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氮化铝，最理想的基板材料
来源: | 作者:佚名 | 发布时间: 2022-03-23 | 962 次浏览 | 分享到:

目前，随着国内外LED行业向高效率、高密度、大功率等方向发展，开发性能优越的散热材料已成为解决LED散热问题的当务之急。一般来说，LED发光效率和使用寿命会随结温的增加而下降，当结温达到125℃以上时，LED甚至会出现失效。为使LED结温保持在较低温度下，必须采用高热导率、低热阻的散热基板材料和合理的封装工艺，以降低LED总体的封装热阻。



图1 LED散热陶瓷基板

LED散热基板的作用是吸收芯片产生的热，并传导至热沉上，从而实现与芯片外界的热交换。因此，作为LED的理想散热基板必须在物理性质、化学性质、电学性质方面具有以下几个特性：


(1)良好的化学稳定性和耐腐蚀性。

(2)高的热导率，热膨胀系数与芯片材料相匹配。

(3)低的介电常数和介电损耗。

(4)电绝缘性好，并具有很高的机械强度高。

(5)价格低廉、易加工。

(6)密度小、无毒。


现阶段常用基板材料有Si、金属(Al、Cu、W、Mo)及金属合金材料(Cu/W、Cu/Mo)、陶瓷(Al2O3、AlN、SiC、BN)和复合材料等，它们的热膨胀系数与热导率如表1所示。其中Si材料成本高；金属及金属合金材料的固有导电性、热膨胀系数与芯片材料不匹配；陶瓷材料难加工等缺点，均很难同时满足大功率基板的各种性能要求。

表1 常见大功率LED封装基板的热膨胀系数与热导率




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LED散热基板的分类

功率型LED封装技术发展至今，可供选用的散热基板主要有环氧树脂覆铜基板(FR-4)、金属基覆铜基板(MCPCB)、金属基复合基板(MMC)、陶瓷覆铜基板等。


环氧树脂覆铜基板(FR-4)是传统电子封装中应用最广泛的基板。它起到支撑、导电和绝缘三个作用。其主要特性有：成本低、较高的耐吸湿性、密度低、易加工、易实现微细图形电路、适合大规模生产等。但由于FR-4的基底材料是环氧树脂，有机材料的热导率低，耐高温性差，因此FR-4不能适应高密度、高功率LED封装要求，一般只用于小功率LED封装中。

金属基覆铜基板(MCPCB)是继FR-4后出现的一种新型基板。它是将铜箔电路及高分子绝缘层通过导热粘结材料与具有高热导系数的金属(Cu、Al)、底座直接粘结制得，如图2所示。其热导率约为1.12 W/m·K，相比FR-4有较大的提高。由于MCPCB具有优异的散热性，它已成为目前大功率LED散热基板市场上应用最广泛的产品。但MCPCB也有其固有的缺点：高分子绝缘层的热导率较低，只有0.3 W/m·K，导致热量不能很好的从芯片直接传到金属底座上；金属Cu、Al的热膨胀系数较大，可能造成比较严重的热失配问题。


图2 金属基覆铜基板(MCPCB)结构示意图


金属基复合基板(MMC)最具代表性的材料是铝碳化硅(AlSiC)。铝碳化硅是将SiC陶瓷的低膨胀系数和金属Al的高导热率结合在一起的金属基复合材料，它综合了两种材料的优点，具有低密度(2.79g/cm3)、低热膨胀系数、高热导率、高刚度等一系列优异特性。AlSiC的热膨胀系数可以通过改变SiC的含量来加以调试，使其与相邻材料的热膨胀系数相匹配，从而将两者的热应力减至最小。如图3是一种以AlSiC做基板的多芯片封装示意图。


图3 一种以AlSiC做基板的多芯片封装示意图

陶瓷基板材料常见的主要有Al2O3、AlN、SiC、BN、BeO、Si3N4等，与其他基板材料相比，陶瓷基板在机械性质、电学性质、热学性质具有以下特点：


(1)机械性能。机械强度，能用作为支持构件；加工性好，尺寸精度高；表面光滑，无微裂纹、弯曲等。

(2)热学性质。导热系数大，热膨胀系数与Si和GaAs等芯片材料相匹配，耐热性能良好。

(3)电学性质。介电常数低，介电损耗小，绝缘电阻及绝缘破坏电高，在高温、高湿度条件下性能稳定，可靠性高。

(4)其他性质。化学稳定性好，无吸湿性；耐油、耐化学药品；无毒、无公害、α射线放出量小；晶体结构稳定，在使用温度范围内不易发生变化；原材料资源丰富。


长期以来，Al2O3和BeO陶瓷是大功率封装两种主要基板材料。但这两种基板材料都固有缺点，Al2O3的热导率低，热膨胀系数与芯片材料(如Si)不匹配；BeO虽然具有优良的综合性能，但生产成本较高和有剧毒。因此，从性能、成本和环保等方面考虑，这两种基板材料均不能作为今后大功率LED器件发展最理想材料。AlN陶瓷具有高热导率、高强度、高电阻率、密度小、低介电常数、无毒、以及与Si相匹配的热膨胀系数等优异性能，将逐步取代传统大功率LED基板材料，成为今后最具发展前途的一种陶瓷基板材料。



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氮化铝陶瓷基板的物理性质


氮化铝(AlN)是一种人工合成矿物，并非天然存在于大自然中。AlN的晶体结构类型为六方纤锌矿型，具有密度小(3.26g/cm3)、强度高、耐热性好（约3060℃分解）、热导率高、耐腐蚀等优点。


图4 AlN纤锌矿型晶体结构示意图


AlN是一种强共价键化合物，其热传导机理是晶格振动（即声子传热）。由于Al和N的原了序数小，从本性上决定了AlN具有很高的热导率，其热导率理论值可高达319W/m·K。但在实际产品中，由于AlN的晶体结构可能完全均匀分布，并存在很多杂质和缺陷，如图5所示，使得其热导率般只有170-230W/m·K。在热传导过程中，晶体中的各种缺陷（如点阵畸变、位错、杂质、气孔、微裂纹）、晶界、界面、第二相以及声子本身都会对声子产生干扰和散射，从而大大降低基板的热导率。


图5 影响AlN基板热导率的各种因素


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氮化铝陶瓷基板金属化方法


由于AlN基板不具有电导性，因此在用作大功率LED散热基板之前必须对其表面进行金属化和图形化。但AlN与金属是两类物理化学性质完全不同的材料，两者差异表现最为突出的就是形成化合物的成键方式不同。AlN是强共价键化合物，而金属一般都表现为金属键化合物，因此与其它化学键的化合物相比，在高温下AlN与金属的浸润性较差，实现金属化难度较高。因此，如何实现AlN基板表面金属化和图形化成为大功率LED散热基板发展的一个至关重要问题。目前使用最广泛的AlN基板金属化的方法主要有：(1)机械连接法、(2)厚膜法、(3)活性金属钎焊法、(4)共烧法、(5)薄膜法、(6)直接覆铜法。


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机械连接法

机械连接法的特点是采取合理的结构设计将AlN基板与金属连接在一起，主要有热套连接和螺栓连接两种。机械连接方法具有工艺简单，可行性好等特点，但它常常会产生应力集中，并且不适用于高温环境。

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厚膜法

厚膜法是通过丝网印刷在AlN基板表面涂刷一层导体浆料，经烧结形成引线接点及电路。厚膜导体浆料一般由导电金属粉末（Au、Ag、Cu等，粒度为1-5μm）、玻璃粘结剂和有机载体（包括表面活性剂、有机溶剂和增稠剂等）经混合球磨而成。其中导电金属粉末决定了浆料成膜后的电学性能和机械性能，玻璃粘结剂的作用是粘结导电金属粉末与基体材料并决定了两者之的粘结强度，有机载体作为溶剂将金属粉末与粘结剂混合在一起。

图6 厚膜法金属化AlN基板示意图

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活性金属钎焊法

活性金属钎焊法是在普通钎料中加入一些化学性质较为活泼的过渡元素如：Ti、Zr、Al、Nb、V等。一定温度下，这些活泼元素会与陶瓷基板在界面处发生化学反应，形成反应过渡层，如图7所示。反应过渡层的主要产物是一些金属间化合物，并具有与金属相同的结构，因此可以被熔化的金属润湿。

图7 AlN基板与活性金属钎料结合界面示意图

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共烧法

共烧法是通过丝网印刷工艺在AlN陶瓷生片表面涂刷一层难熔金属（Mo、W等）的厚膜浆料，一起脱脂烧成，使导电金属与AlN陶瓷烧成为一体结构。共烧法根据烧结温度的高低可分为低温共烧(LTCC)和高温共烧(HTCC)两种方式，低温共烧基板的烧结温度一般为800-900℃，而高温共烧基板的烧结温度为1600-1900℃。烧结后，为了便于芯片引线键合及焊接，还需在金属陶瓷复合体的金属位置镀上一层Sn或Ni等熔点较低的金属。

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薄膜法

薄膜法是通过真空镀膜技术在AlN基板表面实现金属化。通常采用的真空镀膜技术有离子镀、真空蒸镀、溅射镀膜等。但金属和陶瓷是两种物理化学性质完全不同的材料，直接在陶瓷基板表面进行金属化得到的金属化层的附着力不高，并且陶瓷基板与金属的热膨胀系数不匹配，在工作时会受到较大的热应力。为了提高金属化层的附着力和减小陶瓷与金属的热应力，陶瓷基板一般采用多层金属结构。

图8 多层金属AlN陶瓷基板

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直接覆铜法

直接覆铜法(DBC)是一种基于陶瓷基板发展起来的陶瓷表面金属化方法，基本原理是：在弱氧化环境中，与陶瓷表面连接的金属铜表面会被氧化形成一层Cu[O]共晶液相，该液相对互相接触的金属铜和陶瓷基板表面都具有良好润湿效果，并在界面处形成CuAlO2等化合物使金属铜能够牢固的敖接在陶瓷表面，实现陶瓷表面的金属化。而AlN基板具有较强的共价键，金属铜直接覆着在其表面的附着力不高，因此必须进行预处理来改善其与Cu的附着力。一般先对其表面进行氧化，生成一层薄Al2O3，通过该氧化层来实现与金属铜的连接。



图9 AlN基板直接覆铜工艺