散熱基板是大功率LED散熱通道中最為重要的部件，主要是利用基板材料本身所具備的較佳熱學(xué)性能，將熱量從LED芯片中導(dǎo)出，并傳導(dǎo)到散熱器上，從而實現(xiàn)芯片與外界環(huán)境的熱交換，同時具有電路連接的功能。隨著LED行業(yè)向高效率、高密度、大功率等方向發(fā)展，開發(fā)性能優(yōu)越的散熱材料已成為解決LED散熱問題的當(dāng)務(wù)之急。一般來說，LED的發(fā)光效率和使用壽命會隨結(jié)溫的升高而下降，當(dāng)結(jié)溫達到125 ℃以上時，LED甚至?xí)霈F(xiàn)失效。為使LED結(jié)溫保持在較低的溫度，必須采用高熱導(dǎo)率、低熱阻的散熱基板材料和合理的封裝工藝，以降低LED總體的封裝熱阻。目前市場上常見的基板有：引線支架、環(huán)氧樹脂覆銅板（FR-4）、金屬芯印刷電路板（MCPCB）、陶瓷基板。

LED引線支架式封裝是最早投入市場，也是目前最成熟的、成本較低的LED封裝形式。由于支架散熱主要是通過金屬引線支架散熱，散熱有限，因此不能用于大功率LED的封裝。環(huán)氧樹脂覆銅基板（FR-4）是傳統(tǒng)電子封裝中應(yīng)用最廣泛的基板。但由于FR-4的基底材料是環(huán)氧樹脂，其熱導(dǎo)率只有0.2～0.3 W/（m?K），且耐高溫性差，因此FR-4不適應(yīng)高密度、高功率LED封裝的要求，僅用于小功率或者集成度較低的LED陣列封裝。

將FR-4電路板的基底材料換為金屬鋁板，則形成了目前應(yīng)用廣泛的金屬芯印刷電路板（Metal Core PCB，MCPCB）。MCPCB由三部分材料構(gòu)成：電路層、絕緣層和基體層，如圖1所示。MCPCB易于制造，適合大規(guī)模生產(chǎn)的需要。但MCPCB中間絕緣層熱導(dǎo)率較低，是熱傳導(dǎo)的瓶頸；MCPCB的耐壓較低，很難實現(xiàn)市電非隔離直接驅(qū)動的LED燈具。盡管也有用于高壓的場合，但很難過安規(guī)，安全隱患巨大。

陶瓷基板采用陶瓷和金屬化相結(jié)合的方式制作。就結(jié)構(gòu)與制作工藝而言，陶瓷基板可分為高溫共燒陶瓷（high temperature co-fired ceramics， HTCC）、低溫共燒陶瓷（high temperature co-fired ceramics， LTCC）、直接鍵合陶瓷基板（Direct Bonded Copper， DBC）、直接鍍銅陶瓷基板（Direct Plated Copper， DPC）等幾種形式。

直接鍍銅陶瓷基板DPC是將陶瓷基板做前處理，利用半導(dǎo)體工藝在陶瓷基

板上濺射銅種子層，再經(jīng)過曝光、顯影、蝕刻、去膜工藝完成線路制作，最后再以電鍍/化學(xué)鍍沉積方式增加銅線路的厚度，移除光刻膠后即完成金屬化線路制作。DPC部分采用了半導(dǎo)體制備工藝，其溫度較低，精度較高，完全避免了高溫對于材料所造成的破壞或尺寸變異等現(xiàn)象，也減小了基板的制備成本。另外，制備所得的基板顯然具有很高的線路精確度和表面平整度，且金屬/陶瓷界面無孔洞，結(jié)合牢固，具有較高的散熱能力，非常適用于高精度、高集成、小尺寸的LED封裝。但DPC基板也存在一些不足，具體體現(xiàn)在：1）電鍍沉積銅層厚度有限，且電鍍廢液污染大；2）金屬層與陶瓷間的結(jié)合強度較低，產(chǎn)品應(yīng)用時可靠性較低。

若將陶瓷基板換成Si基板，依然應(yīng)用半導(dǎo)體工藝制備相應(yīng)的硅基電路板，則有可能會獲得比陶瓷基板性能更好的硅基高導(dǎo)熱基板。隨著太陽能光伏電池工業(yè)的進步，大規(guī)模產(chǎn)能的大尺寸硅片的制備已經(jīng)有了巨大的突破，其基板成本遠低于傳統(tǒng)的PCB板。應(yīng)用微納加工工藝（半導(dǎo)體制造工藝）和厚膜工藝，可制備出性能高于陶瓷基板但成本更低的硅基高導(dǎo)熱LED基板。

硅基板

硅是一種極為常見的元素，但它極少以單質(zhì)的形式在自然界出現(xiàn)，而是以復(fù)雜的硅酸鹽或二氧化硅的形式，廣泛存在于巖石、砂礫、塵土之中。在地殼中，硅是第二豐富的元素，構(gòu)成地殼總質(zhì)量的26.4%，僅次于第一位的氧（49.4%）。隨著半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展，硅的提純與應(yīng)用，把人類帶到了硅時代，成為現(xiàn)代人類社會的文明象征。半導(dǎo)體硅材料具有熱導(dǎo)率高、與LED芯片熱失配小及加工技術(shù)成熟等優(yōu)點，非常適合作為大功率LED的散熱基板，逐漸從半導(dǎo)體業(yè)界引入到LED領(lǐng)域。

專業(yè)人士認為，將DPC工藝應(yīng)用到硅基板上是制備高功率LED產(chǎn)品的未來趨勢之一，充分運用成熟的硅工藝和薄膜工藝制作出精度高，布線緊密的線路，實現(xiàn)高密度封裝；同時也充分利用硅材料的高熱導(dǎo)率和較小翹曲，滿足CTE匹配。香港科技大學(xué)Ricky Lee、華中科技大學(xué)呂植成等人通過在硅晶圓上刻蝕出通孔結(jié)構(gòu)，采用濺射、電鍍方式制備出含TSV（硅通孔）銅柱的散熱硅基板。硅材料和銅都有很高的熱導(dǎo)率，這使得整個硅基板有較高的散熱能力。另外，這種封裝基板能夠?qū)崿F(xiàn)芯片級封裝，可以有效減小封裝體積。因此，硅基板作為大功率LED封裝基板具有潛在優(yōu)勢。表1是硅基板與其他LED基板材料的性能對比。

以硅作為基底的散熱基板的成本與鋁基板的成本差別不大，卻比陶瓷基板低。這得益于兩方面，一方面近些年來，隨著半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展，加上太陽能光伏產(chǎn)能過剩，使得多晶硅材料價格日益下降；另一方面是半導(dǎo)體工藝和相對應(yīng)的生產(chǎn)加工設(shè)備已經(jīng)相當(dāng)成熟，使得制備成本大大下降。隨著 LED 芯片封裝密度變高，以及 3D 集成封裝和晶圓級封裝技術(shù)的成熟，利用硅作為基板可以迅速適應(yīng)這些要求，且具有很快的技術(shù)移植性，完全滿足 LED 芯片散熱的發(fā)展需求。

為此我們研究開發(fā)了“LED芯片用預(yù)沉積焊料硅散熱基板”，結(jié)合硅的高導(dǎo)熱以及與LED芯片材料較好的熱匹配性能，移植大規(guī)模集成電路的生產(chǎn)技術(shù)，在硅基板上形成高質(zhì)量的電路結(jié)構(gòu)，制得的硅基板具有較低的制造成本，適用于大功率LED芯片的封裝基板，同時也用作其他大功率光電器件的高導(dǎo)熱基板。該項目得到了廣東省產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)專題暨省部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項目——LED芯片用預(yù)沉積焊料硅散熱基板（專題編號：20130902）的資助。功率LED 芯片的硅散熱基板，具有技術(shù)、成本上的可行性和性能上的適應(yīng)性。

基板的結(jié)構(gòu)設(shè)計

在LED器件中，封裝基板是承載芯片的重要組成部分，是承上啟下、連接內(nèi)外散熱通路的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，兼有散熱、電互連、絕緣和機械支撐等功能。對大功率LED器件而言，其封裝基板要求具有高導(dǎo)熱性、高絕緣性、高耐熱性、與芯片匹配的熱膨脹系數(shù)及較高的強度。

硅是各種半導(dǎo)體器件制造以及半導(dǎo)體光伏行業(yè)中使用最為廣泛的材料，導(dǎo)熱系數(shù)高達140～180 W/（m?K），能夠?qū)ED芯片產(chǎn)生的高熱量迅速傳導(dǎo)到外部的散熱器中，從而實現(xiàn)良好的散熱效果。熱膨脹系數(shù)與芯片材料很接近，熱失配小，可靠性更高。但僅憑硅的這些優(yōu)勢還不足以讓基板能滿足散熱、支撐、電互連等要求，還必須有一個良好的結(jié)構(gòu)才能使基板充分發(fā)揮出這些優(yōu)勢。

如圖2（a）和（b）所示，是硅基板的兩種結(jié)構(gòu)方案圖。圖2（a）的結(jié)構(gòu)是硅基體正面依次是絕緣層，導(dǎo)電層，導(dǎo)電層又分為粘附層、阻擋層、焊接層；硅基體背面依次是絕緣層、粘附層、阻擋層、焊接層；圖2（b）結(jié)構(gòu)與圖2（a）不同的是，圖2（b）只在硅基體正面有絕緣層，背面沒有絕緣層，絕緣層起絕緣導(dǎo)熱的作用。硅基板的絕緣耐壓值與絕緣層厚度有緊密的關(guān)系，所以只需要在保證導(dǎo)熱、制備成本的條件下適當(dāng)增加絕緣層的厚度即可。因此只需要單面增加絕緣層厚度，而如果在兩面都制備絕緣層的的話，不僅增加了工藝的復(fù)雜性，也增加了整個系統(tǒng)的界面熱阻，對導(dǎo)熱不利，因此本文采用圖2（b）作為硅基板的結(jié)構(gòu)。

由于硅是一種半導(dǎo)體材料，電導(dǎo)率是2.52×10-4（m?Ω）-1，且硅的電導(dǎo)率會隨著溫度升高而增大。因此需要在硅基體與導(dǎo)電層之間增加一層絕緣層，將導(dǎo)電層與硅基體隔離，并提供絕緣導(dǎo)熱的需求。絕緣層的配方、性能以及工藝是整個散熱基板的技術(shù)所在，決定了散熱基板的性能。選用二氧化硅作為絕緣層，原因有三：一是二氧化硅的絕緣性良好；二是二氧化硅的導(dǎo)熱系數(shù)是7.6 W/（m?K），加上厚度很薄可以滿足導(dǎo)熱的要求；三是在硅上制備二氧化硅薄膜工藝成熟，可以用熱氧化或化學(xué)氣相沉積法（PECVD）來制備，制備得到的薄膜跟基體的粘附性以及制備成本都是可以保證的。

在絕緣層上面是導(dǎo)電層。導(dǎo)電層起的作用不僅要與基體形成物理連接而且還要與芯片形成電互連。因此導(dǎo)電層也是封裝基板的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。作為導(dǎo)電層需要滿足以下性能：與二氧化硅薄膜的附著性能、導(dǎo)電性能和與芯片的焊接性能。若導(dǎo)電層只采用一種金屬，肯定是不能同時滿足這幾種性能的，因此本文提出了多膜層的導(dǎo)電層結(jié)構(gòu)，即導(dǎo)電層細分為粘附層、阻擋層、焊接層，每一層都由不同的金屬構(gòu)成。

從附著性能考慮，導(dǎo)電層的金屬材料需要與二氧化硅薄膜有良好的結(jié)合性能。從決定附著性能的幾個來源來看，范德華力、機械鑲嵌并不是決定導(dǎo)電層金屬與硅的良好附著的主要因素；而擴散性能和化學(xué)鍵力才是主要因素。因此可以選擇活性較高、有一定擴散率的金屬，如A1、Cr、Ti、Ni、Cu等作為粘附層，可以與部分氧共價鍵進行鍵合，達到較好的附著性能。另外有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，粘附層與基體生成新的物相，能提高薄膜層與基體的結(jié)合力。因此本文選擇Cr作為粘附層，用以提高導(dǎo)電層與硅基體的附著力。Cr粘附層一般很薄，只有幾十個納米。

從導(dǎo)電性能考慮，電阻率低的金屬材料如Au、Cu、Ag是較佳的導(dǎo)電布線材料。選擇材料成本與工藝成本均較低的Cu作為主要導(dǎo)電層材料。另外Cu也扮演著中間阻擋層的角色，阻擋焊料對導(dǎo)電層的侵蝕。因此銅層需要足夠的厚度，不能太薄。如果過薄不僅不能滿足大功率LED的驅(qū)動大電流，還會因為焊料的侵蝕而導(dǎo)致整個導(dǎo)電層的脫落。

導(dǎo)電層與芯片是通過焊接的方式連接在一起的，因此需要導(dǎo)電層有良好的可焊接性能，此外導(dǎo)電層還需要有效地阻止焊料對導(dǎo)電層的侵蝕。在焊接時，由于接觸面的高溫以及焊料的影響，膜層容易出現(xiàn)氧化、吸氣、被焊料侵蝕等現(xiàn)象，可焊性較差的材料，焊接時更容易使焊縫出現(xiàn)夾渣，焊接件變形、開裂等缺陷。而且無鉛焊料的焊接溫度在235 ℃以上，比普通含鉛焊料焊接溫度高十幾度，更容易使膜層熔蝕造成脫焊。從焊接性能考慮，與芯片連接的部分為焊接層，選擇低電阻率、抗氧化性、高溫穩(wěn)定并且焊料浸潤性好的金屬材料，如Ag、Cu、Pt、Au、Ni等。其中Pt、Au、Ag的成本較高，而Cu更易生成電阻率高的氧化物，因此可選擇Ni作為焊接層的材料，其表面鍍金，防止鎳的氧化。

硅基板的熱學(xué)模擬

熱傳遞的基本方式有熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射三種。在大功率LED器件的熱傳遞中，硅基板僅以熱傳導(dǎo)的方式將LED的產(chǎn)熱導(dǎo)出至散熱器上。