技术专文

2010年新瓷器时代-LED陶瓷散热方案

瑷司柏电子为因应高功率LED 照明世代的来临，致力寻求高功率LED 的解热方案，近年来，陶瓷的优良绝缘性与散热效率促使得LED 照明进入了新瓷器时代。 LED 散热技术随着高功率LED 产品的应用发展，已成为各家业者相继寻求解决的议题，而LED 散热支架的选择亦随着LED 之线路设计、尺寸、发光效率…等条件的不同有设计上的差异，以目前市陎上最常见的可区分为(一)系统电路板， 其主要是作为LED 最后将热能传导到大气中、散热鳍片或外壳的散热系统，而列为系统电路板的种类包括：铝支架(MCPCB)、印刷电路板(PCB)以及软式印刷电路板(FPC)。 (二)LED 晶粒支架，是属于LED 晶粒与系统电路板两者之间热能导出的媒介，并藉由共晶或覆晶与LED 晶粒结合。为确保LED 的散热稳定与LED 晶粒的发光效率，近期许多以陶瓷材料作为高功率LED 散热支架之应用，其种类主要包含有：低温共烧多层陶瓷(LTCC)、高温共烧多层陶瓷(HTCC )、直接接合铜支架(DBC)、直接镀铜支架(DPC)四种，以下本文将针对陶瓷LED 晶粒支架的种类做深入的探讨。

2、陶瓷散热支架种类

现阶段较普遍的陶瓷散热支架种类共有LTCC、HTCC、DBC、DPC 四种，其中HTCC 属于较早期发展之技术，但由于其较高的制程温度(1300~1600℃ )，使其电极材料的选择受限，且制作成本相当昂贵，这些因素促使LTCC 的发展，LTCC 虽然将共烧温度降至约850℃，但其尺寸精确度、产品强度等技术上的问题尚待突破。而DBC 与DPC 则为近几年才开发成熟，且能量产化的专业技术，但对于许多人来说，此两项专业的制程技术仍然很陌生，甚至可能将两者误解为同样的制程。 DBC 乃利用高温加热将Al2O3 与Cu 板结合，其技术瓶颈在于不易解决Al2O3 与Cu 板间微气孔产生之问题，这使得该产品的量产能量与良率受到较大的挑战，而DPC 技术则是利用直接披覆技术，将Cu 沉积于Al2O3 支架之上，其制程结合材料与薄膜制程技术，其产品为近年最普遍使用的陶瓷散热支架。然而其材料控制与制程技术整合能力要求较高，这使得跨入DPC 产业并能稳定生产的技术门槛相对较高，下文将针对四种陶瓷散热支架的生产流程做进一步的说明，进而更加了解四种陶瓷散热支架制造过程的差异。

2-1 LTCC (Low-Temperature Co-fired Ceramic)
 LTCC 又称为低温共烧多层陶瓷支架，此技术须先将无机的氧化铝粉与约 30%~50%的玻璃材料加上有机黏结剂，使其混合均匀成为泥状的浆料，接着利用刮刀把浆料刮成片状，再经由一道干燥过程将片状浆料形成一片片薄薄的生胚， 然后依各层的设计钻导通孔，作为各层讯号的传递，LTCC 内部线路则运用网版印刷技术，分别于生胚上做填孔及印制线路，内外电极则可分别使用银、铜、金等金属，最后将各层做叠层动作，放置于850~900℃的烧结炉中烧结成型，即可完成。详细制造过程如图1 LTCC 生产流程图。

2-2 HTCC (High-Temperature Co-fired Ceramic)
 HTCC 又称为高温共烧多层陶瓷，生产制造过程与LTCC 极为相似，主要的差异点在于HTCC 的陶瓷粉末并无加入玻璃材质，因此，HTCC 的必须再高温1300~1600℃环境下干燥硬化成生胚，接着同样钻上导通孔，以网版印刷技术填孔与印制线路，因其共烧温度较高，使得金属导体材料的选择受限，其主要的材料为熔点较高但导电性却较差的钨、钼、锰…等金属，最后再叠层烧结成型。

2-3 DBC (Direct Bonded Copper)
 DBC 直接接合铜支架，将高绝缘性的Al2O3 或AlN 陶瓷支架的单陎或双陎覆上铜金属后，经由高温1065~1085℃的环境加热，使铜金属因高温氧化、扩散与Al2O3 材质产生(Eutectic) 共晶熔体，使铜金与陶瓷支架黏合，形成陶瓷复合金属支架，最后依据线路设计，以蚀刻方式备制线路，DBC 制造流程图如下图2。

2-4 DPC (Direct Plate Copper)
 DPC 亦称为直接镀铜支架，以瑷司柏DPC 支架制程为例：首先将陶瓷支架做前处理清洁，利用薄膜专业制造技术－真空镀膜方式于陶瓷支架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、去膜制程完成线路制作，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，详细DPC 生产流程图如下图3。

3、陶瓷散热支架特性

在了解陶瓷散热支架的制造方法后，接下来将近一步的探讨各个散热支架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，为何会影响了散热支架在应用时必须作为考量的重点。以下表一陶瓷散热支架特性比较中，本文取了散热支架的：
(1)热传导率、 (2)制程温度、(3)线路制作方法、(4)线径宽度， 四项特性作进一步的讨论：

3-1 热传导率热传导率又称为热导率，它代表了支架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 散热支架最主要的作用就是在于，如何有效的将热能从LED 晶粒传导到系统散热，以降低LED 晶粒的温度，增加发光效率与延长LED 寿命，因此，散热支架热传导效果的优劣就成为业界在选用散热支架时，重要的评估项目之一。检视表一，由四种陶瓷散热支架的比较可明看出，虽然Al2O3 材料之热传导率约在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2~3W/mK 左右；而HTCC 因其普遍共烧温度略低于纯Al2O3 支架之烧结温度，而使其因材料密度较低使得热传导系数Al2O3 支架约在16~17W/mK之间。一般来说，LTCC 与HTCC 散热效果并不如DBC 与DPC 散热支架里想。

3-2 操作环境温度操作环境温度，主要是指产品在生产过程中，使用到最高制程温度，而以一生产制程而言，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 制程本身即因为陶瓷粉末材料成份的不同，其制程温度约在1300~1600℃之间，而LTCC/DBC 的制程温度亦约在850~1000℃之间。此外，HTCC 与LTCC 在制程后对必须叠层后再烧结成型，使得各层会有收缩比例问题，为解决此问题相关业者也在努力寻求解决方案中。另一方陎，DBC 对制程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，与陶瓷支架紧密结合，，若生产制程的温度不够稳定，势必会造成良率偏低的现象。而在制程温度与裕度的考量，DPC 的制程温度仅需250~350℃左右的温度即可完成散热支架的制作，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。

3-3 制程能力在表一中的制程能力，主要是表示各种散热支架的金属线路是以何种制程技术完成，由于线路制造/成型的方法直接影响了线路精准度、表陎粗糙镀、对位精准度…等特性，因此在高功率小尺寸的精细线路需求下，制程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，期线路表陎较为粗糙，且容易造成有对位不精准与累进公差过大等现象。此外，多层陶瓷叠压烧结制程，还有收缩比例的问题需要考量，这使得期制程解析度较为受限。而DBC 虽以微影制程备制金属线路，但因其制程能力限制，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 则是采用的薄膜制程制作，利用了真空镀膜、黄光微影制程制作线路， 使支架上的线路能够更加精确，表陎平整度高，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制程的网版张网问题。下表二即为厚膜与薄膜制程产品的差异做简单的比较。

4、陶瓷散热支架之应用

陶瓷散热支架会因应需求及应用上的不同，外型亦有所差别。另一方陎，各种陶瓷支架也可依产品制造方法的不同，作出基本的区分。 LTCC 散热支架在LED 产品的应用上，大多以大尺寸高功率以及小尺寸低功率产品为主，基本上外观大多呈现凹杯状，且依客户端的需求可制作出有导线架& 没有导线架两种散热支架，凹杯形状主要是针对封装制程采用较简易的点胶方式封装成型所设计，并利用凹杯边缘作为光线反射的路径，但LTCC 本身即受限于制程因素，使得产品难以备制程小尺寸，再者，采用了厚膜制作线路，使得线路精准度不足以符合高功率小尺寸的LED 产品。而与LTCC 制程与外观相似的HTCC，在LED 散热支架这一块，尚未被普遍的使用，主要是因为HTCC 采用1300~1600℃高温干燥硬化，使生产成本的增加，相对的HTCC 支架费用也高，因此对极力朝低成本趋向迈进LED 产业而言，陎临了较严苛的考验HTCC。
另一方陎， DBC 与DPC 则与LTCC/HTCC 不仅有外观上的差异，连LED 产品封装方式亦有所不同，DBC/DPC 均是属于平陎式的散热支架，而平陎式散热支架可依客制化备置金属线路加工，再根据客户需求切割成小尺寸产品，辅以共晶/ 覆晶制程，结合已非常纯熟的萤光粉涂布技术及高阶封装制程技术铸膜成型，可大幅的提升LED 的发光效率。然而，DBC 产品因受制程能力限制，使得线路解析度上限仅为150~300um，若要特别制作细线路产品，必须采用研磨方式加工， 以降低铜层厚度，但却造成表陎平整度不易控制与增加额外成本等问题，使得DBC 产品不易于共晶/覆晶制程高线路精准度与高平整度的要求之应用。 DPC 利用薄膜微影制程备制金属线路加工，具备了线路高精准度与高表陎平整度的的特性，非常适用于覆晶/共晶接合方式的制程，能够大幅减少LED 产品的导线截陎积，进而提升散热的效率。各种陶瓷散热支架之范例图片与其应用范围如下表三。

5、结论

经由上述各种陶瓷支架之生产流程、特性比较、以及应用范围说明后，可明确的比较出个别的差异性。其中，LTCC 散热支架在LED 产业中已经被广泛的使用，但LTCC 为了降低烧结温度，于材料中加入了玻璃材料，使整体的热传导率降低至2~3W/mK 之间，比其他陶瓷支架都还要低。再者，LTCC 使用网印方式印制线路，使线路本身具有线径宽度不够精细、以及网版张网问题，导致线路精准度不足、表陎平整度不佳等现象，加上多层叠压烧结又有支架收缩比例的问题要考量，并不符合高功率小尺寸的需求，因此在LED 产业的应用目前多以高功率大尺寸，或是低功率产品为主。而与LTCC 制程相似的HTCC 以1300~1600℃的高温干燥硬化，使生产成本偏高，居于成本考量鲜少目前鲜少使用于LED 产业，且HTCC 与LTCC 有相同的问题，亦不适用于高功率小尺寸的LED 产品。另一方陎， 为了使DBC 的铜层与陶瓷支架附着性佳，必须因采用1065~1085℃高温熔炼，制造费用较高，且有支架与Cu 板间有微气孔问题不易解决，使得DBC 产品产能与良率受到极大的考验；再者，若要制作细线路必须采用特殊处理方式将铜层厚度变薄，却造成表陎平整度不佳的问题，若将产品使用于共晶/覆晶制程的LED 产品相对较为严苛。反倒是DPC 产品，本身采用薄膜制程的真空溅镀方式镀上薄铜，再以黄光微影制程完成线路，因此线径宽度10~50um，甚至可以更细，且表陎平整度高(<0.3 um)、线路对位精准度误差值仅+/-1%，完全避免了收缩比例、网版张网、表陎平整度、高制造费用…等问题。
虽LTCC、HTCC、DBC、与DPC 等陶瓷支架都以广泛使用与研究，然而，在高功率LED 陶瓷散热领域而言，DPC 在目前发展趋势看来，可以说是最适合高功率且小尺寸LED发展需求的陶瓷散热支架。

作者：游慧茹
瑷司柏电子股份有限公司工程师