覆銅陶瓷基板研究

1、Eutectic用于高功率發(fā)光二極管的覆銅陶瓷基板研究過(guò)去幾年封裝型發(fā)光二極管的功率密度增加了，同時(shí)模塊的壽命要求亦增加了。這樣就帶出了對(duì)改進(jìn)基板導(dǎo)熱性和可靠性的新要求，以超越標(biāo)準(zhǔn)FR4或絕緣金屬基板。覆銅陶瓷（DCB）基板提供了較低熱阻并,已成功應(yīng)用于高功率高壓變頻器和固態(tài)繼電器。DCB工藝DCB基板的制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(shí)或之前）的銅片與AI2O3陶瓷密貼并于1065C至1085c的溫度下受熱（圖1和圖2）。108010701060105000.40.81.21.6。廠C。neentratio口inAtom-%圖1氧和氧化銅的共晶Coppe

2、rCeratnfc*O一圈CopperCopperU5f明!-1OKideCeramicHeating，CopperEutecticMeItCeramic0,DIffusionandCootingCopperCeramic圖2DCB工藝共晶熔化體與陶瓷結(jié)合而銅片則仍然是固態(tài)。AI2O3陶瓷的卓越濕性是基于以下反應(yīng)：CuO+AI2O3=CuAI2O4以下的特性，使DCB能取代用于多芯片功率模塊的傳統(tǒng)物料。盡管銅層相當(dāng)厚（0.3mm）,熱膨脹系數(shù)仍然很低（7.2X10-6）;銅具高抗剝強(qiáng)度（50N/cm）;由于厚銅片的高效率散熱和銅直接接合于陶瓷，基板的熱阻非常低；高機(jī)械和環(huán)境穩(wěn)定性。圖3氧化鋁（

3、左圖）和氮化鋁切面動(dòng)機(jī)預(yù)期災(zāi)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(shí)，并可于Arrhenius模型預(yù)見(jiàn)。較高接面溫度會(huì)導(dǎo)至流明降低，因而縮短模塊的預(yù)期壽命。制造優(yōu)質(zhì)發(fā)光二極管模塊的主要方法是以較好封裝以取得較低接面溫度。用適當(dāng)組合的DCB基板之物料可加長(zhǎng)裝配發(fā)光二極管模塊裝的壽命和減少價(jià)格和壽命比。氮化鋁與薄氧化鋁（0.25mm）DCB基板都同樣可以對(duì)以上的挑戰(zhàn)做出經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性的解決方案。當(dāng)我們考慮一套典型的5W高功率發(fā)光二極管封裝和大約9mm?的接觸面積（支持基板之金屬片的接觸），根據(jù)表一之顯直示可容易計(jì)算出，就算是標(biāo)準(zhǔn)氧化鋁陶瓷基板已經(jīng)很足夠，那就可以避免花費(fèi)使用制定材料

4、如Si3N4或氮化鋁引致的成本增加。根據(jù)幾何條彳t熱阻可大為降限并較之傳統(tǒng)IMS基板（75科山余色5g物厚和2.2W/mK傳熱度）低約60%。用一&于9nuir面板屈阻計(jì)刖無(wú)盤"我）FunchonThicknessmmMaterialSpecificThermalConductivityW/mKJThermatReSiStenceK/W川i山m02叩pa3900,057Isolator0J5cramjcAl2O324IJ574'onJuclorupper洶）(W國(guó)1仔細(xì)觀看功率的預(yù)測(cè)發(fā)展時(shí)（圖4）可以看到，到2010年時(shí)，發(fā)光二極管功率可高達(dá)100W。我們須了解這個(gè)并

5、非全新封裝問(wèn)題。這個(gè)需求是與傳統(tǒng)電力電子一樣。因此，相同的比對(duì)結(jié)果-應(yīng)用相同的解決圖4LED功率發(fā)展預(yù)測(cè)方木0圖5顯示了功率密度和工作溫度。ChipsneedCoolingSurfaceofSu"PocrSemicoLogicChips1LightBulb10D2HoatLofrftfromHumanS？lurnVEnglno(Case)1,C00ODtOOOQAbsolutetemperatureK|圖5功率密度和溫度我們參看三家主要發(fā)光二極管制造商的封裝型高功率發(fā)光二極管之發(fā)展趨勢(shì)（圖6）。推動(dòng)設(shè)計(jì)師去設(shè)些可降低熱阻的封裝。根據(jù)這些數(shù)據(jù)去推斷，似乎進(jìn)一步發(fā)展是把接面和金屬片之間的

6、熱阻降低。對(duì)于功率價(jià)值大于5W的LED4K/W熱阻值可于不久的將來(lái)達(dá)到。對(duì)于晶粒直焊基板封裝，基板本身已經(jīng)是熱管理的樽頸地帶，這趨勢(shì)會(huì)迫使基板作進(jìn)一步改良。發(fā)光二極管封裝的熱能特性RJ-B=RJ-S+RS-B的情況圖7熱阻模擬圖7顯示功率發(fā)光二極管封裝的散熱途徑。我們且不談散熱器而集中于對(duì)于封裝型發(fā)光二極管的研究，我們使用了LumiledsLuxeonV（數(shù)據(jù)取自公開數(shù)據(jù)單）以作模擬，同時(shí)視察了優(yōu)化散熱的布局模式之熱分布結(jié)果。材料是用一塊鋁覆銅基板1mmAl/75絕緣介質(zhì)/70wmCu介質(zhì)：2,2W/mK）。邊界條件是把散熱器固定于攝氐20度。至于晶粒直焊基板模擬，我們使用一個(gè)2x2mm的Ga

7、As正方型體，使用的軟件是IcePack。圖8幾何模型封裝型發(fā)光二極管的模擬結(jié)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(fā)光二極管中，測(cè)量到最低值的靜態(tài)基板熱阻是0.3K/W。圖9模擬熱阻（包括擴(kuò)散）t。»益豪Eg營(yíng)nilll封裝內(nèi)的溫度分布顯示了大多數(shù)的熱能都分布在封裝內(nèi)的金屬片上。圖10結(jié)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并未對(duì)發(fā)光二極管的芯片有很大的作用。雖然溫度有肯定性的減低，Rth跌幅并不很明顯。這是因?yàn)榉庋b本身的熱阻太高而即使基板的熱阻降低卻未能影加到整體結(jié)果。圖11結(jié)到基板的總模擬熱阻當(dāng)其封裝的熱阻要求再下降，封裝型發(fā)光二極

8、管的情況需重新評(píng)估。CoB的模擬結(jié)果與封裝型的發(fā)光二極管比較，使用芯片直焊基板的方法顯示出熱力分布于不同的基板上有顯著分別圖12CoB仿真結(jié)果（在0.25mmA1203上200以銅，dTmax=7.4C）圖13CoB仿真結(jié)果（在IMS上75以銅，dTmax=22.8C,結(jié)到基板熱阻）由模擬結(jié)果可見(jiàn)，DCB基板提供可收到低熱阻白可能性。上述的2.4K/W是一個(gè)最小互連層熱阻的理想方案。于真實(shí)情況，焊料層和/或黏合層都增加以上數(shù)值。有別于封裝型的類別，晶粒直焊基板的方法可以把芯片緊密固定。散熱和動(dòng)態(tài)反應(yīng)像一些壽命短的產(chǎn)品如閃光燈需要較一般大三倍的電流來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管，DCB基板的高熱容量特性對(duì)于此

9、種產(chǎn)品會(huì)有益處。OutyFactori占，*tt»i11uui«i«17114*30圖14LED的PWM亮度調(diào)節(jié)方法另外，較為廣泛使用的發(fā)光二極管的亮度調(diào)節(jié)方法是脈波寬度調(diào)變方式，（如圖所顯示的PWM）。使用這種方法發(fā)光二極管的開關(guān)是一個(gè)高頻率的指定工作周期，肉眼只覺(jué)得光是暗了而察覺(jué)不到其周期。這個(gè)過(guò)程意味著熱管理的需求。封裝型發(fā)光二極管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(jìn)一步改進(jìn)散熱性能，這能以一個(gè)實(shí)際的測(cè)量和/或作出有限元素模擬。從模擬中可以清楚看到較厚的DCB銅片的效應(yīng)。當(dāng)中顯示出散熱方法是圍繞芯片作

10、同心分布。Copper06mnrCopper0,6mn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(gòu)成的組合甚至可以比美氮化鋁DBC的熱性能在數(shù)值上，靜態(tài)熱阻當(dāng)和其它基板物料比較時(shí)會(huì)有所下降，動(dòng)態(tài)熱性能同時(shí)也顯示了增加熱容量的效圖17在DCB和IMS上的CoB的動(dòng)態(tài)性能可靠性的考慮態(tài)膨脹率不同于封裝型發(fā)光二極管，晶粒直焊基板封裝就需考慮到熱-機(jī)械兼容性的需求。任何剛性之互連層(例如焊料層)兩面的不同之熱膨脹率于會(huì)對(duì)互連層產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)物料的彈性和剛性決定可靠性，較多應(yīng)力就必定會(huì)減低連結(jié)的可靠性由于允許最高接面溫度的提升，這情況便轉(zhuǎn)為如同功率電子的可靠性問(wèn)題。

11、增加40C,銅片與GaAs的不同熱膨脹系數(shù)(16.5-5.5)會(huì)使芯片和基板有約440ppm長(zhǎng)度不匹配的問(wèn)題。AI2O3>.I1h理A.09事二；二二二b貴建cln工這就是大功率電子領(lǐng)域里眾所周知的問(wèn)題，這里有三個(gè)可能的方案:1,使用匹配的物料以減低熱膨脹系數(shù)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DCB作為材料的熱膨脹系數(shù)約為7.2ppm/K,這數(shù)值視其實(shí)際結(jié)構(gòu)而定。因此該物料可于純銅或鋁散熱器和半導(dǎo)體芯片之間提供匹配的材料。圖18不同的熱膨脹率對(duì)功率的影響改善DCB于功率發(fā)光二極管應(yīng)用現(xiàn)時(shí)DCB可達(dá)到的pitch數(shù)值只限于200-250。由于有些發(fā)光二極管芯片制造商依倒裝芯片技，S4mmmoduloSKiiPlyMom卅川-AI2Q3、3rrarrJ4MLWMg%#pl.kUft.OO0知1.001.M1W2.m。的仇M1.M1.40A<-5USiin；!nwn*«ub狷山siliconMakrialTCE(ppniK')Al23.0Cu16.5('u/Mo/Cu5£GaAs5.5GaN5.6(iaPX65sic3.7AJN44Sapphiit7.9表2各種材料的故修脹系數(shù)DCB絕緣間圖19