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针对国内LED封装陶瓷基板现状

新闻来源: 发布日期:2017-12-28 10:48:45发布人:佳日丰小张

封装基板作为LED重要构件随着LED芯片技术的发展也在发生变化,目前LED散热基板主要使用金属与陶瓷基板。金属基板以铝或铜为材料,由于技术成熟,且具成本优势,目前为一般LED产品所采用。而陶瓷基板线路对位精确度高,为业界公认导热与散热性能极佳材料,是目前高功率LED散热最适方案,被包括Cree、欧司朗等国际大厂和国内领先企业导入产品。目前陶瓷基板在国内外均有小规模生产,其未来产业化前景将受到芯片封装方式的影响,随着未来LED芯片封装向倒装或垂直技术方向发展,陶瓷基板将前景可期。

一、陶瓷基板主要用于高功率LED 

LED的散热会对LED芯片的效率、寿命、可靠性等产生重要影响,这就要求LED封装具有良好的散热能力。因此,作为LED重要构件的封装基板不仅是载片的作用,更是散热的重要通道之一,它的结构和材料在散热过程中起着关键的作用。随着LED芯片技术的发展,LED 产品的封装结构从引脚式封装结构到表面贴装式(SMD)封装结构再到功率型封装结构,LED的封装基板也从传统的玻璃环氧树脂,发展到如今主流的金属材料,而近年来陶瓷基板的出现,对铝基板的地位形成了一定的冲击。

目前,LED散热基板主要使用金属与陶瓷基板。金属基板以铝或铜为材料,由于技术成熟,且具成本优势,目前为一般LED产品所采用。而陶瓷基板线路对位精确度高,为业界公认导热与散热性能极佳材料,是目前高功率LED散热最适方案,虽然成本比金属基板来得高,但照明要求的散热性及稳定性高于笔记本电脑、电视等电子产品,因此,包括Cree、欧司朗、飞利浦及日亚化等国际大厂,都使用陶瓷基板作为LED晶粒散热材质。国内企业都有导入陶瓷封装。

由于高分子绝缘材料的导热系数较低,同时耐热性能较差,如果要提高铝金属基板的整体导热性能及耐热性能,需要替换掉绝缘材料,但是绝缘材料的启用,使得同线路无法自傲铝金属基板之上布置,所以目前直接提高铝金属基板的导热系数还无法实现。而陶瓷散热基板,其具有新的导热材料和新的内部结构,以消除铝金属基板所具有的缺陷,从而改善基板的整体散热效果。下表为陶瓷散热基板与金属散热基板比较。

表1 陶瓷散热基板与金属散热基板比较

二、不同种类的陶瓷基板均有工艺瓶颈需要跨越

目前市场上的陶瓷散热基板种类很多,工艺也不尽相同,厂家根据LED产品的散热需要选择合适的散热基板,最终在散热性能和成本上达到最好的综合效果。陶瓷散热基板根据材料分有主要有氧化铝基板和氮化铝基板,根据结构分主要有单层基板和多层基板(两层)。现阶段较普遍的陶瓷散热基板种类共有LTCC(低温共烧多层陶瓷基板)、HTCC(高温共烧多层陶瓷)、DBC(直接接合铜基板)、DPC(直接镀铜基板)四种,其中HTCC属于较早期发展之技术,但由于其较高的工艺温度(1300~1600℃),使其电极材料的选择受限,且制作成本相当昂贵,这些因素促使LTCC的发展,LTCC虽然将共烧温度降至约850℃,但其尺寸精确度、产品强度等技术上的问题尚待突破。而DBC与DPC则为近几年才开发成熟,且能量产化的专业技术,但对于许多人来说,此两项专业的工艺技术仍然很陌生,甚至可能将两者误解为同样的工艺。DBC是利用高温加热将Al2O3与Cu板结合,其技术瓶颈在于不易解决Al2O3与Cu板间微气孔产生之问题,这使得该产品的产能与良率受到较大的挑战,而DPC技术则是利用直接披覆技术,将Cu沉积于Al2O3基板之上,该工艺结合了材料与薄膜工艺技术,其产品为近年最普遍使用的陶瓷散热基板,然而其材料控制与工艺技术整合能力要求较高,这使得跨入DPC产业并能稳定生产的技术门槛相对较高。

表2 陶瓷散热基板特性比较

历时两年共同研发并获得国家实用新型专利的全新K9-H陶瓷LED复合散热材料,成功应用于LED灯泡上并已于去年实现量产。

三、新型垂直和倒装芯片的封装需要使用陶瓷基板 

硅衬底垂直芯片在封装时,一般采用陶瓷基板作为热导和电性载体,可以获得优越的热电效应。在倒装芯片封装时,可选取陶瓷基板作为热导和电性载体以获得优越的热电效应,当然也可以用金属铜作为基板,这主要取决于谁能更好的解决灯具的三人问题。目前中国LED芯片95%的主流应用市场为正装芯片,国内LED用倒装和垂直芯片的需求量会稳步增长至目前下游应用市场的20%-30%。

因此,倒装或垂直技术的发展对陶瓷基板来说,有着绝对的好处,并且陶瓷在未来的倒装或垂直封装工艺中将会更有优势。此外,在1-5W的功率范围内,陶瓷封装也会存有优势,例如3535这类的器件,可以直接Molding,用聚光杯将它Molding在陶瓷基板上面。封装方式的改变,进而引发基板材料的变化,因此倒装芯片的封装方式或许也将引发一场新一代配套基板材料的变革。

四、陶瓷基板未来成本有待压缩,前景可期 

当前导致基板市场价格各异的主要因素,是其采用原材料的差异。例如目前市场主要分为铝基板、陶瓷基板及铜基板,同时在普通铝基板的基础上,当前市场又逐步延生出镜面铝基板。铝基、陶瓷基、铜基三者相比,应该是铜基价格最贵,但是目前市面上铜基板已不多见,其因价格过高,导致性价比偏低。陶瓷基比铝基略贵,并且当前市面上应用最多的应为铝基,但是目前市面上均在研发陶瓷基板,其成本也在逐步下降。目前,铝基板约为400元每平方,铜基板约为800-900元每平方,纯陶瓷基板约为500元每平方,印上银电路后为1000元每平方,价格略高。

08年前后,当国内封装企业刚涉足显示及背光领域的时候,科锐的大功率陶瓷封装光源横空出世,当时在国内也掀起一阵投身大功率陶瓷封装的浪潮,此后投身其中的各大国内封装企业均以失败告终,主要原因包括:国产封装技术的不成熟、原材料陶瓷基板依赖进口供货难,以及品牌知名度的欠缺。进入2015年以来,随着国产倒装芯片的逐步成熟,对陶瓷基板的市场需求扩大。此外,材料成本的大幅下跌以及国内生产陶瓷基板企业的增多,对于国内陶瓷封装从业者而言,似乎又看到了久违的春天。与此同时,伴随着CSP技术而催生的新兴市场,除去原有的传统户外照明市场及强光手电筒市场外,大功率陶瓷封装也开始向汽车大灯、Flash LED、紫外 LED等领域逐步渗透。因而,其前景看来十分值得期待。


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