凱昶德推出3D成型DPC陶瓷基板 開創UV LED全無機封裝新革命

高功率LED封裝技術的發展與趨勢，仍朝低熱阻、高可靠度、高出光率、長壽命、易加工、小尺寸及低成本等方向持續不斷地改進。陶瓷封裝憑藉其獨特的耐高溫與不易劣化等特性，始終在高功率LED市場佔據著一席之地。

在LED陶瓷封裝中，陶瓷基板作為晶元的承載基板，起著機械支撐保護、電互連（絕緣）、導熱散熱、輔助出光等作用。傳統上應用於LED陶瓷封裝的基板主要採用LTCC和HTCC工藝製備，其典型供應商有日本的京瓷及中國的潮州三環。

LTCC/HTCC陶瓷基板從其製備工藝看，由於採用了多層疊壓共燒工藝，可以製備含密封腔體的多層結構，滿足器件氣密封裝要求，但在實際應用中，仍存在如下缺點：採用厚膜印刷完成線路製作，由於網板張力變化等因素，線路表面較為粗糙（Ra約為1~3um），對位不精準。

而且多層陶瓷疊壓燒結工藝還有收縮比例失調引起的尺寸精度問題，這使得其工藝解析度較為受限，不利於高精密微電子封裝技術，以上因素的疊加使得LTCC/HTCC等厚膜線路陶瓷基板的推廣應用受到極大挑戰。下圖1展示了典型的LTCC陶瓷基板截面圖及厚膜線路表面狀態圖。

圖1 帶陶瓷腔體的LTCC陶瓷基板截面圖

在向LED功率器件封裝領域的推廣過程中，LTCC/HTCC厚膜線路陶瓷基板的固有缺點顯露無遺，使得這種封裝形式在LED領域如曇花一現般快速沒落，2012年左右即快速退出了市場，取而代之是一種平板型的DPC陶瓷基板，其典型供應商有台灣地區的同欣電子及大陸的凱昶德（證券代碼：831790，股票簡稱：凱德科技）。

如圖2所示，平板型DPC陶瓷基板是一種結合薄膜線路與電鍍製程的技術，在薄膜金屬化的陶瓷板上採用影像轉移方式製作線路，再採用穿孔電鍍技術形成高密度雙面布線間的垂直互連。

由於採用了半導體微加工技術，基板線寬可降低為10~30um，表面平整度高（

圖2 平板型DPC陶瓷基板結構示意圖

平板型DPC陶瓷基板儘管在LED領域得到廣泛應用，但薄膜線路採用的黃光微影技術只能在平板上進行布線，其工藝局限性使得它們不能在陶瓷基板上做出三維密封腔室，無法實現LED功率器件的三維氣密封裝，滿足高氣密性、高真空度或惰性氣體填充等特殊要求。

為實現氣密封裝，DPC陶瓷基板一般採用注塑的方式實現密封膠填充和成型，技術要求高，工藝流程複雜，注塑設備昂貴，這也限制了薄膜線路陶瓷基板在功率器件領域的廣泛應用。

鑒於現有基板在功率器件封裝領域的應用缺陷，凱昶德經過潛心研發，突破了陶瓷-金屬3D成型技術，推出了含金屬密封腔體的3D成型DPC陶瓷基板，以滿足現有功率器件封裝技術的發展需要。

圖3凱昶德3D成型DPC陶瓷基板結構示意圖

凱昶德3D成型DPC陶瓷基板結構如圖3所示，其線路層仍然保留了薄膜線路陶瓷基板特有的高解析度、高平整度及高可靠垂直互聯等技術優勢，且在陶瓷基板表面一體成型獲得金屬密封腔，形成陶瓷-金屬3D密封結構。

該技術既消除了LTCC/HTCC等厚膜基板尺寸精度不高，線路粗糙等缺陷，也彌補了現有薄膜基板無法製作3D封裝腔體的缺陷，且基體可以根據封裝需要，在高導熱氮化鋁、高強度氮化硅、高純氧化鋁等不同陶瓷材質中任意選擇，工藝一致性好，成本低，為高可靠，高功率及小型化LED功率器件的封裝提供了更廣闊的解決方案。

應用於UV LED：實現全無機封裝，可靠性高、成本低

LED陶瓷封裝光源已逐漸向紫外、紅外，植物照明、汽車照明，閃光燈舞檯燈等細分市場滲透，近幾年獲得飛速發展，其中UV LED市場前景尤其值得期待。

儘管UV LED在印刷固化、殺菌消毒、空氣凈化、醫療、生化檢測等領域得到廣泛應用，但也面臨著可靠性差、散熱不良、光效不高、成本高等問題。

國內市場上主要採用傳統白光LED封裝技術，其封裝材料含有有機材質，儘管採用了陶瓷基板作為晶元支撐，但透明出光材料仍為硅膠和環氧樹脂等，如圖4(a)所示。這類有機材料是影響UV LED壽命和可靠性的關鍵，使得器件無法實現氣密封裝，導致LED信賴性中冷熱循環實驗中存在巨大風險。

為了應對UV LED的高能輻射對有機材料的影響，日、韓等製造商近期推出了採用LTCC/HTCC陶瓷密封腔+玻璃透鏡的UV LED器件，惰性氣體填充，陶瓷基座與玻璃透鏡仍然採用有機粘結材料，如圖4(b)所示。

台灣地區也相繼推出了一種陶瓷底板+鋁基圍壩+玻璃透鏡的封裝結構，陶瓷與鋁基圍壩、鋁基圍壩與玻璃透鏡之間仍採用有機粘結材料粘合，如圖4(c)所示。由此可見，現有國內外封裝技術仍或多或少的採用了有機材料，儘管通過對有機材料進行改性，在一定程度上減緩了LED金線受損和斷線失效，但有機材料長期在高強度紫外光、熱、濕、氧氣條件下工作，可靠性很難得到保證。

(a) 國內(b) 日韓等國外(c) 台灣地區

圖4：當前幾種主要UV LED封裝形式

凱昶德推出的3D成型DPC陶瓷基板則為徹底去除有機封裝材料提供了最佳解決方案。如圖5所示，陶瓷基板與金屬圍壩一體成型，形成密封腔體，無連接界面，氣密性高，防水性好；金屬圍壩的形狀可以任意設計，圍壩頂部可製備出定位台階，便於精確放置玻璃透鏡；根據器件氣密性要求，圍壩與透鏡的連接，或採用焊接或採用粘結都非常方便；3D成型DPC陶瓷基板可以整片製造，具有工藝一致性高，成本低，製造周期短，無模具開發費用等優點，非常適用於大規模自動化生產。

圖5凱昶德3D成型陶瓷基板UV LED全無機封裝結構圖

針對市場前景最為廣泛的UV-C LED封裝，凱昶德的3D成型DPC陶瓷基板更是擁有其他基板無法比擬的優勢。首先，UV-C LED由於p-GaN的吸收，只能採用倒裝方法從背面出光。

其次，當前UV-C LED晶元外量子效率還較低，致使大部分電能轉化為熱能，必須採用倒裝工藝促進散熱，這就意味著無論從晶元製程還是從封裝工藝考慮，UV-C LED都必須採用倒裝共晶技術。

圖6 帶反射杯的UV-C倒裝結構圖

市場上目前推出的LTCC/HTCC陶瓷基板，其固晶區均採用厚膜絲印技術，線路解析度及表面粗糙度無法達成晶元倒裝共晶的要求，而凱昶德推出的3D成型基板，其線路層採用的是薄膜工藝，完全契合了晶元倒裝共晶的工藝要求，配以玻璃蓋板金屬封焊技術，可實現全無機倒裝共晶封裝，是目前最適合於UV-C LED封裝的基板解決方案。

此外，該3D成型工藝還可以把圍壩設計成帶一定反射角的碗杯狀，提高出光效率，圖6顯示了帶反射杯的UV-C LED倒裝結構圖。

應用於LED舞檯燈：封裝設計更靈活，製程簡單

凱昶德陶瓷-金屬3D成型技術，不僅能獲得高真空度所需的密閉腔室，也能根據器件需要製作出不同形狀的圍壩圖案，該技術可簡化現有大功率LED舞檯燈的封裝製程，提高可靠性。

以某國際大廠推出的舞檯燈為例，其封裝結構圖如圖7(a)所示，採用氮化鋁陶瓷基板外加方形玻璃透鏡的封裝方式，晶元為RGBW四垂直晶元，每顆晶元最高可處理4.5A的電流。

由於驅動電流大，功率相對較大，因此採用半封閉式設計，在玻璃透鏡的兩端各開一個小口，作為空氣流通的通道，通過熱對流的方式進行散熱。

(a) 市場上現有封裝 (b) 3D成型DPC陶瓷基板封裝

圖7 RGBW舞檯燈結構圖

這種設計筆者認為存在一些缺陷，比如玻璃透鏡形狀複雜，製作成本高；玻璃透鏡與基板之間採用有機粘合，容易脫落，降低了可靠性；玻璃透鏡與基板粘合時對位精度要求高，增加了封裝設備成本。

採用3D成型DPC陶瓷基板則可以克服以上缺陷，如圖7(b)所示，該技術可以在陶瓷基體上一體成型出帶有散熱口的金屬圍壩，封裝時不存在圍壩與陶瓷基板對位偏移的風險，圍壩頂部製作有限位台階，便於玻璃透鏡的定位。

根據可靠性高低要求，玻璃透鏡與圍壩之間可以採用有機粘合或者金屬焊接的方式進行結合，圍壩及玻璃透鏡結構簡單，製作成本低，同時大大簡化了封裝難度，降低了封裝成本。同樣，通過改變圍壩圖案或者圍壩高度，可以改善出光效率、調整出光角度。

通過以上設計方案的探討，筆者認為，凱昶德推出的3D成型DPC陶瓷基板，在極大程度上彌補了現有LTCC/HTCC、平板型DPC等陶瓷基板的各自缺陷，為UV LED、大功率舞檯燈等新型功率器件封裝提供了更好的解決方案。

此外，鑒於其良好的密封性、導熱性、耐熱性、絕緣性、高頻特性及低熱膨脹係數等優點，凱昶德推出的3D成型DPC陶瓷基板，已在SiC、GaN基第三代光電及半導體功率器件、光纖通訊、5G射頻模塊、大功率微波器件、光伏模組、MEMS感測器等封裝領域中得到了廣泛應用，擁有廣闊的市場前景。

本文作者：東莞市凱昶德電子科技股份有限公司 吳朝暉博士

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