凯昶德吴朝晖:从LED到VCSEL,DPC陶瓷基板的技术及应用创新

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发表于 2018-1-4 08:35:19 | 显示全部楼层 |阅读模式

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“陶瓷基板为什么能在大功率封装领域占据一席之地?如何解决LED行业的痛点:热电分离?”在由LED网、LED网主办的2018LED行情前瞻分析会上,凯昶德科技陶瓷元件事业部总监吴朝晖以“从LED到VCSEL激光器,DPC陶瓷基板的技术及应用创新”为主题详细剖析了能解决当前热电分离痛点的DPC陶瓷基板技术。

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凯昶德科技陶瓷元件事业部总监吴朝晖

DPC陶瓷基板被采用的原因

尽管近年来LED技术不断升级,LED光效越来越高,大功率led芯片的光电转化效率也只能达到70%到80%,这意味着仍有20%到30%电能会转化成热能。对于LED产生的热能,肯定是要传导出去的。目前主要方式是向PCB板传递,但是这时会发现芯片的背面导热通道和导电通道是重叠的,这对于导热通道选用什么样的材质就是关键所在。

现有的解决方案是把芯片直接固定在铜热沉上,但铜热沉本身就是导电通道,就光源层面来讲,一样是没有实现热电分离。光源最后封装在PCB板上,仍需要导入一个绝缘层来实现热电分离。此时热量虽然没有集中在芯片上,但是却集中在光源下的绝缘层附近,一旦做更大功率,热的问题就出来了。而DPC陶瓷基板可以解决这个问题,其可将芯片直接固在陶瓷上,在陶瓷上做出垂直互联孔,形成内部独立的导电通道,陶瓷本身既是绝缘体,又能散热,这样在光源层面就实现了热电分离。此时下部的PCB板就不需要考虑热电分离结构了,不需要在PCB上面做绝缘层。

DPC陶瓷基板的定义及其特点

要在光源层面解决热电分离问题的陶瓷基板应具有以下特点:首先它必须具有高的导热性,它的导热性要比树脂高几个数量级;第二是要有高的绝缘强度;第三是高线路解析度,这样才能跟芯片进行垂直共接或者倒装,不会出问题;第四是高的表面平整度,焊接的时候就不会有空洞;第五是陶瓷和金属要有高的附着力;第六是垂直互连导通孔,这样才能实现贴片封装,把电路从背面引到正面。而满足这些条件的基板只有DPC陶瓷基板。现在很多的陶瓷基板是丝网印刷做出来的,它的工艺特点满足不了DPC的要求,所以只能叫线路板,不能叫LEDLED封装基板。



DPC陶瓷基板

什么叫DPC陶瓷基板?它又叫直接镀铜陶瓷基板,它采用薄膜金属化和电镀制程的技术,在陶瓷基板上采用影像转移方式制作金属线路,再采用穿孔电镀技术形成高密度双面布线及垂直互连。这是它的产品图,上面是固晶层,下面是焊接层,中间是陶瓷,里面设置了垂直互连孔。

DPC陶瓷基板的材质,首先是氧化铝陶瓷,它的导热系数比较高,如果要做到更高一点,我们可以用氮化铝,它的导热系数非常高,达到170,铝合金的导热系数才220到230,这意味着它和金属导热系数已经差不多了,而且它的绝缘强度非常高,这就是一个非常好的材料。所以在功率越高的时候,氮化铝陶瓷的表现会越佳。

DPC陶瓷基板于三大领域应用剖析

传统照明: 在大功率LED照明上,舞台灯、路灯、景观照明已经大规模使用;在闪光灯方面、CSP上也大量采用,除此之外,还有包括现在很热的汽车头灯,其LED光源基本上也都是采用DPC陶瓷基板。



传统照明应用领域

UV LED:因为UV LED的封装光源不能含有机物,为了应对这种问题,传统的用硅胶填充的方式不能满足,市场需要一种全新的封装结构,即把基板做成三维腔室结构,芯片放在三维腔室结构里,处于真空或者空气环境下面,不填充硅胶进去。台湾推出的解决方案是在DPC的陶瓷底座上加装一块铝金属围坝,是用CNC技术把铝板镂空,开一个窗口,再用胶水把它粘在DPC陶瓷基板上,这样可以满足封装的要求,但是存在胶水不牢靠、不耐热,不防水等问题。日韩推出的解决方案是HTCC陶瓷基板,即高温共烧陶瓷基板,是将陶瓷生膜与钨浆在高温下共烧而获得陶瓷三维腔室,这种方案存在线路粗糙,曲翘变形大,成本高等问题。

而凯昶德推出了3D成型的DPC陶瓷基板。第一、该产品底层线路仍然采用的是DPC工艺;第二是金属围坝与陶瓷基体不采用粘接方式,封装后气密性比较好;第三是制程和现在的DPC制成基本上是相同的,除了增加一个围坝之外;第四是图案设计很灵活,围坝采用模块化制造,新产品开发周期短。



3D成型的DPC陶瓷基板结构示意图

VCSEL:VCSEL全称是“垂直共振腔表面发射激光器”,它的激光是从垂直的衬底发出来的,LED也是从垂直的衬底发出来的,所以VCSEL激光器和LED的芯片结构、制程和封装工艺就比较接近。它的结构有三个,包括顶部的反射器,底部的反射器和中间的发射腔。



VCSEL结构图

VCSEL可以做到几百瓦,但芯片转化效率很低,这就意味着散热肯定有问题,且芯片目前主要是垂直结构,那就和大功率LED一样,面临热电分离的难题,而陶瓷基板就是为解决热电分离诞生的。其次VCSEL的功率密度是非常高的,每平方厘米可以做到千瓦以上,所以只能采用真空封装,即基板要做三维腔室,把透镜架设到芯片上方。VCSEl有这么高的高功率密度,芯片和基板热膨胀失配引起的应力问题会非常严重,因此芯片的热膨胀系数与基板一定要匹配,这些问题,3D成型的DPC陶瓷基板刚好可以解决。总之,未来3D成型的DPC陶瓷基板在VCSEL激光器上将会有广泛的应用前景。(文:LED网 Skavy)



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