导读： 目前，随着国内外LED行业向高效率、高密度、大功率等方向发展，从2017到2018就可以看出，整体国内LED有了突飞猛进的进展，功率也是越来越大，开发性能优越的散热材料已成为解决LED散热问题的当务之急。
目前，随着国内外LED行业向高效率、高密度、大功率等方向发展，开发性能优越的散热材料已成为解决LED散热问题的当务之急。一般来说，LED发光效率和使用寿命会随结温的增加而下降，当结温达到125℃以上时，LED甚至会出现失效。为使LED结温保持在较低温度下，必须采用高热导率、低热阻的散热基板材料和合理的封装工艺，以降低LED总体的封装热阻。
图1 LED散热陶瓷基板
LED散热基板的作用是吸收芯片产生的热，并传导至热沉上，从而实现与芯片外界的热交换。因此，作为LED的理想散热基板必须在物理性质、化学性质、电学性质方面具有以下几个特性：
(2)高的热导率，热膨胀系数与芯片材料相匹配。
(3)低的介电常数和介电损耗。
(4)电绝缘性好，并具有很高的机械强度高。
(5)价格低廉、易加工。
(6)密度小、无毒。
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现阶段常用基板材料有Si、金属(Al、Cu、W、Mo)及金属合金材料(Cu/W、Cu/Mo)、陶瓷(Al2O3、AlN、SiC、BN)和复合材料等，它们的热膨胀系数与热导率如表1所示。其中Si材料成本高；金属及金属合金材料的固有导电性、热膨胀系数与芯片材料不匹配；陶瓷材料难加工等缺点，均很难同时满足大功率基板的各种性能要求。
表1 常见大功率LED封装基板的热膨胀系数与热导率
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陶瓷基板材料常见的主要有Al2O3、AlN、SiC、BN、BeO、Si3N4等，与其他基板材料相比，陶瓷基板在机械性质、电学性质、热学性质具有以下特点：
(1)机械性能。机械强度，能用作为支持构件；加工性好，尺寸精度高；表面光滑，无微裂纹、弯曲等。
(2)热学性质。导热系数大，热膨胀系数与Si和GaAs等芯片材料相匹配，耐热性能良好。
(3)电学性质。介电常数低，介电损耗小，绝缘电阻及绝缘破坏电高，在高温、高湿度条件下性能稳定，可靠性高。
(4)其他性质。化学稳定性好，无吸湿性；耐油、耐化学药品；无毒、无公害、α射线放出量小；晶体结构稳定，在使用温度范围内不易发生变化；原材料资源丰富。
AlN陶瓷具有高热导率、高强度、高电阻率、密度小、低介电常数、无毒、以及与Si相匹配的热膨胀系数等优异性能，将逐步取代传统大功率LED基板材料，成为今后最具发展前途的一种陶瓷基板材料。
氮化铝(AlN)是一种人工合成矿物，并非天然存在于大自然中。AlN的晶体结构类型为六方纤锌矿型，具有密度小(3.26g/cm3)、强度高、耐热性好（约3060℃分解）、热导率高、耐腐蚀等优点。
图2 AlN纤锌矿型晶体结构示意图
AlN是一种强共价键化合物，其热传导机理是晶格振动（即声子传热）。由于Al和N的原了序数小，从本性上决定了AlN具有很高的热导率，其热导率理论值可高达319W/m·K。但在实际产品中，由于AlN的晶体结构可能完全均匀分布，并存在很多杂质和缺陷，如图3所示，使得其热导率般只有170-230W/m·K。在热传导过程中，晶体中的各种缺陷（如点阵畸变、位错、杂质、气孔、微裂纹）、晶界、界面、第二相以及声子本身都会对声子产生干扰和散射，从而大大降低基板的热导率。
图3 影响AlN基板热导率的各种因素
由于AlN基板不具有电导性，因此在用作大功率LED散热基板之前必须对其表面进行金属化和图形化。但AlN与金属是两类物理化学性质完全不同的材料，两者差异表现最为突出的就是形成化合物的成键方式不同。AlN是强共价键化合物，而金属一般都表现为金属键化合物，因此与其它化学键的化合物相比，在高温下AlN与金属的浸润性较差，实现金属化难度较高。因此，如何实现AlN基板表面金属化和图形化成为大功率LED散热基板发展的一个至关重要问题。目前使用最广泛的AlN基板金属化的方法主要有：(1)机械连接法、(2)厚膜法、(3)共烧法、(4)薄膜法、(5)直接覆铜法、(6)直接镀铜法。
机械连接法
机械连接法的特点是采取合理的结构设计将AlN基板与金属连接在一起，主要有热套连接和螺栓连接两种。机械连接方法具有工艺简单，可行性好等特点，但它常常会产生应力集中，并且不适用于高温环境。
厚膜法
厚膜法是通过丝网印刷在AlN基板表面涂刷一层导体浆料，经烧结形成引线接点及电路。厚膜导体浆料一般由导电金属粉末（Au、Ag、Cu等，粒度为1-5μm）、玻璃粘结剂和有机载体（包括表面活性剂、有机溶剂和增稠剂等）经混合球磨而成。其中导电金属粉末决定了浆料成膜后的电学性能和机械性能，玻璃粘结剂的作用是粘结导电金属粉末与基体材料并决定了两者之的粘结强度，有机载体作为溶剂将金属粉末与粘结剂混合在一起。
图4 厚膜法金属化AlN基板示意图
共烧法
共烧法是通过丝网印刷工艺在AlN陶瓷生片表面涂刷一层难熔金属（Mo、W等）的厚膜浆料，一起脱脂烧成，使导电金属与AlN陶瓷烧成为一体结构。共烧法根据烧结温度的高低可分为低温共烧(LTCC)和高温共烧(HTCC)两种方式，低温共烧基板的烧结温度一般为800-900℃，而高温共烧基板的烧结温度为1600-1900℃。烧结后，为了便于芯片引线键合及焊接，还需在金属陶瓷复合体的金属位置镀上一层Sn或Ni等熔点较低的金属。
薄膜法
薄膜法是通过真空镀膜技术在AlN基板表面实现金属化。通常采用的真空镀膜技术有离子镀、真空蒸镀、溅射镀膜等。但金属和陶瓷是两种物理化学性质完全不同的材料，直接在陶瓷基板表面进行金属化得到的金属化层的附着力不高，并且陶瓷基板与金属的热膨胀系数不匹配，在工作时会受到较大的热应力。为了提高金属化层的附着力和减小陶瓷与金属的热应力，陶瓷基板一般采用多层金属结构。
图6 多层金属AlN陶瓷基板
直接覆铜法
直接覆铜法(DBC)是一种基于陶瓷基板发展起来的陶瓷表面金属化方法，基本原理是：在弱氧化环境中，与陶瓷表面连接的金属铜表面会被氧化形成一层Cu[O]共晶液相，该液相对互相接触的金属铜和陶瓷基板表面都具有良好润湿效果，并在界面处形成CuAlO2等化合物使金属铜能够牢固的敖接在陶瓷表面，实现陶瓷表面的金属化。而AlN基板具有较强的共价键，金属铜直接覆着在其表面的附着力不高，因此必须进行预处理来改善其与Cu的附着力。一般先对其表面进行氧化，生成一层薄Al2O3，通过该氧化层来实现与金属铜的连接。
图7 AlN基板直接覆铜工艺
直接镀铜法
直接镀铜DPC(Direct plating copper)首先将陶瓷基板做前处理清洁，利用薄膜专业制造技术－真空镀膜方式于陶瓷基板上溅镀结合于铜金属复合层，接着以黄光微影之光阻被覆曝光、显影、蚀刻、去膜工艺完成线路制作，最后再以电镀/化学镀沉积方式增加线路的厚度，待光阻移除后即完成金属化线路制作。DPC工艺在陶瓷薄膜工艺加工基础上发展起来的陶瓷电路加工工艺。区别于传统的厚膜和薄膜加工工艺，它的加工更加强化电化学加工要求。通过物理方法实现陶瓷表面金属化以后，采用电化学加工导电铜和功能膜层。
图8 DPC工艺简易流程
它的优势集中在以下五个方面：
与任何工艺一样，DPC与现有的厚膜和薄膜工艺相比也有自身的缺点。
原文始发于微信公众号（福建华清）：最适合LED的散热基板--氮化铝陶瓷基板
