite substrates were reviewed. Moreover, application and development trend of power LED packaging substrate were prospected. The results showed that MCPCB, DBC, DAB, DPC and other substrates have their own advantages, but the preparation process of DPC is appropriate. In particular, aluminum silicon carbide substrate (Al/SiC) has the significant advantages of a low cost of raw materials, high thermal conductivity, low density and good plasticity, which is expected to be widely used as substrates in LED.

power LED; packaging substrate; heat dissipation; preparation

2017-12-04

中國(guó)博士后科學(xué)基金（2015M582221）；廣東省科技項(xiàng)目（2013B090600031）

陳畢達(dá)（1994—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娮臃庋b及LED照明技術(shù)。

甘貴生（1982—），男，副教授，主要研究方向?yàn)殡娮臃庋b材料與技術(shù)。

10.3969/j.issn.1674-6457.2018.01.017

TN252

A

1674-6457(2018)01-0132-10