謝金平，范小玲，宗高亮

（廣東致卓環(huán)?？萍加邢薰?，廣東 佛山 528200）

近幾年電子產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，汽車(chē)LED(發(fā)光二極管)頭燈、大功率紫外LED燈、光通信激光器等產(chǎn)品需求不斷增加，使得LED芯片的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，尺寸越來(lái)越小，功率越來(lái)越高，導(dǎo)致其散熱問(wèn)題日益突出。例如一個(gè)面積為1 mm × 1 mm、功率為3 W的LED芯片，如果其光電轉(zhuǎn)換效率為20%，則有2.4 W的熱量產(chǎn)生，熱流密度為240 W/cm2，可見(jiàn)其熱流密度非常高。如果基板無(wú)法解決熱量有效傳導(dǎo)的問(wèn)題，必然導(dǎo)致產(chǎn)品使用壽命縮短，甚至芯片燒毀。

熱導(dǎo)率能夠反映基板本身直接傳導(dǎo)熱的能力，熱導(dǎo)率越高，表示其散熱能力越好。在大功率LED領(lǐng)域，散熱基板最主要的作用就是有效地將熱能從LED芯片傳導(dǎo)到系統(tǒng)進(jìn)行散熱，以降低LED芯片的溫度，提高發(fā)光效率和延長(zhǎng)LED的使用壽命。因此，熱傳導(dǎo)效果成為業(yè)界選用散熱基板時(shí)重要的評(píng)估項(xiàng)目之一。本文主要探討大功率LED陶瓷基板的制作工藝和填孔技術(shù)，以供同行參考。

1 大功率LED陶瓷基板的制作工藝

針對(duì)LED芯片的發(fā)熱問(wèn)題，技術(shù)人員曾嘗試采用多種方式改進(jìn)其導(dǎo)熱承載體，包括早期以鋁合金、銅為主體的金屬基板，以及目前使用較多的以氧化鋁為核芯的陶瓷基板。陶瓷基板主要有低溫共燒陶瓷(LTCC)、高溫共燒陶瓷(HTCC)、直接鍵合覆銅(DBC)和直接鍍銅(DPC)4種。Al2O3的熱傳導(dǎo)率在20 ~24 W/(m·K)之間；LTCC中添加了30% ~ 50%的玻璃材料，熱傳導(dǎo)率降至2 ~ 3 W/(m·K)；HTCC因其普遍共燒溫度略低于純Al2O3基板，故其材料密度較低，熱傳導(dǎo)率低于Al2O3基板，在16 ~ 17 W/(m·K)之間。對(duì)于普通LED芯片而言，這些材料都可以滿足要求，但對(duì)于發(fā)熱量高的大功率LED芯片，這些基板并不理想，熱傳導(dǎo)率為150 ~ 190 W/(m·K)的氮化鋁(AlN)才是合適的選擇。除了選用AlN外，還要結(jié)合其大功率、大電流的特點(diǎn)對(duì)芯片和基板進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括鍍層結(jié)構(gòu)、線路設(shè)計(jì)、孔互聯(lián)等。經(jīng)對(duì)比驗(yàn)證，制備大功率LED芯片基板的較佳方案是將DPC工藝和填通孔技術(shù)相結(jié)合，工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 大功率LED陶瓷基板的制作工藝流程Figure 1 Process flow for manufacturing ceramic substrate applied to high-powered LEDs

具體如下：

(1) 選用具有高熱傳導(dǎo)率的氮化鋁陶瓷；

(2) 借助激光機(jī)打孔得到通孔陶瓷基板；

(3) 在陶瓷基板表面磁控濺射過(guò)渡層──微納米氧化鋁膜；

(4) 在過(guò)渡層上磁控濺射得到熱應(yīng)力緩沖層──鈦鎢合金層；

(5) 通過(guò)磁控濺射直接覆銅，獲得雙面薄層導(dǎo)電銅層；

(6) 采用合適的設(shè)備和電鍍液實(shí)現(xiàn)通孔填充；

(7) 通過(guò)半加成法線路加工，在表面形成銅層線路，從而提高基板各層電路之間的信號(hào)傳輸能力和熱傳導(dǎo)能力；

(8) 最后通過(guò)電鍍貴金屬對(duì)電路表面進(jìn)行加工，其中基板背面的金屬層用于與散熱器共晶貼合，以實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)熱性能。

最重要的工序?yàn)榇趴貫R射、填通孔鍍銅和精細(xì)線路加工。現(xiàn)階段磁控濺射技術(shù)已經(jīng)很成熟，針對(duì)不同材料都有對(duì)應(yīng)的工藝可供選擇，品質(zhì)可靠。精細(xì)線路加工方面，可借助真空 + 雙流體蝕刻機(jī)、光刻機(jī)等先進(jìn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)難度也不大。在填通孔方面，大功率LED陶瓷基板用的AlN材料厚度一般為380 μm，通孔直徑一般為100 μm，相對(duì)于傳統(tǒng)PCB填通孔和半導(dǎo)體填孔，其性能要求特殊，難度較大，品質(zhì)及穩(wěn)定性有待進(jìn)一步研究和改善，因此下文著重探討填通孔技術(shù)。

2 填通孔技術(shù)

2.1 樹(shù)脂塞孔

常見(jiàn)的樹(shù)脂塞孔有壓合填孔和樹(shù)脂油墨塞孔2種方式。壓合填孔主要應(yīng)用于厚徑比低和孔數(shù)少的內(nèi)層填孔。樹(shù)脂油墨塞孔可用于厚徑比高及孔數(shù)較多的填孔，主要應(yīng)用于外層填孔，是當(dāng)前PCB行業(yè)普遍采用的塞孔方式，根據(jù)實(shí)施方式不同，可分為絲網(wǎng)印刷塞孔和滾涂塞孔。

2.2 導(dǎo)電膠塞孔

導(dǎo)電膠塞孔主要借助導(dǎo)電膠填充通孔。相對(duì)于一些絕緣性填充材料而言，導(dǎo)電膠具有一定的散熱效果，但工藝流程較復(fù)雜。另外，為了滿足基板的表面平整度，需要將多余的導(dǎo)電膠研磨掉。由于需要覆蓋的二次電鍍，因此基板面銅的總厚度增大，蝕刻時(shí)線路的微細(xì)化將顯著受限。

2.3 電鍍填通孔

樹(shù)脂和導(dǎo)電膠塞的散熱通孔是利用含金屬的環(huán)氧基膏體來(lái)提高通孔的熱導(dǎo)率，盡管對(duì)提高散熱效果有一定的作用，但與純金屬相比，導(dǎo)熱率還是較低，因此在大功率LED基板上的使用受限。而填通孔鍍銅是利用電化學(xué)方法在孔內(nèi)電沉積金屬銅來(lái)完全填充散熱通孔。銅的熱傳導(dǎo)率高達(dá)360 W/(m·K)，導(dǎo)熱性更好，可靠性更高。另外，電鍍填通孔技術(shù)相對(duì)于其他填通孔技術(shù)可以縮短操作流程，節(jié)省人力和物力。

根據(jù)所用電源類(lèi)型，電鍍填通孔技術(shù)可分為直流電鍍一步法、脈沖電鍍一步法及脈沖電鍍兩步法。

2.3.1 直流電鍍一步法

直流電鍍一步法被視為用銅填充通孔的理想工藝，因?yàn)樗勺畲笙薅鹊販p少電鍍槽的數(shù)量和縮短電鍍生產(chǎn)線長(zhǎng)度。但直流電鍍銅填通孔受基板厚度的限制。對(duì)于厚度小于200 μm、直徑為100 μm的基板，搭配專(zhuān)用的設(shè)備和合適的添加劑，使用直流電鍍一步法尚可實(shí)現(xiàn)填通孔。但隨著基板厚度的增大，直流電鍍填通孔所需時(shí)間大幅延長(zhǎng)，且孔內(nèi)空洞現(xiàn)象(見(jiàn)圖2和表1)無(wú)法避免，加之大功率LED陶瓷基板的介質(zhì)層厚度以380 μm居多，因此采用直流電鍍一般無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全填充。

圖2 大功率LED陶瓷基板直流電鍍填通孔的示意圖Figure 2 Sketch showing through hole filling on high-powered ceramic-based LEDs by direct-current plating

表1 大功率LED陶瓷基板直流電鍍填通孔的常用配方及填充效果Table 1 Common bath composition for through hole filling on high-power ceramic-based LEDs by direct current plating and its filling effectiveness

2.3.2 脈沖電鍍一步法

在有機(jī)添加劑的協(xié)助下采用正反雙向脈沖(PPR)電鍍是填充通孔的有效途徑之一。直流電鍍時(shí)僅電流密度可控，而PPR電鍍過(guò)程有3個(gè)參數(shù)可以獨(dú)立控制，分別為脈沖頻率、占空比和電流密度，可更好地控制銅沉積。另外，不同的PPR波形組合在一起可構(gòu)成復(fù)合波形。反向電流的主要作用是對(duì)電流密度較大的尖端部位(孔口)所沉積的銅進(jìn)行反咬蝕，起到拉平的效果。在正向電流的作用下，由于添加劑的輔助作用，銅離子在孔內(nèi)的沉積速率大于在板面的沉積速率，保證了銅離子在孔內(nèi)的順利沉積，從而避免了空洞形成。若結(jié)合使用特殊類(lèi)型的添加劑，則對(duì)板厚380 μm、孔徑100 μm的通孔有較好的填充效果，如圖3和表2所示。

圖3 大功率LED陶瓷基板正反脈沖電鍍一步法填通孔的示意圖Figure 3 Sketch showing through hole filling on high-powered ceramic-based LEDs by pulse-reverse plating

表2 大功率LED陶瓷基板脈沖電鍍一步法填通孔的常用參數(shù)及效果Table 2 Common bath composition for through hole filling on high-powered ceramic-based LEDs by pulse-reverse plating and its filling effectiveness

2.3.3 脈沖電鍍兩步法

陶瓷基板上的通孔通常是激光鉆孔并濺射導(dǎo)電層所得。如圖4所示，先在1個(gè)特殊的異步反向脈沖波形下結(jié)合特定的添加劑電鍍銅，在孔中心形成橋接(搭橋)，將1個(gè)通孔分割成2個(gè)盲孔，再電鍍填盲孔，可獲得很好的填孔效果，空洞現(xiàn)象很少，穩(wěn)定性好。但該法對(duì)添加劑和電鍍參數(shù)的控制要求非常嚴(yán)格，對(duì)設(shè)備和操作人員的要求也很高，其常用參數(shù)和填孔效果見(jiàn)表3。

圖4 大功率LED陶瓷基板脈沖電鍍兩步法填通孔的示意圖Figure 4 Sketch showing through hole filling on high-powered ceramic-based LEDs by two-step pulsed plating

表3 大功率LED陶瓷基板兩步法脈沖電鍍填通孔的常用參數(shù)及效果Table 3 Common bath composition for through hole filling on high-powered ceramic-based LEDs by two-step pulsed plating and its filling effectiveness

3 結(jié)語(yǔ)

大功率LED封裝領(lǐng)域?qū)宓纳嵋笤絹?lái)越高，為了解決高導(dǎo)熱和大功率問(wèn)題，從成本和應(yīng)用效果看，較可靠的方案是選用AlN陶瓷基板，采用直接鍍銅(DPC)工藝與電鍍填通孔相結(jié)合的技術(shù)。在電鍍填通孔方面，直流電鍍只適用于介質(zhì)層厚度為100 μm左右的通孔；對(duì)于介質(zhì)層厚度在380 μm及以上的通孔，采用脈沖電鍍兩步法的填通孔效果較好，更可靠，陶瓷基板表面鍍銅層較薄，適用于做精細(xì)線路，但對(duì)設(shè)備和添加劑的要求較高。脈沖電鍍一步法對(duì)設(shè)備和添加劑的要求較低，也能用于介質(zhì)層厚度為380 μm陶瓷基板的填通孔。