陶瓷微散熱器封裝基板關鍵制作技術探討

李保忠 張軍杰

(樂健科技珠海有限公司， 廣東 珠海 519180)

陶瓷微散熱器封裝基板關鍵制作技術探討

李保忠 張軍杰

(樂健科技珠海有限公司， 廣東 珠海 519180)

將陶瓷微散熱器嵌入BT基板內形成陶瓷微散熱器封裝基板,從AlN陶瓷PVD鍍銅、AlN陶瓷切割、壓合、磨板、鉆孔、除膠及電鍍等幾個方面對陶瓷微散熱器封裝基板的關鍵制作技術進行介紹，以期有效解決陶瓷微散熱器封裝基板生產過程中易出現的層偏、缺膠、空洞、開短路等一系列品質問題。

LED；陶瓷；散熱；封裝基板

0 引言

LED照明被稱為第四代照明光源，具有節能、環保、壽命長、體積小等特點，可以廣泛應用于各種指示燈、顯示屏、裝飾照明、背光源、普通照明等領域。隨著LED芯片輸入功率的不斷提高，大耗散功率帶來的大發熱量給LED封裝材料提出了更新、更高的要求。在LED散熱通道中，封裝基板是連接內外散熱通路的關鍵環節，兼有散熱通道、電路連接和對芯片進行物理支撐的功能，要求其具有高電絕緣性、高導熱性、與芯片匹配的熱膨脹系數等特性。

從LED封裝技術伊始至今，LED封裝從PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier)結構演變為現在的QFN(Quad Flat No-Lead Package)結構，封裝器件尺寸日趨緊湊化。針對LED 應用市場的需求量增長，相應的LED 封裝市場增速也隨之加快，尤其是SMD 和大功率LED 封裝增長更為迅速，也逐漸成為LED封裝市場的主流趨勢。在LED 封裝市場產品中，LED表面貼裝式封裝支架大約占到40%的市場份額，其余60%則是引腳式。但從整個行業的技術發展趨勢來看，引腳式將在未來幾年逐漸被表面貼裝式取代[1-2]。

1 陶瓷微散熱器封裝基板結構

隨著LED芯片輸入功率的不斷提高，其對封裝基板高散熱性、高精密線路的要求，已經成為市場的顯著趨勢。因ALN陶瓷材料具有170-220 W/m.K 的高導熱率及其高電絕緣特性，故ALN陶瓷是此種芯片封裝材料的首選[3]。

但我們在研究中發現，ALN 封裝基板中真正起到散熱作用的面積只占其整板面積的60%左右，其余約40%的面積只是起到支撐正負極的作用。因此，著眼于開發替代ALN 封裝基板中只是起到支撐正負極作用的面積，將具有高導熱性能的AlN陶瓷微散熱器嵌入BT基板材料中作為LED芯片的散熱通道，得到如下圖1所示的陶瓷微散熱器封裝基板[4]。這種封裝基板較全陶瓷的AlN陶瓷基板有30%以上的綜合成本優勢。

圖1 陶瓷微散熱器封裝基板切片圖

陶瓷微散熱器封裝基板的制作方法大致是先將BT板和PP片指定位置鑼空，BT板和PP片疊合后將由預先金屬化的陶瓷切割而成的微散熱器嵌入鑼空位，壓合，PP片固化后實現陶瓷微散熱器和BT材料的接合，然后形成面銅層，并利用圖形轉移完成基板表面的圖形制作。

2 生產過程制作關鍵控制點

2.1 ALN陶瓷板PVD鍍銅

通過PVD濺射技術在ALN 陶瓷板上進行Ti/Cu 濺射形成1μm厚度的種子層后，再進行電鍍加厚銅。PVD 濺射Ti的原理如下圖2所示:

電子在高電場下發生躍遷，帶著高能量和速度轟擊Ti靶，經能量傳遞Ti靶上的某些原子獲得指向靶表面外的動量以及足夠的能量逸出靶面成為濺射原子，從而在濺射到ALN基材表面。

2.2 ALN切割及嵌入封裝基板中

如下圖3所示，首先對ALN陶瓷板表面的覆銅做線路，將需要切割位置的銅箔蝕刻掉，再采用砂輪切割的方法將ALN陶瓷板切成封裝用的微散熱器，然后用鑷子將微散熱器放入事先鑼好的BT封裝面板窗口中去，保證平整度，雙面用耐高溫PI膜貼緊壓實，防止ALN微散熱器掉落或移位。

圖2 PVD鍍鈦原理圖示

圖3 ALN切割及嵌入封裝基板中示意圖

2.3 壓合過程控制

(1)壓合輔助物料選擇及排板方法

為改善壓合時的填膠均勻性及平衡板厚，壓力均勻性控制和輔助材料的緩沖能力很重要。參見下圖4，排板時采用熔鉚結合技術壓合，同時層間采用高膨脹鋼板(此種鋼板的膨脹系數與銅箔的熱膨脹系數相同，保證漲縮一致性)和特殊緩沖材料(美國A公司推出的兩種新型材料)作為緩沖層，緩沖壓力，并在墊鋼層間加新牛皮紙防滑。

(2) 壓合參數控制及程序優化

壓合程序需要從轉壓時間、轉高壓溫度、升溫速率等幾個方面來綜合調整，下表1為三種壓合程序通過測實際料溫而得到的參數。

表1 不同壓合程序各項關鍵參數對比

圖4 支架封裝PCB排板示意圖

如下圖5所示，通過試驗數據對比，壓合參數三為最優參數，能使樹脂的粘度曲線比較平緩，溢膠量少，可以使PP膠有效的填充層間空隙，進而控制板厚的均勻性。附圖為我司熱媒油A壓機的程序曲線圖，顯示3條線，一條為壓板時根據材料性能所設定的壓力；一條為BT材料實際壓合過程中溫度曲線(實際材料溫度)，一條為BT材料壓合過程中不同壓力和溫度下的時間曲線(實際材料變化過程時間)。

圖5 封裝基板壓合程序和料溫曲線圖

2.4 砂帶研磨制作

磨板時板材會不同程度的拉伸，如果磨板方法不正確會導致板變化無規律可循，給鉆孔及圖形對位帶來很大麻煩，故砂帶磨板時需控制磨板的方向與次數，保證面向與邊向交錯進行。

如下圖6所示，需要保證ALN微散熱器上面的殘膠磨干凈，滿足平整度和銅厚要求，其中位于ALN與BT之間的樹脂上的銅厚必須≥35um。

2.5 鉆孔及除膠制作

(1)鉆孔制作

封裝材料為BT樹脂，填料多，板料具有硬、脆等缺點，在加工性能上與FR4有所不同，如參數控制不當，易造成斷針、孔粗、釘頭、孔粗等不良，影響孔壁質量。因此鉆孔時需要采用全新鉆針、高密胺墊板、鉆孔參數適當降慢，使chiplod控制在一個合理的范圍內；鉆孔方法選用金剛石涂層的刀具，采用蓋板、墊板使用酚醛材料；孔限設置為100孔，以避免基體材料疲勞破壞導致斷刀[5]。

圖6 壓合研磨后示意圖

(2)除膠方法

因封裝材料為BT樹脂，不同于普通FR4材料的環氧樹脂，必須采用一次Plasma(等離子)除膠加一次化學除膠過程(正常情況下控制除鉆污速率在0.3 mg/cm2～ 0.6 mg/cm2)，才能保證除膠效果。

2.6 電鍍制作

因LED封裝基板后續采用芯片級封裝，同時又要保證良好的散熱效果，故通孔必須采用填平制作，行業PCB廠通常用的為直流電鍍，想要把通孔填平非常困難。本文采用脈沖電鍍，周期反向脈沖電鍍(Periodic Pulse Reverse Plating)與有機添加劑協同作用可以實現通孔的電鍍填孔。對于水平電鍍填孔線，采用涂覆鈦不溶解的陽極材料[6]。

3 結語

本文通過對陶瓷微散熱器封裝基板生產中的一些關鍵工序，如ALN陶瓷板PVD鍍銅與切割、ALN微散熱器嵌入、壓合、鉆孔、除膠、電鍍、研磨等各方面進行重點講解，從而突破了其生產過程的技術難點，有效解決了陶瓷微散熱器封裝基板生產過程中易出現的層偏、缺膠、空洞、開短路等一系列品質問題。

以上為我公司在陶瓷微散熱器封裝基板制作過程一些經驗，希望能起到拋磚引玉的作用，給同行能提供幫助。

[1]王多笑,李佳.大功率LED散熱封裝技術研究[J].2008年中國電子學會第十五屆電子元件學術年會,2007,6(2):141-150.

[2]李華平,柴廣躍,彭文達,等.大功率LED的封裝及其散熱基板研究[J].半導體光電,2007,28(1).

[3]張樓英,李朝林.LED封裝中的散熱研究[J].電子與封裝,2009,9(5):1-4.

[4]石功奇,王健,丁培道.陶瓷基片材料的研究現狀[J].功能材料,1994,24(2):176-180.

[5]馮立明.電鍍工藝與設備[M].北京:化學工藝出版社,2005.

[6]林金堵，等.印制電路信息[J].2008,12.

Deepexploration of key manufacturing technology for packaging substrate with micro ceramic-radiator

Li Baozhong Zhang JunJie

Packaging substrate with a micro ceramic-radiator is formed by implanting the micro ceramic-radiator into a BT substrate.The key manufacturing technologies of the packaging substrate with micro ceramic-radiator,such as copper coating on the AlN ceramic by PVD,cutting of the AlN ceramic,lamination,plate grinding,drilling,and electroplating are introduced to work out common quality defects such as layer deviation,prepreg inefficiency,void and Open-Short.

LED; ceramic; heat radiating; packaging substrate

李保忠，本科,現任樂健科技(珠海)有限公司技術中心高級經理。