LED散热基板厚膜与薄膜制程差异分析

导读：影响LED散热的主要因素包含了LED晶粒、晶粒载板、晶片封装及模组的材质与设计，而LED及其封装的材料所累积的热能多半都是以传导方式散出，所以LED晶粒 基板及LED晶片封装的设计及材质就成为了主要的关键，散热基板的散热效能俨然成为最重要的议题。

1、简介

LED 模组现今大量使用在电子相关产品上，随着应用範围扩大以及照明系统 的不断提升，约从1990 年开始高功率化的要求急速上升，尤其是以白光高功率 型式的需求最大，现在的照明系统上所使用之LED功率已经不只 1W、3W、5W 甚 至到达 10W 以上，所以散热基板的散热效能俨然成为最重要的议题。影响LED散热的主要因素包含了LED晶粒、晶粒载板、晶片封装及模组的材质与设计，而LED及其封装的材料所累积的热能多半都是以传导方式散出，所以LED晶粒 基板及LED晶片封装的设计及材质就成为了主要的关键。

2、散热基板对于LED模组的影响

LED从1970 年以后开始出现红光的LED，之后很快的演进到了蓝光及绿光， 初期的运用多半是在一些标示上，如家电用品上的指示，到了 2000 年开始，白光高功率 LED 的出现，让 LED 的运用开始进入另一阶段，像是户外大型看版、小型显示器的背光源等 (如图一)，但随着高功率的快速演进，预计从 2010 年之后，车用照明、室内及特殊照明的需求量日增，但是这些高功率的照明设备，其散热效能的要求也越益严苛，因陶瓷基板具有较高的散热能力与较高的耐热、气密性，因此，陶瓷基板为目前高功率 LED 最常使用的基板材料之一。然而，目前 市面上较常见的陶瓷基板多为 LTCC 或厚膜技术製成的陶瓷散热基板，此类型产 品受网版印刷技术的準备瓶颈，使得其对位精準度上无法配合更高阶的焊接，共 晶(Eutectic)或覆晶(Flip chip) 封装方式，而利用薄膜製程技术所开发的陶瓷 散热基板则提供了高对位精準度的产品，以因应封装技术的发展。

2.1、散热基板的选择。

就LED晶粒承载基板的发展上，以承载晶粒而言，传统 PCB 的基板材质具有 高度商业化的特色，在 LED 发展初期有着相当的影响力。然而，随着LED功率的 提升，LED基板的散热能力，便成为其重要的材料特性之一，为此，陶瓷基板逐 渐成为高效能 LED 的主要散热基板材料(如表一所示)，并逐渐被市场接受进而广 泛使用。近年来，除了陶瓷基板本身的材料特性问题须考虑之外，对基板上金属 线路之线宽、线径、金属表面平整度与附着力之要求日增，使得以传统厚膜製程 备製的陶瓷基板逐渐不敷使用，因而发展出了薄膜型陶瓷散热基板，本文将针对 陶瓷散热基板在厚膜与薄膜製程及其产品特性上的差异做出分析。

表一、各类材料散热系数

3、陶瓷散热基板。

从传统的 PCB(FR4)板，到现在的陶瓷基板，LED 不断往更高功率的需求发 展， 现阶段陶瓷基板之金属线路多以厚膜技术成型，然而厚膜印刷的对位精準 度使得其无法跟上 LED 封装技术之进步，其主要因素为在更高功率 LED 元件的散 热设计中，使用了共晶以及覆晶两种封装技术，这些技术的导入不但可以使用高 发光效率的 LED 晶粒，更可以大幅降低其热阻值并且让接合度更加完善，让整体 运作的功率都相对的提昇。但是这两种接合方式的应用都需要拥有精确金属线路 设计的基础，因此以曝光微影为对位方式的薄膜型陶瓷散热基板就变成为精準线 路设计主流。

3-1、厚膜印刷陶瓷基版。

厚膜製程大多使用网版印刷方式形成线路与图形，因此，其线路图形的完整度与线路对位的精确度往往随着印刷次数增加与网版张力变化而出现明显的累 进差异，此结果将影响后续封装製程上对位的精準度;再者，随着元件尺寸不断 缩小，网版印刷的图形尺寸与解析度亦有其限制，随着尺寸缩小，网版印刷所呈现之各单元图形尺寸差异(均匀性)与金属厚度差异亦将越发明显。为了线路尺寸 能够不断缩小与精準度的严格要求下，LED 散热基板的生产技术势必要继续提 升。因而薄膜製程的导入就成为了改善方法之一，然而国内拥有成熟的陶瓷基板 薄膜金属化製程技术的厂家却屈指可数。为此，以薄膜元件起家的瑷司柏电子 (ICP)，即针对自家开发之薄膜基板与传统厚膜基板进行其製程与产品特性差异分析(如下表二所示)。

3-2、薄膜製程应用于陶瓷基板。

薄膜技术的导入正可解决上述线路尺寸缩小的製程瓶颈，结合高真空镀膜技 术与黄光微影技术，能将线路图形尺寸大幅缩小，并且可同时符合精準的线路对 位要求，其各单元的图形尺寸的低差异性(高均匀性)更是传统网版印刷所不易达 到的结果。在高热导的要求下，目前瑷司柏(ICP)的薄膜製程技术已能克服现阶 段厚膜製程在对位精準度的瓶颈，图(二)即为薄膜製程之简易流程图，在空白陶 瓷基板上(氧化铝/氮化铝)经过前处理之后，镀上种子层(sputtering)，经过光 阻披覆、曝光显影，再将所需之线路增厚(电镀/化学镀)，最后经过去膜、蚀刻 步骤使线路成形，此製程所备製之产品具有较高的线路精确度与较佳的金属镀层 表面平整度。图(叁)即为瑷司柏薄膜基板产品与传统厚膜产品的金属线路光学显 微图像。可明显看出厚膜印刷之线路，其表面具有明显的坑洞且线条的平整度不 佳，反观以薄膜製程製备之金属线路，不但色泽清晰且线条笔直平整。

由以上厚/薄膜这些金属线路上的几何精準度差异，再加上厚膜线路易因网 版张网问题造成阵列图形的累进公差加剧，使得厚膜印刷产品在后续晶片置件 上，较容易造成置件偏移或是寻边异常等困扰。换句话说厚膜印刷产品的对位及 线路的精準度不够精确，使其限制了晶片封装製程的製程裕度(window)。然而， 薄膜製程产品则能大幅改善其现象。

但从产品成本结构来看，如表二所示薄膜产品的製程设备(黄光微影)与生产 环境(无尘或洁净室)相较于厚膜产品其成本较高，然而薄膜製程的金属线路多以 厚铜材料为主，相较于厚膜印刷之厚银而言，材料成本却相对较低，因此，可预 期的当利用薄膜製程将陶瓷基板金属化的产品，日渐达到经济规模时，其成本将 逐渐趋近于厚膜产品。

图二、薄膜制程流程