??導讀：?目前，隨著國內(nèi)外LED行業(yè)向高效率、高密度、大功率等方向發(fā)展，從2017到2018就可以看出，整體國內(nèi)LED有了突飛猛進的進展，功率也是越來越大，開發(fā)性能優(yōu)越的散熱材料已成為解決LED散熱問題的當務(wù)之急。目前，隨著國內(nèi)外LED行業(yè)向高效率、高密度、大功率等方向發(fā)展，開發(fā)性能優(yōu)越的散熱材料已成為解決LED散熱問題的當務(wù)之急。一般來說，LED發(fā)光效率和使用壽命會隨結(jié)溫的增加而下降，當結(jié)溫達到125℃以上時，LED甚至會出現(xiàn)失效。為使LED結(jié)溫保持在較低溫度下，必須采用高熱導率、低熱阻的散熱基板材料和合理的封裝工藝，以降低LED總體的封裝熱阻。
圖1 LED散熱陶瓷基板
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? ? ? LED散熱基板的作用是吸收芯片產(chǎn)生的熱，并傳導至熱沉上，從而實現(xiàn)與芯片外界的熱交換。因此，作為LED的理想散熱基板必須在物理性質(zhì)、化學性質(zhì)、電學性質(zhì)方面具有以下幾個特性：? ? ? ? (1)良好的化學穩(wěn)定性和耐腐蝕性。? ? ? ? (2)高的熱導率，熱膨脹系數(shù)與芯片材料相匹配。(3)低的介電常數(shù)和介電損耗。
(4)電絕緣性好，并具有很高的機械強度高。
(5)價格低廉、易加工。
(6)密度小、無毒。
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現(xiàn)階段常用基板材料有Si、金屬(Al、Cu、W、Mo)及金屬合金材料(Cu/W、Cu/Mo)、陶瓷(Al2O3、AlN、SiC、BN)和復合材料等，它們的熱膨脹系數(shù)與熱導率如表1所示。其中Si材料成本高；金屬及金屬合金材料的固有導電性、熱膨脹系數(shù)與芯片材料不匹配；陶瓷材料難加工等缺點，均很難同時滿足大功率基板的各種性能要求。
表1 常見大功率LED封裝基板的熱膨脹系數(shù)與熱導率
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? ? ? ? ?陶瓷基板材料常見的主要有Al2O3、AlN、SiC、BN、BeO、Si3N4等，與其他基板材料相比，陶瓷基板在機械性質(zhì)、電學性質(zhì)、熱學性質(zhì)具有以下特點：(1)機械性能。機械強度，能用作為支持構(gòu)件；加工性好，尺寸精度高；表面光滑，無微裂紋、彎曲等。(2)熱學性質(zhì)。導熱系數(shù)大，熱膨脹系數(shù)與Si和GaAs等芯片材料相匹配，耐熱性能良好。(3)電學性質(zhì)。介電常數(shù)低，介電損耗小，絕緣電阻及絕緣破壞電高，在高溫、高濕度條件下性能穩(wěn)定，可靠性高。
(4)其他性質(zhì)。化學穩(wěn)定性好，無吸濕性；耐油、耐化學藥品；無毒、無公害、α射線放出量小；晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在使用溫度范圍內(nèi)不易發(fā)生變化；原材料資源豐富。
AlN陶瓷具有高熱導率、高強度、高電阻率、密度小、低介電常數(shù)、無毒、以及與Si相匹配的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)異性能，將逐步取代傳統(tǒng)大功率LED基板材料，成為今后最具發(fā)展前途的一種陶瓷基板材料。
? ? ? ?氮化鋁(AlN)是一種人工合成礦物，并非天然存在于大自然中。AlN的晶體結(jié)構(gòu)類型為六方纖鋅礦型，具有密度小(3.26g/cm3)、強度高、耐熱性好（約3060℃分解）、熱導率高、耐腐蝕等優(yōu)點。
圖2 AlN纖鋅礦型晶體結(jié)構(gòu)示意圖AlN是一種強共價鍵化合物，其熱傳導機理是晶格振動（即聲子傳熱）。由于Al和N的原了序數(shù)小，從本性上決定了AlN具有很高的熱導率，其熱導率理論值可高達319W/m·K。但在實際產(chǎn)品中，由于AlN的晶體結(jié)構(gòu)可能完全均勻分布，并存在很多雜質(zhì)和缺陷，如圖3所示，使得其熱導率般只有170-230W/m·K。在熱傳導過程中，晶體中的各種缺陷（如點陣畸變、位錯、雜質(zhì)、氣孔、微裂紋）、晶界、界面、第二相以及聲子本身都會對聲子產(chǎn)生干擾和散射，從而大大降低基板的熱導率。
圖3 影響AlN基板熱導率的各種因素
? ? ?由于AlN基板不具有電導性，因此在用作大功率LED散熱基板之前必須對其表面進行金屬化和圖形化。但AlN與金屬是兩類物理化學性質(zhì)完全不同的材料，兩者差異表現(xiàn)最為突出的就是形成化合物的成鍵方式不同。AlN是強共價鍵化合物，而金屬一般都表現(xiàn)為金屬鍵化合物，因此與其它化學鍵的化合物相比，在高溫下AlN與金屬的浸潤性較差，實現(xiàn)金屬化難度較高。因此，如何實現(xiàn)AlN基板表面金屬化和圖形化成為大功率LED散熱基板發(fā)展的一個至關(guān)重要問題。目前使用最廣泛的AlN基板金屬化的方法主要有：(1)機械連接法、(2)厚膜法、(3)共燒法、(4)薄膜法、(5)直接覆銅法、(6)直接鍍銅法。
機械連接法機械連接法的特點是采取合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計將AlN基板與金屬連接在一起，主要有熱套連接和螺栓連接兩種。機械連接方法具有工藝簡單，可行性好等特點，但它常常會產(chǎn)生應(yīng)力集中，并且不適用于高溫環(huán)境。厚膜法厚膜法是通過絲網(wǎng)印刷在AlN基板表面涂刷一層導體漿料，經(jīng)燒結(jié)形成引線接點及電路。厚膜導體漿料一般由導電金屬粉末（Au、Ag、Cu等，粒度為1-5μm）、玻璃粘結(jié)劑和有機載體（包括表面活性劑、有機溶劑和增稠劑等）經(jīng)混合球磨而成。其中導電金屬粉末決定了漿料成膜后的電學性能和機械性能，玻璃粘結(jié)劑的作用是粘結(jié)導電金屬粉末與基體材料并決定了兩者之的粘結(jié)強度，有機載體作為溶劑將金屬粉末與粘結(jié)劑混合在一起。
圖4 厚膜法金屬化AlN基板示意圖共燒法共燒法是通過絲網(wǎng)印刷工藝在AlN陶瓷生片表面涂刷一層難熔金屬（Mo、W等）的厚膜漿料，一起脫脂燒成，使導電金屬與AlN陶瓷燒成為一體結(jié)構(gòu)。共燒法根據(jù)燒結(jié)溫度的高低可分為低溫共燒(LTCC)和高溫共燒(HTCC)兩種方式，低溫共燒基板的燒結(jié)溫度一般為800-900℃，而高溫共燒基板的燒結(jié)溫度為1600-1900℃。燒結(jié)后，為了便于芯片引線鍵合及焊接，還需在金屬陶瓷復合體的金屬位置鍍上一層Sn或Ni等熔點較低的金屬。薄膜法薄膜法是通過真空鍍膜技術(shù)在AlN基板表面實現(xiàn)金屬化。通常采用的真空鍍膜技術(shù)有離子鍍、真空蒸鍍、濺射鍍膜等。但金屬和陶瓷是兩種物理化學性質(zhì)完全不同的材料，直接在陶瓷基板表面進行金屬化得到的金屬化層的附著力不高，并且陶瓷基板與金屬的熱膨脹系數(shù)不匹配，在工作時會受到較大的熱應(yīng)力。為了提高金屬化層的附著力和減小陶瓷與金屬的熱應(yīng)力，陶瓷基板一般采用多層金屬結(jié)構(gòu)。
圖6 多層金屬AlN陶瓷基板直接覆銅法直接覆銅法(DBC)是一種基于陶瓷基板發(fā)展起來的陶瓷表面金屬化方法，基本原理是：在弱氧化環(huán)境中，與陶瓷表面連接的金屬銅表面會被氧化形成一層Cu[O]共晶液相，該液相對互相接觸的金屬銅和陶瓷基板表面都具有良好潤濕效果，并在界面處形成CuAlO2等化合物使金屬銅能夠牢固的敖接在陶瓷表面，實現(xiàn)陶瓷表面的金屬化。而AlN基板具有較強的共價鍵，金屬銅直接覆著在其表面的附著力不高，因此必須進行預處理來改善其與Cu的附著力。一般先對其表面進行氧化，生成一層薄Al2O3，通過該氧化層來實現(xiàn)與金屬銅的連接。
圖7 AlN基板直接覆銅工藝直接鍍銅法直接鍍銅DPC(Direct plating copper)首先將陶瓷基板做前處理清潔，利用薄膜專業(yè)制造技術(shù)－真空鍍膜方式于陶瓷基板上濺鍍結(jié)合于銅金屬復合層，接著以黃光微影之光阻被覆曝光、顯影、蝕刻、去膜工藝完成線路制作，最后再以電鍍/化學鍍沉積方式增加線路的厚度，待光阻移除后即完成金屬化線路制作。DPC工藝在陶瓷薄膜工藝加工基礎(chǔ)上發(fā)展起來的陶瓷電路加工工藝。區(qū)別于傳統(tǒng)的厚膜和薄膜加工工藝，它的加工更加強化電化學加工要求。通過物理方法實現(xiàn)陶瓷表面金屬化以后，采用電化學加工導電銅和功能膜層。
圖8 DPC工藝簡易流程
它的優(yōu)勢集中在以下五個方面：
與任何工藝一樣，DPC與現(xiàn)有的厚膜和薄膜工藝相比也有自身的缺點。
原文始發(fā)于微信公眾號（福建華清）：最適合LED的散熱基板--氮化鋁陶瓷基板
