改善DBC於功率發光二極體應用

現時DBC可達到的pitch數值只限於200-250μm。由於有些發光二極體晶片製造商依頼倒裝晶片技術，用於DBC的晶片直焊基板封裝仍需作進一步發展。首次以變更結構化技術的目標是使DBC絕緣間隙在100μm. 的範圍。

　　研發需進一進行於晶片焊接的精確幾何對準。

圖19 銅表面的裝版標記

　結語

　　DBC基板於功率發光二極體領域的未來設計提供一個引人注意的方案。由於現時的封裝型功率發光二極體具高熱阻，所以基板的改進不能帶出重大的益處。 但是，未來發光二極體的封裝與多晶片直焊基板方法可受益於DCB基板的性能。

散熱和動態反應

像一些壽命短的產品如閃光燈需要較一般大三倍的電流來驅動發光二極體，DBC 基板的高熱容量特性對於此種產品會有益處

　　圖14 LED的PWM亮度調節方法

另外，較為廣泛使用的發光二極體的亮度調節方法是脈波寬度調變方式，(如圖所顯示的PWM)。使用這種方法發光二極體的開關是一個高頻率的指定工作週期，肉眼只覺得光是暗了而察覺不到其週期。這個過程意味著熱管理的需求。封裝型發光二極體一般都用散熱金屬片，晶粒直焊基板封裝需提供足夠熱容量以提供此操作模式使用。厚銅片的散熱效能可進一步改進散熱性能，這能以一個實際的測量和/或作出有限元素類比。從模擬中可以清楚看到較厚的DBC銅片的效應。當中顯示出散熱方法是圍繞晶片作同心分佈。

圖15 標準彩色圖

圖16 帶厚銅片的氧化鋁基板

這樣的散熱方法增加了散熱的面積。某些氧化鋁基板/和厚銅片構成的組合甚至可以比美氮化鋁DBC的熱性能。

在數值上，靜態熱阻當和其他基板物料比較時會有所下降，動態熱性能同時也顯示了增加熱容量的效應。

圖17 在DCB和IMS上的CoB的動態性能

可靠性的考慮–熱膨脹率

不同于封裝型發光二極體，晶粒直焊基板封裝就需考慮到熱-機械相容性的需求。任何剛性之互連層(例如焊料層)兩面的不同之熱膨脹率於會對互連層產生應力，當物料的彈性和剛性決定可靠性，較多應力就必定會減低連結的可靠性。由於允許最高接面溫度的提升，這情況便轉為如同功率電子的可靠性問題。增加40℃，銅片與GaAs的不同熱膨脹係數(16.5-5.5)會使晶片和基板有約440ppm長度不匹配的問題。

這就是大功率電子領域裏眾所周知的問題，這裏有三個可能的方案：

　　1. 使用匹配的物料以減低熱膨脹係數的差別

　　2. 減低整體溫度

　　3. 使用非剛性接觸面物料

用氧化鋁DBC作為材料的熱膨脹係數約為7.2 ppm/K，這數值視其實際結構而定。因此該物料可於純銅或鋁散熱器和半導體晶片之間提供匹配的材料。

圖18 不同的熱膨脹率對功率的影響

CoB的模擬結果

與封裝型的發光二極體比較，使用晶片直焊基板的方法顯示出熱力分佈於不同的基板上有顯著分別。

　圖12 CoB仿真結果(在0.25mm A1203上200μm銅，dTmax=7.4℃)

圖13 CoB仿真結果(在IMS上75μm銅，dTmax=22.8℃，結到基板熱阻)

 由模擬結果可見，DCB基板提供可收到低熱阻的可能性。上述的2.4 K/W是一個最小互連層熱阻的理想方案。於真實情況，焊料層和/或黏合層都增加以上數值。

有別于封裝型的類別，晶粒直焊基板的方法可以把晶片緊密固定。

 

封裝型發光二極體的模擬結果

　基板物料 RB 的熱阻顯示了和絕緣物厚度的相依性(圖9)。在封裝型發光二極體中，測量到最低值的靜態基板熱阻是0.3 K/W。

　圖9 模擬熱阻(包括擴散)

　封裝內的溫度分佈顯示了大多數的熱能都分佈在封裝內的金屬片上。

　　圖10 結到基板的總熱阻

因此參考整體熱阻RJ-B顯示出基板熱阻的降低並未對發光二極體的晶片有很大的作用。 雖然溫度有肯定性的減低， Rth跌幅並不很明顯。這是因為封裝本身的熱阻太高而即使基板的熱阻降低卻未能影響到整體結果。

　圖11 結到基板的總模擬熱阻

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

當其封裝的熱阻要求再下降，封裝型發光二極體的情況需重新評估。

 

 

動機

預期災難性故障比率和接面溫度的相依性是眾所周知和有案可稽的事實，並可於Arrhenius模型預見。較高接面溫度會導至流明降低，因而縮短模組的預期壽命。

製造優質發光二極體模組的主要方法是以較好封裝以取得較低接面溫度。用適當組合的DCB基板之物料可加長裝配發光二極體模組裝的壽命和減少價格和壽命比。氮化鋁與薄氧化鋁(0.25mm) DCB基板都同樣可以對以上的挑戰做出經濟性和技術性的解決方案。

當我們考慮一套典型的5W高功率發光二極體封裝和大約9mm?的接觸面積(支援基板之金屬片的接觸)，根據表一之顕示可容易計算出，就算是標準氧化鋁陶瓷基板已經很足夠，那就可以避免花費使用制定材料如Si3N4或氮化鋁引致的成本增加。根據幾何條件熱阻可大為降阺並較之傳統IMS基板(75μm絶縁物厚和2.2W/mK傳熱度)低約60%。

　　

表1 基於9mm2面積的熱阻計算(無熱擴散)

　

　圖4 LED功率發展預測

 

　

　　

仔細觀看功率的預測發展時(圖4)可以看到，到2010年時，發光二極體功率可高達100W。我們須瞭解這個並非全新封裝問題。這個需求是與傳統電力電子一樣。因此，相同的比對結果–應用相同的解決方案。

　　

圖5 功率密度和溫度

　　

　　

我們參看三家主要發光二極體製造商的封裝型高功率發光二極體之發展趨勢 (圖6)。推動設計師去設計一些可降低熱阻的封裝。

圖6 LED功率和封裝熱阻的發展趨勢

　　

　　

  
根據這些資料去推斷，似乎進一步發展是把接面和金屬片之間的熱阻降低。對於功率價值大於5W的LED 4K/W熱阻值可於不久的將來達到。對於晶粒直焊基板封裝，基板本身已經是熱管理的樽頸地帶，這趨勢會迫使基板作進一步改良。

高功率發光二極體的覆銅陶瓷基板

過去幾年封裝型發光二極體的功率密度增加了，同時模組的壽命要求亦增加了。這樣就帶出了對改進基板導熱性和可靠性的新要求，以超越標準FR4或絕緣金屬基板。覆銅陶瓷(DBC)基板提供了較低熱阻並且已成功應用于高功率高壓變頻器和固態繼電器。

　　DBC工藝

　　DBC基板的製造是使用一種特別的熱熔式粘合方法，一塊已有一層薄氧化銅(氧化于熱處理時或之前)的銅片與Al2O3陶瓷密貼並於1065℃至1085℃的溫度下受熱 (圖1和圖2)。

 

　圖1 氧和氧化銅的共晶

　









共晶熔化體與陶瓷結合而銅片則仍然是固態。Al2O3陶瓷的卓越濕性是基於以下反應：

CuO + Al2O3 = Cu Al2O4

　　以下的特性，使DBC能取代用於多晶片功率模組的傳統物料。

　　- 儘管銅層相當厚(0.3mm)，熱膨脹係數仍然很低(7.2×10-6);

　　- 銅具高抗剝強度 (>50N/cm);

　　- 由於厚銅片的高效率散熱和銅直接接合於陶瓷，基板的熱阻非常低;

　　- 高機械和環境穩定性。

圖2 DBC工藝

　

　圖3 氧化鋁(左圖)和氮化鋁切面

基板的橫切面(圖3)顯示氧化鋁(24 W/mK)與氮化鋁基板(180W/mK)的緊密接觸面。

作者：Electro-Thermo公司 Alfred Dehmel，Dr. Jürgen Schulz-Harder，Alexander Roth，Ingo Baumeister   時間：2009-03-04  來源:電子產品世界