謝金平，范小玲，宗高亮

（廣東致卓環(huán)?？萍加邢薰?，廣東 佛山 528200）

近幾年電子產業(yè)飛速發(fā)展，汽車LED(發(fā)光二極管)頭燈、大功率紫外LED燈、光通信激光器等產品需求不斷增加，使得LED芯片的應用范圍越來越廣，尺寸越來越小，功率越來越高，導致其散熱問題日益突出。例如一個面積為1 mm × 1 mm、功率為3 W的LED芯片，如果其光電轉換效率為20%，則有2.4 W的熱量產生，熱流密度為240 W/cm2，可見其熱流密度非常高。如果基板無法解決熱量有效傳導的問題，必然導致產品使用壽命縮短，甚至芯片燒毀。

熱導率能夠反映基板本身直接傳導熱的能力，熱導率越高，表示其散熱能力越好。在大功率LED領域，散熱基板最主要的作用就是有效地將熱能從LED芯片傳導到系統(tǒng)進行散熱，以降低LED芯片的溫度，提高發(fā)光效率和延長LED的使用壽命。因此，熱傳導效果成為業(yè)界選用散熱基板時重要的評估項目之一。本文主要探討大功率LED陶瓷基板的制作工藝和填孔技術，以供同行參考。

1 大功率LED陶瓷基板的制作工藝

針對LED芯片的發(fā)熱問題，技術人員曾嘗試采用多種方式改進其導熱承載體，包括早期以鋁合金、銅為主體的金屬基板，以及目前使用較多的以氧化鋁為核芯的陶瓷基板。陶瓷基板主要有低溫共燒陶瓷(LTCC)、高溫共燒陶瓷(HTCC)、直接鍵合覆銅(DBC)和直接鍍銅(DPC)4種。Al2O3的熱傳導率在20 ~24 W/(m·K)之間；LTCC中添加了30% ~ 50%的玻璃材料，熱傳導率降至2 ~ 3 W/(m·K)；HTCC因其普遍共燒溫度略低于純Al2O3基板，故其材料密度較低，熱傳導率低于Al2O3基板，在16 ~ 17 W/(m·K)之間。對于普通LED芯片而言，這些材料都可以滿足要求，但對于發(fā)熱量高的大功率LED芯片，這些基板并不理想，熱傳導率為150 ~ 190 W/(m·K)的氮化鋁(AlN)才是合適的選擇。除了選用AlN外，還要結合其大功率、大電流的特點對芯片和基板進行整體結構設計，包括鍍層結構、線路設計、孔互聯(lián)等。經對比驗證，制備大功率LED芯片基板的較佳方案是將DPC工藝和填通孔技術相結合，工藝流程見圖1。

圖1 大功率LED陶瓷基板的制作工藝流程Figure 1 Process flow for manufacturing ceramic substrate applied to high-powered LEDs

具體如下：

(1) 選用具有高熱傳導率的氮化鋁陶瓷；

(2) 借助激光機打孔得到通孔陶瓷基板；

(3) 在陶瓷基板表面磁控濺射過渡層──微納米氧化鋁膜；

(4) 在過渡層上磁控濺射得到熱應力緩沖層──鈦鎢合金層；

(5) 通過磁控濺射直接覆銅，獲得雙面薄層導電銅層；

(6) 采用合適的設備和電鍍液實現(xiàn)通孔填充；

(7) 通過半加成法線路加工，在表面形成銅層線路，從而提高基板各層電路之間的信號傳輸能力和熱傳導能力；

(8) 最后通過電鍍貴金屬對電路表面進行加工，其中基板背面的金屬層用于與散熱器共晶貼合，以實現(xiàn)高導熱性能。

最重要的工序為磁控濺射、填通孔鍍銅和精細線路加工?，F(xiàn)階段磁控濺射技術已經很成熟，針對不同材料都有對應的工藝可供選擇，品質可靠。精細線路加工方面，可借助真空 + 雙流體蝕刻機、光刻機等先進設備，實現(xiàn)難度也不大。在填通孔方面，大功率LED陶瓷基板用的AlN材料厚度一般為380 μm，通孔直徑一般為100 μm，相對于傳統(tǒng)PCB填通孔和半導體填孔，其性能要求特殊，難度較大，品質及穩(wěn)定性有待進一步研究和改善，因此下文著重探討填通孔技術。

2 填通孔技術

2.1 樹脂塞孔

常見的樹脂塞孔有壓合填孔和樹脂油墨塞孔2種方式。壓合填孔主要應用于厚徑比低和孔數(shù)少的內層填孔。樹脂油墨塞孔可用于厚徑比高及孔數(shù)較多的填孔，主要應用于外層填孔，是當前PCB行業(yè)普遍采用的塞孔方式，根據(jù)實施方式不同，可分為絲網印刷塞孔和滾涂塞孔。

2.2 導電膠塞孔

導電膠塞孔主要借助導電膠填充通孔。相對于一些絕緣性填充材料而言，導電膠具有一定的散熱效果，但工藝流程較復雜。另外，為了滿足基板的表面平整度，需要將多余的導電膠研磨掉。由于需要覆蓋的二次電鍍，因此基板面銅的總厚度增大，蝕刻時線路的微細化將顯著受限。

2.3 電鍍填通孔

樹脂和導電膠塞的散熱通孔是利用含金屬的環(huán)氧基膏體來提高通孔的熱導率，盡管對提高散熱效果有一定的作用，但與純金屬相比，導熱率還是較低，因此在大功率LED基板上的使用受限。而填通孔鍍銅是利用電化學方法在孔內電沉積金屬銅來完全填充散熱通孔。銅的熱傳導率高達360 W/(m·K)，導熱性更好，可靠性更高。另外，電鍍填通孔技術相對于其他填通孔技術可以縮短操作流程，節(jié)省人力和物力。

根據(jù)所用電源類型，電鍍填通孔技術可分為直流電鍍一步法、脈沖電鍍一步法及脈沖電鍍兩步法。

2.3.1 直流電鍍一步法

直流電鍍一步法被視為用銅填充通孔的理想工藝，因為它可最大限度地減少電鍍槽的數(shù)量和縮短電鍍生產線長度。但直流電鍍銅填通孔受基板厚度的限制。對于厚度小于200 μm、直徑為100 μm的基板，搭配專用的設備和合適的添加劑，使用直流電鍍一步法尚可實現(xiàn)填通孔。但隨著基板厚度的增大，直流電鍍填通孔所需時間大幅延長，且孔內空洞現(xiàn)象(見圖2和表1)無法避免，加之大功率LED陶瓷基板的介質層厚度以380 μm居多，因此采用直流電鍍一般無法實現(xiàn)完全填充。

圖2 大功率LED陶瓷基板直流電鍍填通孔的示意圖Figure 2 Sketch showing through hole filling on high-powered ceramic-based LEDs by direct-current plating

表1 大功率LED陶瓷基板直流電鍍填通孔的常用配方及填充效果Table 1 Common bath composition for through hole filling on high-power ceramic-based LEDs by direct current plating and its filling effectiveness

2.3.2 脈沖電鍍一步法

在有機添加劑的協(xié)助下采用正反雙向脈沖(PPR)電鍍是填充通孔的有效途徑之一。直流電鍍時僅電流密度可控，而PPR電鍍過程有3個參數(shù)可以獨立控制，分別為脈沖頻率、占空比和電流密度，可更好地控制銅沉積。另外，不同的PPR波形組合在一起可構成復合波形。反向電流的主要作用是對電流密度較大的尖端部位(孔口)所沉積的銅進行反咬蝕，起到拉平的效果。在正向電流的作用下，由于添加劑的輔助作用，銅離子在孔內的沉積速率大于在板面的沉積速率，保證了銅離子在孔內的順利沉積，從而避免了空洞形成。若結合使用特殊類型的添加劑，則對板厚380 μm、孔徑100 μm的通孔有較好的填充效果，如圖3和表2所示。

圖3 大功率LED陶瓷基板正反脈沖電鍍一步法填通孔的示意圖Figure 3 Sketch showing through hole filling on high-powered ceramic-based LEDs by pulse-reverse plating

表2 大功率LED陶瓷基板脈沖電鍍一步法填通孔的常用參數(shù)及效果Table 2 Common bath composition for through hole filling on high-powered ceramic-based LEDs by pulse-reverse plating and its filling effectiveness

2.3.3 脈沖電鍍兩步法

陶瓷基板上的通孔通常是激光鉆孔并濺射導電層所得。如圖4所示，先在1個特殊的異步反向脈沖波形下結合特定的添加劑電鍍銅，在孔中心形成橋接(搭橋)，將1個通孔分割成2個盲孔，再電鍍填盲孔，可獲得很好的填孔效果，空洞現(xiàn)象很少，穩(wěn)定性好。但該法對添加劑和電鍍參數(shù)的控制要求非常嚴格，對設備和操作人員的要求也很高，其常用參數(shù)和填孔效果見表3。

圖4 大功率LED陶瓷基板脈沖電鍍兩步法填通孔的示意圖Figure 4 Sketch showing through hole filling on high-powered ceramic-based LEDs by two-step pulsed plating

表3 大功率LED陶瓷基板兩步法脈沖電鍍填通孔的常用參數(shù)及效果Table 3 Common bath composition for through hole filling on high-powered ceramic-based LEDs by two-step pulsed plating and its filling effectiveness

3 結語

大功率LED封裝領域對基板的散熱要求越來越高，為了解決高導熱和大功率問題，從成本和應用效果看，較可靠的方案是選用AlN陶瓷基板，采用直接鍍銅(DPC)工藝與電鍍填通孔相結合的技術。在電鍍填通孔方面，直流電鍍只適用于介質層厚度為100 μm左右的通孔；對于介質層厚度在380 μm及以上的通孔，采用脈沖電鍍兩步法的填通孔效果較好，更可靠，陶瓷基板表面鍍銅層較薄，適用于做精細線路，但對設備和添加劑的要求較高。脈沖電鍍一步法對設備和添加劑的要求較低，也能用于介質層厚度為380 μm陶瓷基板的填通孔。