最适合LED的散热基板--氮化铝陶瓷基板

目前，随着国内外LED行业向高效率、高密度、大功率等方向发展，开发性能优越的散热材料已成为解决LED散热问题的当务之急。一般来说，LED发光效率和使用寿命会随结温的增加而下降，当结温达到125℃以上时，LED甚至会出现失效。为使LED结温保持在较低温度下，必须采用高热导率、低热阻的散热基板材料和合理的封装工艺，以降低LED总体的封装热阻。

图1 LED散热陶瓷基板

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现阶段常用基板材料有Si、金属(Al、Cu、W、Mo)及金属合金材料(Cu/W、Cu/Mo)、陶瓷(Al2O3、AlN、SiC、BN)和复合材料等，它们的热膨胀系数与热导率如表1所示。其中Si材料成本高；金属及金属合金材料的固有导电性、热膨胀系数与芯片材料不匹配；陶瓷材料难加工等缺点，均很难同时满足大功率基板的各种性能要求。

表1 常见大功率LED封装基板的热膨胀系数与热导率

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AlN陶瓷具有高热导率、高强度、高电阻率、密度小、低介电常数、无毒、以及与Si相匹配的热膨胀系数等优异性能，将逐步取代传统大功率LED基板材料，成为今后最具发展前途的一种陶瓷基板材料。

       氮化铝(AlN)是一种人工合成矿物，并非天然存在于大自然中。AlN的晶体结构类型为六方纤锌矿型，具有密度小(3.26g/cm3)、强度高、耐热性好（约3060℃分解）、热导率高、耐腐蚀等优点。

图2 AlN纤锌矿型晶体结构示意图

AlN是一种强共价键化合物，其热传导机理是晶格振动（即声子传热）。由于Al和N的原了序数小，从本性上决定了AlN具有很高的热导率，其热导率理论值可高达319W/m·K。但在实际产品中，由于AlN的晶体结构可能完全均匀分布，并存在很多杂质和缺陷，如图3所示，使得其热导率般只有170-230W/m·K。在热传导过程中，晶体中的各种缺陷（如点阵畸变、位错、杂质、气孔、微裂纹）、晶界、界面、第二相以及声子本身都会对声子产生干扰和散射，从而大大降低基板的热导率。

图3 影响AlN基板热导率的各种因素

 

     由于AlN基板不具有电导性，因此在用作大功率LED散热基板之前必须对其表面进行金属化和图形化。但AlN与金属是两类物理化学性质完全不同的材料，两者差异表现最为突出的就是形成化合物的成键方式不同。AlN是强共价键化合物，而金属一般都表现为金属键化合物，因此与其它化学键的化合物相比，在高温下AlN与金属的浸润性较差，实现金属化难度较高。因此，如何实现AlN基板表面金属化和图形化成为大功率LED散热基板发展的一个至关重要问题。目前使用最广泛的AlN基板金属化的方法主要有：(1)机械连接法、(2)厚膜法、(3)共烧法、(4)薄膜法、(5)直接覆铜法、(6)直接镀铜法。

图4 厚膜法金属化AlN基板示意图

图6 多层金属AlN陶瓷基板

图7 AlN基板直接覆铜工艺

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直接镀铜法

直接镀铜DPC(Direct plating copper)首先将陶瓷基板做前处理清洁，利用薄膜专业制造技术－真空镀膜方式于陶瓷基板上溅镀结合于铜金属复合层，接着以黄光微影之光阻被覆曝光、显影、蚀刻、去膜工艺完成线路制作，最后再以电镀/化学镀沉积方式增加线路的厚度，待光阻移除后即完成金属化线路制作。DPC工艺在陶瓷薄膜工艺加工基础上发展起来的陶瓷电路加工工艺。区别于传统的厚膜和薄膜加工工艺，它的加工更加强化电化学加工要求。通过物理方法实现陶瓷表面金属化以后，采用电化学加工导电铜和功能膜层。

图8 DPC工艺简易流程

它的优势集中在以下五个方面：

 

 

与任何工艺一样，DPC与现有的厚膜和薄膜工艺相比也有自身的缺点。