內嵌陶瓷電路板的PCB 基板制備及其LED 封裝性能

王 哲，王永通，劉佳欣，牟 運，彭 洋，陳明祥*

（1.華中科技大學機械科學與工程學院，湖北武漢 430074； 2.華中科技大學 航空航天學院，湖北 武漢 430074）

1 引 言

發(fā)光二極管（LED）作為新型固態(tài)光源的典型代表，具有發(fā)光功率高、壽命長、節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點[1-4]，已廣泛應用于室內外照明、顯示屏背光源、汽車前燈等；深紫外LED則應用于殺菌消毒、生化檢測和醫(yī)療健康等領域[5-6]。目前，電子器件和產(chǎn)品正沿著小型化、集成化、大功率方向發(fā)展。由于大功率LED器件在工作中約有70%輸入電能轉化為熱，大量熱量集中在器件內部會引起結溫升高，進而影響其光學性能和可靠性[7-9]，因此優(yōu)化器件散熱成為一個亟待解決的問題。器件熱管理包括封裝和系統(tǒng)性能兩個部分[10]。從封裝角度出發(fā)，器件散熱主要依靠熱傳導方式，熱量沿著芯片-鍵合層-基板-散熱器傳導，最后通過對流耗散到空氣中。其中封裝基板作為重要的散熱通道[11]，其選擇和結構設計對電子器件性能至關重要。

印刷電路板（Printed circuit board，PCB）是目前市場上最為常見的封裝基板，由有機絕緣層和金屬線路層組成。絕緣層一般使用有機樹脂材料做粘合劑、玻璃纖維布（FR4）做增強材料制成，線路層則由銅箔經(jīng)高溫層壓工藝而得。PCB 基板價格低廉，易機械加工，但由于有機材料散熱性能差，導致PCB 基板綜合熱導率低（0.2～0.3 W/（m·K）），且有機材料受高溫易出現(xiàn)熱降解和熱老化，嚴重時甚至出現(xiàn)碳化[12]，因此PCB 難以滿足功率器件封裝需求。為改善PCB 基板，金屬基印刷電路板（MCPCB）應運而生，其將金屬層和絕緣層結合進一步促進散熱，但是整體導熱率依舊不高。為此，業(yè)內提出埋銅板的概念[13-15]，即利用壓合工藝將金屬銅塊嵌入開窗的PCB 或MCPCB 基板中，利用金屬高導熱率提高基板整體散熱能力。為了避免金屬導電造成短路現(xiàn)象，一般在銅塊表面覆蓋絕緣層，但絕緣層反過來也會影響基板的散熱性能。

陶瓷材料如氧化鋁（Al2O3）、氮化鋁（AlN）、氮化硅（Si3N4）等是一種高導熱材料，具有優(yōu)異的絕緣性能以及較低的熱膨脹系數(shù)，可滿足基板材料要求?，F(xiàn)有陶瓷基板制備技術主要包括厚膜印刷陶瓷基板（Thick printing ceramic substrate，TPC）、直接鍵合銅陶瓷基板（Direct bonded copper ceramic substrate，DBC）、直接電鍍銅陶瓷基板（Direct plated copper ceramic substrate，DPC）等[16]。其 中DPC 基板具有圖形精度高、可垂直互連等技術優(yōu)勢，但由于陶瓷材料質脆易碎、加工成本高、工藝較為復雜，在應用方面受到諸多限制。有研究提出內嵌陶瓷塊的PCB 基板結構[17-18]，將陶瓷塊作為增強體填充在開窗的PCB 中，利用半固化板在高溫下變成粘流態(tài)實現(xiàn)陶瓷塊固定，經(jīng)圖形轉移刻蝕銅箔得到線路層。陶瓷材料熱膨脹系數(shù)低，F(xiàn)R4 材料的包覆可對陶瓷塊進行保護，防止其在工作過程中出現(xiàn)裂紋失效。此外，F(xiàn)R4 材料價格較低，這使得內嵌基板不僅在散熱性能方面優(yōu)于普通PCB 基板，與陶瓷基板相比，其還具備制造簡單、成本低廉等優(yōu)勢。但內嵌陶瓷塊結構無法實現(xiàn)垂直互連（正反面線路導通），限制了基板的線路設計與應用。

本文提出一種內嵌DPC 的PCB 基板結構（以下簡稱“內嵌基板”），利用粘接劑將DPC 內嵌入開窗的PCB 中，背面沉積金屬層后得到內嵌基板，并將其應用于大功率LED 封裝。內嵌基板以DPC 作為芯片承載點，PCB 區(qū)域起電氣互連作用，陶瓷的高導熱性可增強基板局部散熱，同時DPC基板垂直互連結構為基板線路設計提供了便利與多樣性。本文通過對比普通PCB 基板，分析兩種基板封裝的LED 器件在不同電流下的基板溫度、光功率變化，測試了其熱阻值和光譜，從而綜合評價內嵌基板散熱性能。

2 實 驗

2.1 內嵌基板制備及其大功率LED 封裝

DPC 基板制備工藝主要包括激光打孔、濺射鍍膜（沉積種子層）、貼干膜、曝光、顯影、電鍍增厚等，激光切割后得到單片DPC 基板（含線路層）。PCB 基板則由層壓、貼干膜、曝光、顯影和刻蝕等工藝制備，表面線路可進行噴錫或沉金處理。為制備內嵌基板，首先在PCB 基板上進行開窗處理，開窗區(qū)域尺寸與DPC 基板相當。實驗使用的膠粘劑為國產(chǎn)耐高溫（400 ℃）環(huán)氧膠，芯片為大功率藍光LED 芯片（主波長465 nm，功率1 W，尺寸1 mm×1 mm）。

圖1為內嵌基板制備工藝及其封裝流程。首先，在PCB 基板開窗區(qū)域內沿涂覆膠粘劑，將DPC基板內嵌入開窗區(qū)域，在150 ℃下保溫60 min 使膠粘劑固化，隨后對膠層邊緣進行研磨處理使表面平整。接著在基板背面沉積金屬層，實現(xiàn)PCB與DPC 基板間電互連，得到完整的內嵌基板。在大功率LED 封裝過程中，首先選用錫鉍（Sn42Bi5 8）焊膏，采用點膠工藝將焊膏涂覆于基板焊盤上，貼裝LED 芯片后經(jīng)回流焊完成LED 封裝。

圖1 內嵌DPC 的PCB 基板制備工藝及其封裝流程Fig.1 Fabrication process of PCB substrate embedded with DPC and its packaging process

為了更好地評價內嵌基板各項性能，選用與內嵌基板具有相同尺寸和線路圖形的普通PCB基板作為對照組，使用相同LED 芯片和封裝工藝完成封裝過程，以便后期對內嵌基板的熱學、光學性能進行對比分析評價。

2.2 性能表征

使用超景深三維顯微鏡（KEYENCE,VHX-1000, Japan）觀測內嵌基板橫截面結構；利用積分球（HAAS-2000，EVERFINE）測量內嵌基板和普通PCB 基板在不同電流下的光功率，并分析其光譜（Electroluminescence, EL）；采用熱阻測試儀（T3ster-Master，Mentor Graphics）測量了兩種基板封裝體系的總熱阻和結溫變化；采用紅外熱像儀（FLIR，E63，USA）測試基板表面工作溫度。

3 結果與討論

3.1 內嵌基板及其橫截面形貌觀察

圖2（a）為制備的內嵌基板實物圖。PCB 基板表面涂覆阻焊層，尺寸為20 mm×20 mm，線路層經(jīng)噴錫處理。DPC 基板材料為氧化鋁，尺寸為8 mm×8 mm，基板厚度為0.5 mm。兩基板之間為粘接層，其表面平整無凸起或凹陷。圖2（b）為封裝LED 芯片后的內嵌基板局部放大圖，LED 芯片直接貼裝在DPC 基板焊盤上，即由DPC 作為熱源承載點，利用氧化鋁陶瓷的高導熱性，促進基板局部散熱，降低芯片結溫。

圖2 （a）內嵌基板實物圖；（b）封裝LED 芯片后內嵌基板局部放大圖。Fig.2 （a）Picture of DPC embedded PCB substrate.（b）Partial enlarged picture of DPC embedded PCB substrate after packaging LED.

圖3（a）為內嵌基板整體橫截面圖，其中包括芯片、內嵌的DPC 基板、粘接層、開窗的PCB 基板和金屬層線路。由圖3（b）可觀察到DPC 基板垂直互連通孔，該通孔可實現(xiàn)基板上下表面電互連。圖3（c）為內嵌基板粘接層處橫截面照片，可見膠粘劑完整填充兩種基板之間的縫隙，內部無空洞和缺陷，保證了兩種基板間的粘接強度。通過在背面沉積金屬層實現(xiàn)兩基板線路互通，由此可利用PCB 基板完成LED 芯片與其他電子器件以及電源間電氣連接。

圖3 （a）內嵌基板整體截面圖；（b）DPC 基板通孔截面圖；（c）內嵌基板粘接層截面圖。Fig.3 （a）Picture of integral cross-section of DPC embedded PCB substrate.（b）Cross-sectional view of the through-hole of DPC.（c）Cross-sectional view of the adhesive layer of DPC embedded PCB substrate.

3.2 內嵌基板封裝LED 熱學性能

為評價內嵌基板散熱性能，對比普通PCB 基板，在電流為400 mA 時觀察基板溫度隨時間變化，如圖4（a）。兩種基板的溫度都隨時間而升高，點亮120 s 后基板溫度達到穩(wěn)定，此時內嵌基板表面溫度為92.3 ℃，普通PCB 基板溫度為155 ℃。原因在于氧化鋁陶瓷具有比PCB 中絕緣材料（FR4）更高的熱導率（約為20 W/（m·K）），可增強基板局部散熱，降低芯片結溫。

圖4 （a）400 mA 時，內嵌基板和普通PCB 基板溫度隨時間變化；（b）不同電流下內嵌基板和普通PCB 基板溫度變化。Fig.4 （a）Temperature of DPC embedded PCB substrate and ordinary PCB substrate at different time at 400 mA.（b）Temperature of DPC embedded PCB substrate and ordinary PCB substrate at different input currents.

不同電流驅動下，點亮2 min 后測試兩種基板表面溫度變化，結果如圖4（b）所示。隨著電流增大，兩種基板表面溫度均呈現(xiàn)上升趨勢。當電流由200 mA 增加到700 mA 時，內嵌基板表面最高溫由51.9 ℃增加到162 ℃。電流增大將導致芯片結溫升高，使封裝體系溫度升高，其中普通PCB基板的溫升趨勢更為明顯。在200 mA 電流下，普通PCB 基板表面最高溫為71.3 ℃，400 mA 時為156 ℃，溫升為84.7 ℃，比同電流梯度下內嵌基板溫升高約42.1 ℃。由此可見內嵌基板可有效傳導熱量，降低基板表面溫度。另外，在相同電流驅動下，兩基板溫差分別為19.4，29.6，61.5，110，146，182 ℃。這說明內嵌基板較普通PCB 基板具有更好的散熱優(yōu)勢，且這種優(yōu)勢在高電流時更為明顯。

圖5為350 mA 時，使用內嵌基板和普通PCB基板封裝的LED 樣品結溫曲線和熱阻圖。內嵌基板封裝結構結溫變化為9.36 ℃，其基板熱阻值較低，為15.55 K/W；普通PCB 基板封裝結構結溫變化為39.22 ℃，基板熱阻值為94.03 K/W。研究表明，LED 芯片封裝點亮后，熱量會沿著基板垂直和水平兩個方向進行傳導，從而產(chǎn)生沿基板垂直方向的一維熱阻和水平方向的擴散熱阻，兩者構成封裝基板總熱阻[19]。內嵌基板將DPC 作為熱源承載點，陶瓷材料利用聲子傳導熱量，因而芯片工作產(chǎn)生的熱量易從垂直方向傳導，一維熱阻較低；而普通PCB 基板為多層結構（FR4-半固化板-金屬層），受絕緣層界面熱阻較大的影響，垂直導熱受限，熱量容易在水平面聚集。圖6 為在同等電流下兩種基板封裝結構的紅外熱成像圖，可觀察到內嵌基板水平方向上溫度分布較均勻，擴散熱阻相對較?。黄胀≒CB 基板高溫點集中在芯片附近，水平方向產(chǎn)生較大的溫度梯度，擴散熱阻較大，導致基板整體熱阻值大于內嵌基板，熱量難以散出。

圖5 350 mA 時，內嵌基板和普通PCB 基板封裝LED 結溫圖（a）與熱阻圖（b）。Fig.5 Junction temperature（a）and thermal resistance（b）of LED packaged with DPC embedded PCB substrate and ordinary PCB substrate at 350 mA

圖6 400 mA 時，兩種基板封裝LED 表面工作溫度。（a）內嵌基板；（b）普通PCB 基板。Fig.6 Surface operating temperature of LED modules packaged with two kinds of substrates at 400 mA.（a）DPC embedded PCB substrate.（b）Ordinary PCB substrate.

LED 封裝結構總熱阻由芯片本身熱阻、鍵合層熱阻以及基板熱阻等組成。隨著電流變化，芯片可能會出現(xiàn)電流擁擠效應，即輸入電流很小時，芯片有源層中只有一部分實際攜帶電流，熱源面積較小，芯片本身熱阻相對較高。隨電流增加，更大的有效面積被傳導，熱量均勻傳播，芯片有效熱阻降低。除電流外，結溫也會影響芯片本身熱阻，高結溫導致芯片中更嚴重的非輻射復合，電流擁擠效應會再次發(fā)生。受芯片熱阻值變化的影響，封裝結構總熱阻可能會出現(xiàn)輕微波動。圖7 為不同電流下，兩種基板封裝結構的總熱阻變化圖。在實驗電流范圍內，兩種封裝結構總熱阻基本保持穩(wěn)定，說明兩種基板結構均沒有出現(xiàn)明顯的電流擁擠效應，電流變化對封裝體系總熱阻影響不大。

圖7 兩種基板封裝的LED 在不同電流下的總熱阻變化Fig.7 Total thermal resistance of LEDs packaged with two kinds of substrates at different input currents

3.3 內嵌基板封裝LED 光學性能

圖8（a）為使用兩種基板封裝LED 在不同電流下點亮2 min后測量的光功率變化。圖8（b）～（c）為電流在350 mA 時對應的LED 點亮圖。隨著電流增大，使用兩種基板封裝的LED 光功率均先呈現(xiàn)上升趨勢。對于使用普通PCB 基板封裝的LED，當電流由200 mA 增大到400 mA 時，光功率從283.3 mW 增 大 到456.3 mW，400 mA 為 飽 和 電流，光功率達到最大。隨著電流繼續(xù)增大，光功率呈下降趨勢，出現(xiàn)明顯的光衰。600 mA 時，光功率較400 mA 時降低了83.7 mW。這是因為電流增大引起結溫升高，溫度升高會降低芯片的輻射復合效率，從而降低發(fā)光效率[20]。圖9（a）為普通PCB 基板實物圖，圖9（b）為封裝LED 芯片后普通PCB 基板焊盤局部放大圖，圖9（c）為普通PCB 基板高溫破壞后的圖片。700 mA 時，受高溫影響，使用普通PCB 基板封裝的LED 點亮1 min 后即熄滅；同時因基板溫度過高，PCB 基板中有機材料不耐高溫出現(xiàn)碳化，導致LED 無法發(fā)光。而使用內嵌基板封裝的LED，光功率隨電流增大逐漸增大且在700 mA 時仍能正常工作，此時內嵌基板光功率為712.6 mW。這是因為陶瓷材料的高熱導率降低了LED 芯片溫升，進而降低了結溫變化對LED 光學性能的不利影響。此外，在相同電流下，使用內嵌基板封裝的LED 光功率均高于普通PCB 基板，且隨電流增加，這種差別愈發(fā)明顯。200 mA 時使用內嵌基板封裝的LED 光功率較普通PCB 基板高約6.9%，400 mA 時相差約16.7%。這說明內嵌基板可有效提升封裝系統(tǒng)的光學性能，擴大器件在短時間內的使用電流值。

圖8 （a）不同電流下兩種基板封裝的LED 光功率變化；（b）使用內嵌基板封裝LED 點亮圖；（c）使用普通PCB 基板封裝LED 點亮圖。Fig.8 （a）Optical power of LEDs packaged with two kinds of substrates at different input currents.（b）Lighting of LED packaged with embedded substrate.（c）Lighting of LED packaged with ordinary PCB substrate.

圖9 （a）普通PCB 基板實物圖；（b）封裝LED 芯片后普通PCB 基板局部放大圖；（c）700 mA 時，普通PCB 基板失效圖。Fig.9 （a）Picture of ordinary PCB substrate.（b）Partial enlarged picture of ordinary PCB substrate after packaging LED.（c）Failure picture of ordinary PCB substrate at 700 mA.

圖10為使用兩種基板封裝的LED 光譜。隨著電流增大，使用內嵌基板封裝的LED 激發(fā)峰值變大，因芯片溫度升高，有源區(qū)禁帶寬度變窄，峰值波長出現(xiàn)輕微紅移；而使用普通PCB 基板封裝的LED 激發(fā)峰呈現(xiàn)先增大后下降趨勢，同等電流下激發(fā)峰值低于內嵌基板。這與熱效應引起的峰值波長變化密切相關[21]。受高溫影響，使用普通PCB 基板封裝的LED 波長紅移現(xiàn)象較內嵌基板更為明顯，因此，采用內嵌基板可以有效降低因電流增大對器件造成的不利影響。

圖10 使用內嵌基板（a）和普通PCB 基板（b）封裝LED 光譜Fig.10 EL spectra of LED packaged with embedded substrate（a）and ordinary PCB substrate（b）

4 結 論

本文提出并制備了內嵌陶瓷電路板（DPC）的PCB 基板（簡稱“內嵌基板”），并將其應用于大功率LED 封裝，對比普通PCB 基板分析了其熱學和光學性能。通過在PCB 基板開窗區(qū)域內嵌DPC基板，利用膠粘劑固化后得到內嵌基板。隨著輸入電流增加，內嵌基板表面溫度逐漸升高，但溫升趨勢低于普通PCB 基板。當電流由200 mA 增加到400 mA 時，內嵌基板表面溫升比同電流梯度下普通PCB 基板溫升低約42.1 ℃；同等電流下使用內嵌基板封裝LED 的溫度較普通PCB 基板低，其光功率始終高于普通PCB 基板。400 mA 時，兩者光功率相差約16.7%。當電流為700 mA 時，普通PCB 基板受高溫影響已經(jīng)無法保證LED 發(fā)光，而內嵌基板仍能正常工作，說明其具有較高的散熱性，可擴大器件短時間內的使用電流值。此外，使用內嵌基板封裝的LED 樣品在350 mA 時基板熱阻和結溫變化分別為15.55 K/W 和9.36 ℃，比普通PCB 基板封裝樣品分別低78.48 K/W 和29.86 ℃。實驗結果表明，內嵌基板可以有效提升PCB 基板的整體散熱能力，提高LED 器件的光學性能。

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