陶瓷基板的制造:
制造高纯度的陶瓷基板是很困难的,大部分陶瓷熔点和硬度都很高,这一点限制了陶瓷机械加工的可能性,因此陶瓷基板中常常掺杂熔点较低的玻璃用于助熔或者粘接,使最终产品易于机械加工。Al2O3、BeO、AlN基板制备过程很相似,将基体材料研磨成粉直径在几微米左右,与不同的玻璃助熔剂和粘接剂(包括粉体的MgO、CaO)混合,此外还向混合物中加入一些有机粘接剂和不同的增塑剂再球磨防止团聚使成分均匀,成型生瓷片,最后高温烧结。目前陶瓷成型主要有如下几种方法:
●辊轴轧制:将浆料喷涂到一个平坦的表面,部分干燥以形成黏度像油灰状的薄片,再将薄片送入一对大的平行辊轴中轧碾得到厚度均匀的生瓷片。
●流延成型:浆料通过锋利的刀刃涂复在一个移动的带上形成薄片。与其他工艺相比这是一种低压的工艺。
●粉末压制:粉末在硬模具腔内并施加很大的压力(约138MPa)下烧结,尽管压力不均匀可能产生过度翘曲但这一工艺生产的烧结件非常致密,容差较小。
●等静压粉末压制:这种工艺使用周围为水或者为甘油的模及使用高达69MPa的压力这种压力更为均匀所制成的部件翘曲更小。
●挤压成型:浆料通过模具挤出这种工艺使用的浆料黏度较低,难以获得较小容差,但是这种工艺非常经济,并且可以得到比其他方法更薄的部件。
LED陶瓷基板特性:
在了解陶瓷散热基板的制造方法后,接下来将近一步的探讨各个散热基板的特性具有哪些差异,而各项特性又分别代表了什么样的意义,为何会影响了散热基板在应用时必须作为考量的重点。陶瓷散热基板特性比较中,本文取了散热基板的:(1)热传导率,(2)工艺温度,(3)线路制作方法,(4)线径宽度 这四项特性作进一步的讨论:
1、热传导率
热传导率又称为热传导系数,它代表了基板材料本身直接传导热能的一种能力,数值愈高代表其散热能力愈好。LED散热基板最主要的作用就是在于,如何有效的将热能从LED芯片传导到系统散热,以降低LED芯片的温度,增加发光效率与延长LED寿命,因此,散热基板热传导效果的优劣就成为LED工程在选用散热基板时,重要的评估项目之一。由四种陶瓷散热基板的比较可看出,虽然Al2O3材料的热传导率约在20~24之间,LTCC为降低其烧结温度而添加了30%~50%的玻璃材料,使其热传导率降至 2~5W/m·K左右;而HTCC因其普遍共烧温度略低于纯Al2O3基板之烧结温度,而使其因材料密度较低使得热传导系数低Al2O3基板约在 16~20W/mK之间。一般来说,LTCC与HTCC散热效果并不如DBC与DPC散热基板理想。
2、操作环境温度
主要是指产品在生产过程中,使用到最高工艺温度,而以一生产工艺而言,所使用的温度愈高,相对的制造成本也愈高,且良率不易掌控。HTCC工艺本身即因为陶瓷粉末材料成份的不同,其工艺温度约在1300~1600℃之间,而LTCC的工艺温度亦约在850~900℃之间。此外,HTCC与LTCC在工艺后对必须叠层后再烧结成型,使得各层会有收缩比例问题,为解决此问题相关制造也在努力寻求解决方案中。另一方面,DBC对工艺温度精准度要求十分严苛,必须于温度极度稳定的1065~1085℃温度范围下,才能使铜层熔炼为共晶熔体,与陶瓷基板紧密结合,若生产工艺的温度不够稳定,势必会造成良率偏低的现象。而在工艺温度与裕度的考量,DPC的工艺温度仅需250~350℃左右的温度即可完成散热基板的制作,完全避免了高温对于材料所造成的破坏或尺寸变异的现象,也排除了制造成本费用高的问题。
3、工艺能力
工艺能力主要是表示各种散热基板的金属线路是以何种工艺技术完成,由于线路制造/成型的方法直接影响了线路精准度、表面粗糙镀、对位精准等特性,因此在高功率LED小尺寸的精细线路需求下,工艺解析度便成了必须要考虑的重要项目之一。LTCC与HTCC均是采用厚膜印刷技术完成线路制作,厚膜印刷本身即受限于网版张力问题,一般而言,其线路表面较为粗糙,且容易造成有对位不精准与累进公差过大等现象。此外,多层陶瓷叠压烧结工艺,还有收缩比例的问题需要考量,这使得其工艺解析度较为受限。而DBC虽以微影工艺备制金属线路,但因其工艺能力限制,金属铜厚的下限约在150~300um之间,这使得其金属线路的解析度上限亦仅为150~300um之间(以深宽比1:1为标准)。而DPC则是采用的薄膜工艺制作,利用了真空镀膜、黄光微影工艺制作线路,使基板上的线路能够更加精确,表面平整度高,再利用电镀/电化学镀沉积方式增加线路的厚度,DPC金属线路厚度可依产品实际需求(金属厚度与线路解析度)而设计。一般而言,DPC金属线路的解析度在金属线路深宽比为1:1的原则下约在10~50um之间。因此,DPC杜绝了LTCC/HTCC 的烧结收缩比例及厚膜工艺的网版张网问题。
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