高功率LED封裝技術(shù)的發(fā)展與趨勢，仍朝低熱阻、高可靠度、高出光率、長壽命、易加工、小尺寸及低成本等方向持續(xù)不斷地改進(jìn)。陶瓷封裝憑借其獨特的耐高溫與不易劣化等特性，始終在高功率LED市場占據(jù)著一席之地。
在LED陶瓷封裝中，陶瓷基板作為芯片的承載基板，起著機械支撐保護(hù)、電互連(絕緣)、導(dǎo)熱散熱、輔助出光等作用。傳統(tǒng)上應(yīng)用于LED陶瓷封裝的基板主要采用LTCC和HTCC工藝制備，其典型供應(yīng)商有日本的京瓷及中國的潮州三環(huán)。
LTCC/HTCC陶瓷基板從其制備工藝看，由于采用了多層疊壓共燒工藝，可以制備含密封腔體的多層結(jié)構(gòu)，滿足器件氣密封裝要求，但在實際應(yīng)用中，仍存在如下缺點：采用厚膜印刷完成線路制作，由于網(wǎng)板張力變化等因素，線路表面較為粗糙(Ra約為1~3um)，對位不精準(zhǔn)。
而且多層陶瓷疊壓燒結(jié)工藝還有收縮比例失調(diào)引起的尺寸精度問題，這使得其工藝解析度較為受限，不利于高精密微電子封裝技術(shù)，以上因素的疊加使得LTCC/HTCC等厚膜線路陶瓷基板的推廣應(yīng)用受到極大挑戰(zhàn)。下圖1展示了典型的LTCC陶瓷基板截面圖及厚膜線路表面狀態(tài)圖?！ ?/p>
圖1帶陶瓷腔體的LTCC陶瓷基板截面圖
在向LED功率器件封裝領(lǐng)域的推廣過程中，LTCC/HTCC厚膜線路陶瓷基板的固有缺點顯露無遺，使得這種封裝形式在LED領(lǐng)域如曇花一現(xiàn)般快速沒落，2012年左右即快速退出了市場，取而代之是一種平板型的DPC陶瓷基板，其典型供應(yīng)商有臺灣地區(qū)的同欣電子及大陸的凱昶德(證券代碼：831790，股票簡稱：凱德科技)。
如圖2所示，平板型DPC陶瓷基板是一種結(jié)合薄膜線路與電鍍制程的技術(shù)，在薄膜金屬化的陶瓷板上采用影像轉(zhuǎn)移方式制作線路，再采用穿孔電鍍技術(shù)形成高密度雙面布線間的垂直互連。
由于采用了半導(dǎo)體微加工技術(shù)，基板線寬可降低為10~30um，表面平整度高(<0.3um)，線路對位精準(zhǔn)度高(±1%)，再配以高絕緣、高導(dǎo)熱的陶瓷基體(氧化鋁、氮化鋁)，因此平板型DPC陶瓷基板具備了高線路精準(zhǔn)度、高表面平整度、高絕緣及高導(dǎo)熱的特性，在LED高功率封裝領(lǐng)域迅速占據(jù)了重要的市場地位?！ ?/p>
圖2平板型DPC陶瓷基板結(jié)構(gòu)示意圖
平板型DPC陶瓷基板盡管在LED領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但薄膜線路采用的黃光微影技術(shù)只能在平板上進(jìn)行布線，其工藝局限性使得它們不能在陶瓷基板上做出三維密封腔室，無法實現(xiàn)LED功率器件的三維氣密封裝，滿足高氣密性、高真空度或惰性氣體填充等特殊要求。
為實現(xiàn)氣密封裝，DPC陶瓷基板一般采用注塑的方式實現(xiàn)密封膠填充和成型，技術(shù)要求高，工藝流程復(fù)雜，注塑設(shè)備昂貴，這也限制了薄膜線路陶瓷基板在功率器件領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
鑒于現(xiàn)有基板在功率器件封裝領(lǐng)域的應(yīng)用缺陷，凱昶德經(jīng)過潛心研發(fā)，突破了陶瓷-金屬3D成型技術(shù)，推出了含金屬密封腔體的3D成型DPC陶瓷基板，以滿足現(xiàn)有功率器件封裝技術(shù)的發(fā)展需要。
圖3凱昶德3D成型DPC陶瓷基板結(jié)構(gòu)示意圖
凱昶德3D成型DPC陶瓷基板結(jié)構(gòu)如圖3所示，其線路層仍然保留了薄膜線路陶瓷基板特有的高解析度、高平整度及高可靠垂直互聯(lián)等技術(shù)優(yōu)勢，且在陶瓷基板表面一體成型獲得金屬密封腔，形成陶瓷-金屬3D密封結(jié)構(gòu)。
該技術(shù)既消除了LTCC/HTCC等厚膜基板尺寸精度不高，線路粗糙等缺陷，也彌補了現(xiàn)有薄膜基板無法制作3D封裝腔體的缺陷，且基體可以根據(jù)封裝需要，在高導(dǎo)熱氮化鋁、高強度氮化硅、高純氧化鋁等不同陶瓷材質(zhì)中任意選擇，工藝一致性好，成本低，為高可靠，高功率及小型化LED功率器件的封裝提供了更廣闊的解決方案。
應(yīng)用于UVLED：實現(xiàn)全無機封裝，可靠性高、成本低
LED陶瓷封裝光源已逐漸向紫外、紅外，植物照明、汽車照明，閃光燈舞臺燈等細(xì)分市場滲透，近幾年獲得飛速發(fā)展，其中UVLED市場前景尤其值得期待。
盡管UVLED在印刷固化、殺菌消毒、空氣凈化、醫(yī)療、生化檢測等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但也面臨著可靠性差、散熱不良、光效不高、成本高等問題。
國內(nèi)市場上主要采用傳統(tǒng)白光LED封裝技術(shù)，其封裝材料含有有機材質(zhì)，盡管采用了陶瓷基板作為芯片支撐，但透明出光材料仍為硅膠和環(huán)氧樹脂等，如圖4(a)所示。這類有機材料是影響UVLED壽命和可靠性的關(guān)鍵，使得器件無法實現(xiàn)氣密封裝，導(dǎo)致LED信賴性中冷熱循環(huán)實驗中存在巨大風(fēng)險。
為了應(yīng)對UVLED的高能輻射對有機材料的影響，日、韓等制造商近期推出了采用LTCC/HTCC陶瓷密封腔+玻璃透鏡的UVLED器件，惰性氣體填充，陶瓷基座與玻璃透鏡仍然采用有機粘結(jié)材料，如圖4(b)所示。
臺灣地區(qū)也相繼推出了一種陶瓷底板+鋁基圍壩+玻璃透鏡的封裝結(jié)構(gòu)，陶瓷與鋁基圍壩、鋁基圍壩與玻璃透鏡之間仍采用有機粘結(jié)材料粘合，如圖4(c)所示。由此可見，現(xiàn)有國內(nèi)外封裝技術(shù)仍或多或少的采用了有機材料，盡管通過對有機材料進(jìn)行改性，在一定程度上減緩了LED金線受損和斷線失效，但有機材料長期在高強度紫外光、熱、濕、氧氣條件下工作，可靠性很難得到保證?！ ?/p>
圖4：(a)國內(nèi) (b)日韓等國外 (c)臺灣地區(qū)
當(dāng)前幾種主要UVLED封裝形式
凱昶德推出的3D成型DPC陶瓷基板則為徹底去除有機封裝材料提供了最佳解決方案。如圖5所示，陶瓷基板與金屬圍壩一體成型，形成密封腔體，無連接界面，氣密性高，防水性好;金屬圍壩的形狀可以任意設(shè)計，圍壩頂部可制備出定位臺階，便于精確放置玻璃透鏡;根據(jù)器件氣密性要求，圍壩與透鏡的連接，或采用焊接或采用粘結(jié)都非常方便;3D成型DPC陶瓷基板可以整片制造，具有工藝一致性高，成本低，制造周期短，無模具開發(fā)費用等優(yōu)點，非常適用于大規(guī)模自動化生產(chǎn)?！ ?/p>
圖5凱昶德3D成型陶瓷基板UVLED全無機封裝結(jié)構(gòu)圖
針對市場前景最為廣泛的UV-CLED封裝，凱昶德的3D成型DPC陶瓷基板更是擁有其他基板無法比擬的優(yōu)勢。首先，UV-CLED由于p-GaN的吸收，只能采用倒裝方法從背面出光。
其次，當(dāng)前UV-CLED芯片外量子效率還較低，致使大部分電能轉(zhuǎn)化為熱能，必須采用倒裝工藝促進(jìn)散熱，這就意味著無論從芯片制程還是從封裝工藝考慮，UV-CLED都必須采用倒裝共晶技術(shù)。
圖6帶反射杯的UV-C倒裝結(jié)構(gòu)圖
市場上目前推出的LTCC/HTCC陶瓷基板，其固晶區(qū)均采用厚膜絲印技術(shù)，線路解析度及表面粗糙度無法達(dá)成芯片倒裝共晶的要求，而凱昶德推出的3D成型基板，其線路層采用的是薄膜工藝，完全契合了芯片倒裝共晶的工藝要求，配以玻璃蓋板金屬封焊技術(shù)，可實現(xiàn)全無機倒裝共晶封裝，是目前最適合于UV-CLED封裝的基板解決方案。
此外，該3D成型工藝還可以把圍壩設(shè)計成帶一定反射角的碗杯狀，提高出光效率，圖6顯示了帶反射杯的UV-CLED倒裝結(jié)構(gòu)圖。
應(yīng)用于LED舞臺燈：封裝設(shè)計更靈活，制程簡單
凱昶德陶瓷-金屬3D成型技術(shù)，不僅能獲得高真空度所需的密閉腔室，也能根據(jù)器件需要制作出不同形狀的圍壩圖案，該技術(shù)可簡化現(xiàn)有大功率LED舞臺燈的封裝制程，提高可靠性。
以某國際大廠推出的舞臺燈為例，其封裝結(jié)構(gòu)圖如圖7(a)所示，采用氮化鋁陶瓷基板外加方形玻璃透鏡的封裝方式，芯片為RGBW四垂直芯片，每顆芯片最高可處理4.5A的電流。
由于驅(qū)動電流大，功率相對較大，因此采用半封閉式設(shè)計，在玻璃透鏡的兩端各開一個小口，作為空氣流通的通道，通過熱對流的方式進(jìn)行散熱?！ ?/p>
(a)市場上現(xiàn)有封裝 (b)3D成型DPC陶瓷基板封裝
圖7RGBW舞臺燈結(jié)構(gòu)圖
這種設(shè)計筆者認(rèn)為存在一些缺陷，比如玻璃透鏡形狀復(fù)雜，制作成本高;玻璃透鏡與基板之間采用有機粘合，容易脫落，降低了可靠性;玻璃透鏡與基板粘合時對位精度要求高，增加了封裝設(shè)備成本。
采用3D成型DPC陶瓷基板則可以克服以上缺陷，如圖7(b)所示，該技術(shù)可以在陶瓷基體上一體成型出帶有散熱口的金屬圍壩，封裝時不存在圍壩與陶瓷基板對位偏移的風(fēng)險，圍壩頂部制作有限位臺階，便于玻璃透鏡的定位。
根據(jù)可靠性高低要求，玻璃透鏡與圍壩之間可以采用有機粘合或者金屬焊接的方式進(jìn)行結(jié)合，圍壩及玻璃透鏡結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低，同時大大簡化了封裝難度，降低了封裝成本。同樣，通過改變圍壩圖案或者圍壩高度，可以改善出光效率、調(diào)整出光角度。
通過以上設(shè)計方案的探討，筆者認(rèn)為，凱昶德推出的3D成型DPC陶瓷基板，在極大程度上彌補了現(xiàn)有LTCC/HTCC、平板型DPC等陶瓷基板的各自缺陷，為UVLED、大功率舞臺燈等新型功率器件封裝提供了更好的解決方案。
此外，鑒于其良好的密封性、導(dǎo)熱性、耐熱性、絕緣性、高頻特性及低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點，凱昶德推出的3D成型DPC陶瓷基板，已在SiC、GaN基第三代光電及半導(dǎo)體功率器件、光纖通訊、5G射頻模塊、大功率微波器件、光伏模組、MEMS傳感器等封裝領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，擁有廣闊的市場前景。
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