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浅谈LED封装PCB和DPC陶瓷PCB
来源: | 作者:szzlgd | 发布时间: 2020-11-16 | 617 次浏览 | 分享到:
功率型LED封装PCB作为热与空气对流的载体,其热导率对LED的散热起着决定性作用。DPC陶瓷PCB以其优良的性能和逐渐降低的价格,在众多电子封装材料中显示出很强的竞争力,是未来功率型LED封装发展的趋势。随着科学技术的发展、新制备工艺的出现,高导热陶瓷材料作为新型电子封装PCB材料,应用前景十分广阔。

  随着LED芯片输入功率的不断提高,大耗散功率带来的大发热量给LED封装材料提出了更新、更高的要求。在LED散热通道中,封装PCB是连接内外散热通路的关键环节,兼有散热通道、电路连接和对芯片进行物理支撑的功能。对高功率LED产品来讲,其封装PCB要求具有高电绝缘性、高导热性、与芯片匹配的热膨胀系数等特性。

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  树脂基封装PCB:配套成本高普及尚有难度

  emc和SMC对模压成型设备要求高,一条模压成型生产线价格在1000万元左右,大规模普及尚有难度。

  近几年兴起的贴片式LED支架一般采用高温改性工程塑胶料,以PPA(聚邻苯二甲酰胺)树脂为原料,通过添加改性填料来增强PPA原料的某些物理、化学性质,从而使PPA材料更加适合注塑成型及贴片式LED支架的使用。PPA塑料导热性能很低,其散热主要通过金属引线框架进行,散热能力有限,只适用于小功率LED封装。

  金属芯印刷电路板:制造工艺复杂实际应用较少

  铝基PCB的加工制造过程复杂、成本高,铝的热膨胀系数与芯片材料相差较大,实际应用中较少采用。高功率LED封装大多采用此种PCB,其价格介于中、高价位间。

  当前生产上通用的大功率LED散热PCB,其绝缘层导热系数极低,而且由于绝缘层的存在,使得其无法承受高温焊接,限制了封装结构的优化,不利于LED散热。

  硅基封装PCB:面临挑战良品率低于60%

  硅基PCB在绝缘层、金属层、导通孔的制备方面都面临挑战,良品率不超过60%。以硅基材料作为LED封装PCB技术,在半导体业界LED行业有所应用。硅基PCB的导热性能与热膨胀性能都表明了硅是与LED较匹配的封装材料。硅的导热系数为140W/m·K,应用于LED封装时,所造成的热阻只有0.66K/W;而且硅基材料已被大量应用在半导体制程及相关封装领域,所涉及相关设备及材料已相当成熟。因此,若将硅制作成LED封装PCB,容易形成量产。

  不过,LED硅PCB封装仍有许多技术问题。例如,材料方面,硅材容易碎裂,且机构强度也有问题。结构方面,硅尽管是优良导热体,但绝缘性不良,必须做氧化绝缘处理。此外,其金属层需采用溅镀结合电镀的方式制备,导电孔需采用腐蚀的方法进行。总体看来,绝缘层、金属层、导通孔的制备都面临挑战,良品率不高。

  陶瓷封装PCB:提升散热效率满足高功率LED需求

  配合高导热的陶瓷基体显著提升了散热效率,是最适合高功率、小尺寸LED发展需求的产品。陶瓷PCB具有新的导热材料和新的内部结构,弥补了铝金属PCB所具有的缺陷,从而改善PCB的整体散热效果。目前可用作散热PCB的陶瓷材料中,BeO虽然导热系数高,但其线膨胀系数与硅相差很大,且制造时有毒,限制了自身的应用;BN具有较好的综合性能,但作为PCB材料,没有突出的优点,而且价格昂贵,目前只是处于研究和推广中;碳化硅具有高强度和高热导率,但其电阻和绝缘耐压值较低,金属化后键合不稳定,会引起热导率和介电常数的改变,不宜作为绝缘性封装PCB材料。Al2O3陶瓷基片虽是目前产量最多、应用最广的陶瓷基片,但由于其热膨胀系数相对Si单晶偏高,导致Al2O3陶瓷基片并不太适合在高频、大功率、超大规模集成电路中使用。A1N晶体具有高热导率,被认为是新一代半导体PCB和封装的理想材料。

  AlN陶瓷PCB从20世纪90年代开始得到广泛地研究而逐步发展起来,是目前普遍认为很有发展前景的电子陶瓷封装材料。AlN陶瓷PCB的散热效率是Al2O3的7倍之多,AlN陶瓷PCB应用于高功率LED的散热效益显著,进而大幅提升LED的使用寿命。

  基于板上封装技术而发展起来的直接覆铜陶瓷板(DBC)也是一种导热性能优良的陶瓷PCB。DBC在制备过程中没有使用黏结剂,因而导热性能好,强度高,绝缘性强,热膨胀系数与Si等半导体材料相匹配。然而,陶瓷PCB与金属材料的反应能力低,润湿性差,实施金属化颇为困难,不易解决Al2O3与铜板间微气孔产生的问题,这使得该产品的量产与良品率受到较大的挑战,仍然是国内外科研工作者研究的重点。目前国内也只有斯利通领头的寥寥数家能够量产。

  DPC陶瓷PCB又称直接镀铜陶瓷板,DPC产品具备线路精准度高与表面平整度高的特性,非常适用于LED覆晶/共晶工艺,配合高导热的陶瓷基体,显著提升了散热效率,是最适合高功率、小尺寸LED发展需求的跨时代产物。

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