高导热硅基板的低成本制造

作者:吴懿平 博士

散热基板是大功率LED散热通道中最为重要的部件,主要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,同时具有电路连接的功能。随着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的发光效率和使用寿命会随结温的升高而下降,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。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。

LED引线支架式封装是最早投入市场,也是目前最成熟的、成本较低的LED封装形式。由于支架散热主要是通过金属引线支架散热,散热有限,因此不能用于大功率LED的封装。环氧树脂覆铜基板(FR-4)是传统电子封装中应用最广泛的基板。但由于FR-4的基底材料是环氧树脂,其热导率只有0.2~0.3 W/(m•K),且耐高温性差,因此FR-4不适应高密度、高功率LED封装的要求,仅用于小功率或者集成度较低的LED阵列封装。

将FR-4电路板的基底材料换为金属铝板,则形成了目前应用广泛的金属芯印刷电路板(Metal Core PCB,MCPCB)。MCPCB由三部分材料构成:电路层、绝缘层和基体层,如图1所示。MCPCB易于制造,适合大规模生产的需要。但MCPCB中间绝缘层热导率较低,是热传导的瓶颈;MCPCB的耐压较低,很难实现市电非隔离直接驱动的LED灯具。尽管也有用于高压的场合,但很难过安规,安全隐患巨大。

陶瓷基板采用陶瓷和金属化相结合的方式制作。就结构与制作工艺而言,陶瓷基板可分为高温共烧陶瓷(high temperature co-fired ceramics, HTCC)、低温共烧陶瓷(high temperature co-fired ceramics, LTCC)、直接键合陶瓷基板(Direct Bonded Copper, DBC)、直接镀铜陶瓷基板(Direct Plated Copper, DPC)等几种形式。

直接镀铜陶瓷基板DPC是将陶瓷基板做前处理,利用半导体工艺在陶瓷基板上溅射铜种子层,再经过曝光、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铜线路的厚度,移除光刻胶后即完成金属化线路制作。DPC部分采用了半导体制备工艺,其温度较低,精度较高,完全避免了高温对于材料所造成的破坏或尺寸变异等现象,也减小了基板的制备成本。另外,制备所得的基板显然具有很高的线路精确度和表面平整度,且金属/陶瓷界面无孔洞,结合牢固,具有较高的散热能力,非常适用于高精度、高集成、小尺寸的LED封装。但DPC基板也存在一些不足,具体体现在:1)电镀沉积铜层厚度有限,且电镀废液污染大;2)金属层与陶瓷间的结合强度较低,产品应用时可靠性较低。

若将陶瓷基板换成Si基板,依然应用半导体工艺制备相应的硅基电路板,则有可能会获得比陶瓷基板性能更好的硅基高导热基板。随着太阳能光伏电池工业的进步,大规模产能的大尺寸硅片的制备已经有了巨大的突破,其基板成本远低于传统的PCB板。应用微纳加工工艺(半导体制造工艺)和厚膜工艺,可制备出性能高于陶瓷基板但成本更低的硅基高导热LED基板。

硅基板

硅是一种极为常见的元素,但它极少以单质的形式在自然界出现,而是以复杂的硅酸盐或二氧化硅的形式,广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中。在地壳中,硅是第二丰富的元素,构成地壳总质量的26.4%,仅次于第一位的氧(49.4%)。随着半导体工业的发展,硅的提纯与应用,把人类带到了硅时代,成为现代人类社会的文明象征。半导体硅材料具有热导率高、与LED芯片热失配小及加工技术成熟等优点,非常适合作为大功率LED的散热基板,逐渐从半导体业界引入到LED领域。专业人士认为,将DPC工艺应用到硅基板上是制备高功率LED产品的未来趋势之一,充分运用成熟的硅工艺和薄膜工艺制作出精度高,布线紧密的线路,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,满足CTE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、电镀方式制备出含TSV(硅通孔)铜柱的散热硅基板。硅材料和铜都有很高的热导率,这使得整个硅基板有较高的散热能力。另外,这种封装基板能够实现芯片级封装,可以有效减小封装体积。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。

表1 硅基板与其他LED基板材料的性能对比

以硅作为基底的散热基板的成本与铝基板的成本差别不大,却比陶瓷基板低。这得益于两方面,一方面近些年来,随着半导体工业的发展,加上太阳能光伏产能过剩,使得多晶硅材料价格日益下降;另一方面是半导体工艺和相对应的生产加工设备已经相当成熟,使得制备成本大大下降。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 芯片散热的发展需求。为此我们研究开发了“LED芯片用预沉积焊料硅散热基板”,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,制得的硅基板具有较低的制造成本,适用于大功率LED芯片的封装基板,同时也用作其他大功率光电器件的高导热基板。该项目得到了广东省产业关键技术攻关专题暨省部产学研结合项目——LED芯片用预沉积焊料硅散热基板(专题编号:20130902)的资助。功率LED 芯片的硅散热基板,具有技术、成本上的可行性和性能上的适应性。

基板的结构设计

在LED器件中,封装基板是承载芯片的重要组成部分,是承上启下、连接内外散热通路的关键环节,兼有散热、电互连、绝缘和机械支撑等功能。对大功率LED器件而言,其封装基板要求具有高导热性、高绝缘性、高耐热性、与芯片匹配的热膨胀系数及较高的强度。

硅是各种半导体器件制造以及半导体光伏行业中使用最为广泛的材料,导热系数高达140~180 W/(m•K),能够将LED芯片产生的高热量迅速传导到外部的散热器中,从而实现良好的散热效果。热膨胀系数与芯片材料很接近,热失配小,可靠性更高。但仅凭硅的这些优势还不足以让基板能满足散热、支撑、电互连等要求,还必须有一个良好的结构才能使基板充分发挥出这些优势。

如图2(a)和(b)所示,是硅基板的两种结构方案图。图2(a)的结构是硅基体正面依次是绝缘层,导电层,导电层又分为粘附层、阻挡层、焊接层;硅基体背面依次是绝缘层、粘附层、阻挡层、焊接层;图2(b)结构与图2(a)不同的是,图2(b)只在硅基体正面有绝缘层,背面没有绝缘层,绝缘层起绝缘导热的作用。硅基板的绝缘耐压值与绝缘层厚度有紧密的关系,所以只需要在保证导热、制备成本的条件下适当增加绝缘层的厚度即可。因此只需要单面增加绝缘层厚度,而如果在两面都制备绝缘层的的话,不仅增加了工艺的复杂性,也增加了整个系统的界面热阻,对导热不利,因此本文采用图2(b)作为硅基板的结构。

由于硅是一种半导体材料,电导率是2.52×10-4(m•Ω)-1,且硅的电导率会随着温度升高而增大。因此需要在硅基体与导电层之间增加一层绝缘层,将导电层与硅基体隔离,并提供绝缘导热的需求。绝缘层的配方、性能以及工艺是整个散热基板的技术所在,决定了散热基板的性能。选用二氧化硅作为绝缘层,原因有三:一是二氧化硅的绝缘性良好;二是二氧化硅的导热系数是7.6 W/(m•K),加上厚度很薄可以满足导热的要求;三是在硅上制备二氧化硅薄膜工艺成熟,可以用热氧化或化学气相沉积法(PECVD)来制备,制备得到的薄膜跟基体的粘附性以及制备成本都是可以保证的。

在绝缘层上面是导电层。导电层起的作用不仅要与基体形成物理连接而且还要与芯片形成电互连。因此导电层也是封装基板的关键结构。作为导电层需要满足以下性能:与二氧化硅薄膜的附着性能、导电性能和与芯片的焊接性能。若导电层只采用一种金属,肯定是不能同时满足这几种性能的,因此本文提出了多膜层的导电层结构,即导电层细分为粘附层、阻挡层、焊接层,每一层都由不同的金属构成。

从附着性能考虑,导电层的金属材料需要与二氧化硅薄膜有良好的结合性能。从决定附着性能的几个来源来看,范德华力、机械镶嵌并不是决定导电层金属与硅的良好附着的主要因素;而扩散性能和化学键力才是主要因素。因此可以选择活性较高、有一定扩散率的金属,如A1、Cr、Ti、Ni、Cu等作为粘附层,可以与部分氧共价键进行键合,达到较好的附着性能。另外有学者研究发现,粘附层与基体生成新的物相,能提高薄膜层与基体的结合力。因此本文选择Cr作为粘附层,用以提高导电层与硅基体的附着力。Cr粘附层一般很薄,只有几十个纳米。

从导电性能考虑,电阻率低的金属材料如Au、Cu、Ag是较佳的导电布线材料。选择材料成本与工艺成本均较低的Cu作为主要导电层材料。另外Cu也扮演着中间阻挡层的角色,阻挡焊料对导电层的侵蚀。因此铜层需要足够的厚度,不能太薄。如果过薄不仅不能满足大功率LED的驱动大电流,还会因为焊料的侵蚀而导致整个导电层的脱落。

导电层与芯片是通过焊接的方式连接在一起的,因此需要导电层有良好的可焊接性能,此外导电层还需要有效地阻止焊料对导电层的侵蚀。在焊接时,由于接触面的高温以及焊料的影响,膜层容易出现氧化、吸气、被焊料侵蚀等现象,可焊性较差的材料,焊接时更容易使焊缝出现夹渣,焊接件变形、开裂等缺陷。而且无铅焊料的焊接温度在235 ℃以上,比普通含铅焊料焊接温度高十几度,更容易使膜层熔蚀造成脱焊。从焊接性能考虑,与芯片连接的部分为焊接层,选择低电阻率、抗氧化性、高温稳定并且焊料浸润性好的金属材料,如Ag、Cu、Pt、Au、Ni等。其中Pt、Au、Ag的成本较高,而Cu更易生成电阻率高的氧化物,因此可选择Ni作为焊接层的材料,其表面镀金,防止镍的氧化。

硅基板的热学模拟

热传递的基本方式有热传导、热对流和热辐射三种。在大功率LED器件的热传递中,硅基板仅以热传导的方式将LED的产热导出至散热器上。

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