硅基板在LED中的应用

作者:吴懿平 博士

引言

散热基板,特别是大功率LED的散热基板,是LED散热通道中最为重要的部件。其主要作用是利用基板材料本身所具备的较佳热学性能,将热量从LED芯片中导出,并传导到散热器上,从而实现芯片与外界环境的热交换。随着技术的不断发展,大功率LED的应用将会越来越广泛,LED的功率的也会逐渐增大,因此其散热问题便变得越发突出。通常情况下,LED的发光效率和使用寿命会随着结温的升高而下降,当结温高达到125 ℃以上时,LED甚至会出现失效,因此LED结温的高低也影响着器件寿面的长短。目前由于技术条件的限制, LED的发光转换效率只有20%~30%左右,余下的电能大部分都转换为热能。对于大功率LED来说,这些热量如果聚集在芯片内部而不及时导出,则会使得LED发光效率降低,更严重的还会出现LED失效。为使LED结温保持在较低的温度,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。

硅基板的优势

硅作为一种极为常见的元素,极少以单质的形式在自然界出现,而通常是以复杂的硅酸盐或二氧化硅的形式存在于岩石、砂砾、尘土之中。在半导体工业中,硅的用途非常广泛,二极管、三极管、晶闸管以及各种大规模集成电路(包括计算机内的芯片基板和CPU)都使用硅作为原材料。半导体硅材料由于具有热导率高、与LED芯片热失配小及加工技术成熟等优点,因此非常适合作为大功率LED的散热基板。一般认为,在硅基板上应用DPC(直接镀铜陶瓷基板)工艺是制备高功率LED产品的未来趋势之一,使用成熟的硅工艺和薄膜工艺能制作出精度高,布线紧密的线路,进而实现高密度封装;同时也充分利用硅材料的高热导率和较小翘曲等性能,与芯片的CTE相匹配。香港科技大学Ricky Lee、华中科技大学吕植成等人通过在硅晶圆上刻蚀出通孔结构,采用溅射、电镀等方式制备出含TSV(硅通孔)铜柱的硅基板,此散热基板的性能良好,封装基板模块光效达95 lm/W。此外,这种封装基板能够实现芯片级封装,能有效减小封装体积。因此,硅基板作为大功率LED封装基板,具有潜在优势。表1是硅基板与其他LED基板材料的性能对比。

在成本方面,以硅作为基底的LED散热基板成本与铝基板差别不大,却低于陶瓷基板。这得益于两方面,一方面是近些年来,随着半导体工业的发展,太阳能光伏对硅原料的需求增大,逐渐供大于求的产能使得单晶硅、多晶硅材料价格日益下降;另一方面是在集成电路领域,半导体工艺和相对应的生产加工设备已经相当成熟,制备成本大大下降。因此采取硅作为基底的LED散热基板具有成本优势。

在技术方面,随着 LED 芯片封装密度变高,以及3D集成封装和晶圆级封装技术的成熟,利用硅作为基板可以迅速适应这些要求,且具有很快的技术移植性,完全满足 LED 芯片散热基板高精度的发展需求。因此,结合硅的高导热以及与LED芯片材料较好的热匹配性能,移植大规模集成电路的生产技术,在硅基板上形成高质量的电路结构,制得适用于大功率LED芯片的高精度低成本硅基板。

硅基板的制备

本文只对硅基板的制备工艺稍作介绍,详细请见本刊2017年4-6期。采用低成本工艺制备所需的硅基板,整个加工过程是从4英寸双面抛光硅晶圆开始的,随后进行以下加工:(1) 通过热氧化或者化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition, CVD),在硅晶圆表面生长一层二氧化硅层;(2)通过磁控溅射在硅晶圆正反面都制备一层铬(Cr)种子层作为粘附层;(3)溅射一层铜种子层作为阻挡层;(4)用光刻胶涂覆在覆有金属层的硅晶圆上,通过曝光、显影等工艺获得负相的电路图案;(5)通过电镀工艺增厚铜层;(6)利用化学镀镍的工艺在硅晶圆正反两面都镀一层镍(Ni)层;(7)除去光刻胶,开始腐蚀多余的铜和铬;(8)在清洗烘干后在硅晶圆正面印制阻焊层,经过曝光、烘干、清洗之后就完成了硅基板的制备。具体制备工艺如图1所示。

图2是经过混合法制备的硅基板样品。图2(a)和图2(b)分别是硅基板的正面和背面。从正面可以看到导线的形状、焊盘的形状尺寸以及阻焊绿油;背面可以看到由镍金属组成的焊接层。基板制得之后,封装好灯珠,进行了点亮,图2(c)。

硅基板的应用

LED散热基板作为LED封装中重要的组成部分,其散热能力便显得尤为重要。目前市场上常见的基板有:引线支架、环氧树脂覆铜板(FR-4)、金属芯印刷电路板(MCPCB)、陶瓷基板。这些基板依据需求不同,可应用于固体照灯、交通信号指示、汽车信号指示、大屏幕显示、LCD背照明、室外全彩系列LED显示屏等多个领域。硅基板作为一种新型的LED基板,其可应用于正装、倒装LED芯片封装,且可以得到COB、汽车灯、CSP LED等主要衍生应用产品。下面向读者介绍硅基板在LED封装中的应用。

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