浅谈大功率LED陶瓷基板制作工艺及填通孔技术

谢金平，范小玲，宗高亮

（广东致卓环保科技有限公司，广东 佛山 528200）

近几年电子产业飞速发展，汽车LED(发光二极管)头灯、大功率紫外LED灯、光通信激光器等产品需求不断增加，使得LED芯片的应用范围越来越广，尺寸越来越小，功率越来越高，导致其散热问题日益突出。例如一个面积为1 mm × 1 mm、功率为3 W的LED芯片，如果其光电转换效率为20%，则有2.4 W的热量产生，热流密度为240 W/cm2，可见其热流密度非常高。如果基板无法解决热量有效传导的问题，必然导致产品使用寿命缩短，甚至芯片烧毁。

热导率能够反映基板本身直接传导热的能力，热导率越高，表示其散热能力越好。在大功率LED领域，散热基板最主要的作用就是有效地将热能从LED芯片传导到系统进行散热，以降低LED芯片的温度，提高发光效率和延长LED的使用寿命。因此，热传导效果成为业界选用散热基板时重要的评估项目之一。本文主要探讨大功率LED陶瓷基板的制作工艺和填孔技术，以供同行参考。

1 大功率LED陶瓷基板的制作工艺

针对LED芯片的发热问题，技术人员曾尝试采用多种方式改进其导热承载体，包括早期以铝合金、铜为主体的金属基板，以及目前使用较多的以氧化铝为核芯的陶瓷基板。陶瓷基板主要有低温共烧陶瓷(LTCC)、高温共烧陶瓷(HTCC)、直接键合覆铜(DBC)和直接镀铜(DPC)4种。Al2O3的热传导率在20 ~24 W/(m·K)之间；LTCC中添加了30% ~ 50%的玻璃材料，热传导率降至2 ~ 3 W/(m·K)；HTCC因其普遍共烧温度略低于纯Al2O3基板，故其材料密度较低，热传导率低于Al2O3基板，在16 ~ 17 W/(m·K)之间。对于普通LED芯片而言，这些材料都可以满足要求，但对于发热量高的大功率LED芯片，这些基板并不理想，热传导率为150 ~ 190 W/(m·K)的氮化铝(AlN)才是合适的选择。除了选用AlN外，还要结合其大功率、大电流的特点对芯片和基板进行整体结构设计，包括镀层结构、线路设计、孔互联等。经对比验证，制备大功率LED芯片基板的较佳方案是将DPC工艺和填通孔技术相结合，工艺流程见图1。

图1 大功率LED陶瓷基板的制作工艺流程Figure 1 Process flow for manufacturing ceramic substrate applied to high-powered LEDs

具体如下：

(1) 选用具有高热传导率的氮化铝陶瓷；

(2) 借助激光机打孔得到通孔陶瓷基板；

(3) 在陶瓷基板表面磁控溅射过渡层──微纳米氧化铝膜；

(4) 在过渡层上磁控溅射得到热应力缓冲层──钛钨合金层；

(5) 通过磁控溅射直接覆铜，获得双面薄层导电铜层；

(6) 采用合适的设备和电镀液实现通孔填充；

(7) 通过半加成法线路加工，在表面形成铜层线路，从而提高基板各层电路之间的信号传输能力和热传导能力；

(8) 最后通过电镀贵金属对电路表面进行加工，其中基板背面的金属层用于与散热器共晶贴合，以实现高导热性能。

最重要的工序为磁控溅射、填通孔镀铜和精细线路加工。现阶段磁控溅射技术已经很成熟，针对不同材料都有对应的工艺可供选择，品质可靠。精细线路加工方面，可借助真空 + 双流体蚀刻机、光刻机等先进设备，实现难度也不大。在填通孔方面，大功率LED陶瓷基板用的AlN材料厚度一般为380 μm，通孔直径一般为100 μm，相对于传统PCB填通孔和半导体填孔，其性能要求特殊，难度较大，品质及稳定性有待进一步研究和改善，因此下文着重探讨填通孔技术。

2 填通孔技术

2.1 树脂塞孔

常见的树脂塞孔有压合填孔和树脂油墨塞孔2种方式。压合填孔主要应用于厚径比低和孔数少的内层填孔。树脂油墨塞孔可用于厚径比高及孔数较多的填孔，主要应用于外层填孔，是当前PCB行业普遍采用的塞孔方式，根据实施方式不同，可分为丝网印刷塞孔和滚涂塞孔。

2.2 导电胶塞孔

导电胶塞孔主要借助导电胶填充通孔。相对于一些绝缘性填充材料而言，导电胶具有一定的散热效果，但工艺流程较复杂。另外，为了满足基板的表面平整度，需要将多余的导电胶研磨掉。由于需要覆盖的二次电镀，因此基板面铜的总厚度增大，蚀刻时线路的微细化将显著受限。

2.3 电镀填通孔

树脂和导电胶塞的散热通孔是利用含金属的环氧基膏体来提高通孔的热导率，尽管对提高散热效果有一定的作用，但与纯金属相比，导热率还是较低，因此在大功率LED基板上的使用受限。而填通孔镀铜是利用电化学方法在孔内电沉积金属铜来完全填充散热通孔。铜的热传导率高达360 W/(m·K)，导热性更好，可靠性更高。另外，电镀填通孔技术相对于其他填通孔技术可以缩短操作流程，节省人力和物力。

根据所用电源类型，电镀填通孔技术可分为直流电镀一步法、脉冲电镀一步法及脉冲电镀两步法。

2.3.1 直流电镀一步法

直流电镀一步法被视为用铜填充通孔的理想工艺，因为它可最大限度地减少电镀槽的数量和缩短电镀生产线长度。但直流电镀铜填通孔受基板厚度的限制。对于厚度小于200 μm、直径为100 μm的基板，搭配专用的设备和合适的添加剂，使用直流电镀一步法尚可实现填通孔。但随着基板厚度的增大，直流电镀填通孔所需时间大幅延长，且孔内空洞现象(见图2和表1)无法避免，加之大功率LED陶瓷基板的介质层厚度以380 μm居多，因此采用直流电镀一般无法实现完全填充。

图2 大功率LED陶瓷基板直流电镀填通孔的示意图Figure 2 Sketch showing through hole filling on high-powered ceramic-based LEDs by direct-current plating

表1 大功率LED陶瓷基板直流电镀填通孔的常用配方及填充效果Table 1 Common bath composition for through hole filling on high-power ceramic-based LEDs by direct current plating and its filling effectiveness

2.3.2 脉冲电镀一步法

在有机添加剂的协助下采用正反双向脉冲(PPR)电镀是填充通孔的有效途径之一。直流电镀时仅电流密度可控，而PPR电镀过程有3个参数可以独立控制，分别为脉冲频率、占空比和电流密度，可更好地控制铜沉积。另外，不同的PPR波形组合在一起可构成复合波形。反向电流的主要作用是对电流密度较大的尖端部位(孔口)所沉积的铜进行反咬蚀，起到拉平的效果。在正向电流的作用下，由于添加剂的辅助作用，铜离子在孔内的沉积速率大于在板面的沉积速率，保证了铜离子在孔内的顺利沉积，从而避免了空洞形成。若结合使用特殊类型的添加剂，则对板厚380 μm、孔径100 μm的通孔有较好的填充效果，如图3和表2所示。

图3 大功率LED陶瓷基板正反脉冲电镀一步法填通孔的示意图Figure 3 Sketch showing through hole filling on high-powered ceramic-based LEDs by pulse-reverse plating

表2 大功率LED陶瓷基板脉冲电镀一步法填通孔的常用参数及效果Table 2 Common bath composition for through hole filling on high-powered ceramic-based LEDs by pulse-reverse plating and its filling effectiveness

2.3.3 脉冲电镀两步法

陶瓷基板上的通孔通常是激光钻孔并溅射导电层所得。如图4所示，先在1个特殊的异步反向脉冲波形下结合特定的添加剂电镀铜，在孔中心形成桥接(搭桥)，将1个通孔分割成2个盲孔，再电镀填盲孔，可获得很好的填孔效果，空洞现象很少，稳定性好。但该法对添加剂和电镀参数的控制要求非常严格，对设备和操作人员的要求也很高，其常用参数和填孔效果见表3。

图4 大功率LED陶瓷基板脉冲电镀两步法填通孔的示意图Figure 4 Sketch showing through hole filling on high-powered ceramic-based LEDs by two-step pulsed plating

表3 大功率LED陶瓷基板两步法脉冲电镀填通孔的常用参数及效果Table 3 Common bath composition for through hole filling on high-powered ceramic-based LEDs by two-step pulsed plating and its filling effectiveness

3 结语

大功率LED封装领域对基板的散热要求越来越高，为了解决高导热和大功率问题，从成本和应用效果看，较可靠的方案是选用AlN陶瓷基板，采用直接镀铜(DPC)工艺与电镀填通孔相结合的技术。在电镀填通孔方面，直流电镀只适用于介质层厚度为100 μm左右的通孔；对于介质层厚度在380 μm及以上的通孔，采用脉冲电镀两步法的填通孔效果较好，更可靠，陶瓷基板表面镀铜层较薄，适用于做精细线路，但对设备和添加剂的要求较高。脉冲电镀一步法对设备和添加剂的要求较低，也能用于介质层厚度为380 μm陶瓷基板的填通孔。