用于高功率发光二极管的覆铜陶瓷基板研究

过去几年封装型发光二极管的功率密度增加了，同时模块的寿命要求亦增加了。这样就带出了对改进基板导热性和可靠性的新要求，以超越标准FR4或绝缘金属基板。覆铜陶瓷(DCB)基板提供了较低热阻并且已成功应用于高功率高压变频器和固态继电器。

DCB工艺

DCB基板的制造是使用一种特别的热熔式粘合方法，一块已有一层薄氧化铜(氧化于热处理时或之前)的铜片与Al2O3陶瓷密贴并于1065℃至1085℃的温度下受热 (图1和图2)。

图1 氧和氧化铜的共晶

图2 DCB工艺

共晶熔化体与陶瓷结合而铜片则仍然是固态。Al2O3陶瓷的卓越湿性是基于以下反应：CuO + Al2O3 = Cu Al2O4

以下的特性，使DCB能取代用于多芯片功率模块的传统物料。

尽管铜层相当厚(0.3mm)，热膨胀系数仍然很低(7.2×10-6);
铜具高抗剥强度 (>50N/cm);
由于厚铜片的高效率散热和铜直接接合于陶瓷，基板的热阻非常低;
高机械和环境稳定性。　
基板的横切面(图3)显示氧化铝(24 W/mK)与氮化铝基板(180W/mK)的紧密接触面。

图3 氧化铝(左图)和氮化铝切面

动机

预期灾难性故障比率和接面温度的相依性是众所周知和有案可稽的事实，并可于Arrhenius模型预见。较高接面温度会导至流明降低，因而缩短模块的预期寿命。

制造优质发光二极管模块的主要方法是以较好封装以取得较低接面温度。用适当组合的DCB基板之物料可加长装配发光二极管模块装的寿命和减少价格和寿命比。氮化铝与薄氧化铝(0.25mm) DCB基板都同样可以对以上的挑战做出经济性和技术性的解决方案。

当我们考虑一套典型的5W高功率发光二极管封装和大约9mm?的接触面积(支持基板之金属片的接触)，根据表一之顕示可容易计算出，就算是标准氧化铝陶瓷基板已经很足够，那就可以避免花费使用制定材料如Si3N4或氮化铝引致的成本增加。根据几何条件热阻可大为降阺并较之传统IMS基板(75μm絶縁物厚和2.2W/mK传热度)低约60%。

仔细观看功率的预测发展时(图4)可以看到，到2010年时，发光二极管功率可高达100W。我们须了解这个并非全新封装问题。这个需求是与传统电力电子一样。因此，相同的比对结果–应用相同的解决方案。

图4 LED功率发展预测

 图5 显示了功率密度和工作温度。

图5 功率密度和温度

我们参看三家主要发光二极管制造商的封装型高功率发光二极管之发展趋势 (图6)。推动设计师去设计一些可降低热阻的封装。

图6 LED功率和封装热阻的发展趋势

根据这些数据去推断，似乎进一步发展是把接面和金属片之间的热阻降低。对于功率价值大于5W的LED 4K/W热阻值可于不久的将来达到。

对于晶粒直焊基板封装，基板本身已经是热管理的樽颈地带，这趋势会迫使基板作进一步改良。

发光二极管封装的热能特性

图7显示功率发光二极管封装的散热途径。我们且不谈散热器而集中于RJ-B=RJ-S+RS-B的情况。

图7 热阻模拟

对于封装型发光二极管的研究，我们使用了Lumileds Luxeon V (数据取自公开数据单)以作模拟，同时视察了优化散热的布局模式之热分布结果。

材料是用一块铝覆铜基板1 mm Al / 75 μm绝缘介质/70 μm Cu (介质: 2,2 W / mK)。边界条件是把散热器固定于摄氐20度。至于晶粒直焊基板模拟，我们使用一个 2x2mm的 GaAs正方型体，使用的软件是 IcePack。

图8 几何模型

封装型发光二极管的模拟结果

基板物料 RB 的热阻显示了和绝缘物厚度的相依性(图9)。在封装型发光二极管中，测量到最低值的静态基板热阻是0.3 K/W。

图9 模拟热阻(包括扩散)

封装内的温度分布显示了大多数的热能都分布在封装内的金属片上。

图10 结到基板的总热阻

因此参考整体热阻RJ-B显示出基板热阻的降低并未对发光二极管的芯片有很大的作用。 虽然温度有肯定性的减低， Rth跌幅并不很明显。这是因为封装本身的热阻太高而即使基板的热阻降低却未能影响到整体结果。

图11 结到基板的总模拟热阻

当其封装的热阻要求再下降，封装型发光二极管的情况需重新评估。

CoB的模拟结果

与封装型的发光二极管比较，使用芯片直焊基板的方法显示出热力分布于不同的基板上有显著分别。

图12 CoB仿真结果(在0.25mm A1203上200μm铜，dTmax=7.4℃)

图13 CoB仿真结果(在IMS上75μm铜，dTmax=22.8℃，结到基板热阻)

由模拟结果可见，DCB基板提供可收到低热阻的可能性。上述的2.4 K/W是一个最小互连层热阻的理想方案。于真实情况，焊料层和/或黏合层都增加以上数值。

有别于封装型的类别，晶粒直焊基板的方法可以把芯片紧密固定。

散热和动态反应

像一些寿命短的产品如闪光灯需要较一般大三倍的电流来驱动发光二极管，DCB 基板的高热容量特性对于此种产品会有益处。

图14 LED的PWM亮度调节方法

另外，较为广泛使用的发光二极管的亮度调节方法是脉波宽度调变方式，(如图所显示的PWM)。使用这种方法发光二极管的开关是一个高频率的指定工作周期，肉眼只觉得光是暗了而察觉不到其周期。

这个过程意味着热管理的需求。封装型发光二极管一般都用散热金属片，晶粒直焊基板封装需提供足够热容量以提供此操作模式使用。

厚铜片的散热效能可进一步改进散热性能，这能以一个实际的测量和/或作出有限元素模拟。从模拟中可以清楚看到较厚的DCB铜片的效应。当中显示出散热方法是围绕芯片作同心分布。

图15 标准彩色图

图16 带厚铜片的氧化铝基板

这样的散热方法增加了散热的面积。某些氧化铝基板/和厚铜片构成的组合甚至可以比美氮化铝DBC的热性能。

在数值上，静态热阻当和其它基板物料比较时会有所下降，动态热性能同时也显示了增加热容量的效应。

图17 在DCB和IMS上的CoB的动态性能

可靠性的考虑–热膨胀率

不同于封装型发光二极管，晶粒直焊基板封装就需考虑到热-机械兼容性的需求。任何刚性之互连层(例如焊料层)两面的不同之热膨胀率于会对互连层产生应力，当物料的弹性和刚性决定可靠性，较多应力就必定会减低连结的可靠性。

由于允许最高接面温度的提升，这情况便转为如同功率电子的可靠性问题。增加40℃，铜片与GaAs的不同热膨胀系数(16.5-5.5)会使芯片和基板有约440ppm长度不匹配的问题。

这就是大功率电子领域里众所周知的问题，这里有三个可能的方案：

1. 使用匹配的物料以减低热膨胀系数的差别

2. 减低整体温度

3. 使用非刚性接触面物料

用氧化铝DCB作为材料的热膨胀系数约为7.2 ppm/K，这数值视其实际结构而定。因此该物料可于纯铜或铝散热器和半导体芯片之间提供匹配的材料。

图18 不同的热膨胀率对功率的影响

改善DCB于功率发光二极管应用

现时DCB可达到的pitch数值只限于200-250μm。由于有些发光二极管芯片制造商依頼倒装芯片技术，用于DCB的芯片直焊基板封装仍需作进一步发展。首次以变更结构化技术的目标是使DCB绝缘间隙在100μm. 的范围。

研发需进一进行于芯片焊接的精确几何对准。

图19 铜表面的装版标记

结语

DCB基板于功率发光二极管领域的未来设计提供一个引人注意的方案。由于现时的封装型功率发光二极管具高热阻，所以基板的改进不能带出重大的益处。 但是，未来发光二极管的封装与多芯片直焊基板方法可受益于DCB基板的性能。