厚膜印刷陶瓷基版 - 散热基板之厚膜与薄膜制程差异分析

3-1、厚膜印刷陶瓷基版

　　厚膜制程大多使用网版印刷方式形成线路与图形,因此,其线路图形的完整度与线路对位的精确度往往随着印刷次数增加与网版张力变化而出现明显的累进差异,此结果将影响后续封装制程上对位的精准度;再者,随着组件尺寸不断缩小,网版印刷的图形尺寸与分辨率亦有其限制,随着尺寸缩小,网版印刷所呈现之各单元图形尺寸差异(均匀性)与金属厚度差异亦将越发明显。为了线路尺寸能够不断缩小与精准度的严格要求下,LED散热基板的生产技术势必要继续提升。因而薄膜制程的导入就成为了改善方法之一,然而国内拥有成熟的陶瓷基板薄膜金属化制程技术的厂家却屈指可数。为此,以薄膜组件起家的瑷司柏电子(ICP),即针对自家开发之薄膜基板与传统厚膜基板进行其制程与产品特性差异分析(如下表二所示)。

　　表二 薄膜与厚膜制程产品之差异分析

 

　　3-2、薄膜制程应用于陶瓷基板

　　薄膜技术的导入正可解决上述线路尺寸缩小的制程瓶颈,结合高真空镀膜 技术与黄光微影技术,能将线路图形尺寸大幅缩小,并且可同时符合精准的线路对位要求,其各单元的图形尺寸的低差异性(高均匀性)更是传统网版印刷所不易达到的结果。在高热导的要求下,目前瑷司柏(ICP)的薄膜制程技术已能克服现阶段厚膜制程在对位精准度的瓶颈,图(二)即为薄膜制程之简易流程图,在空白陶瓷基板上(氧化铝/氮化铝)经过前处理之后,镀上种子层(sputtering),经过光阻披覆、曝光显影,再将所需之线路增厚(电镀/化学镀),最后经过去膜、蚀刻步骤使线路成形,此制程所备制之产品具有较高的线路精确度与较佳的金属镀层表面平整度。图(三)即为瑷司柏薄膜基板产品与传统厚膜产品的金属线路光学 显微图像。可明显看出厚膜印刷之线路,其表面具有明显的坑洞且线条的平整度不佳,反观以薄膜制程制备之金属线路,不但色泽清晰且线条笔直平整。

　　由以上厚/薄膜这些金属线路上的几何精准度差异,再加上厚膜线路易因网版张网问题造成数组图形的累进公差加剧,使得厚膜印刷产品在后续芯片置件上,较容易造成置件偏移或是寻边异常等困扰。换句话说厚膜印刷产品的对位及线路的精准度不够精确,使其限制了芯片封装制程的制程裕度(window)。然而,薄膜制程产品则能大幅改善其现象。

　　但从产品成本结构来看,如表二所示薄膜产品的制程设备(黄光微影)与生产环境(无尘或洁净室)相较于厚膜产品其成本较高,然而薄膜制程的金属线路多以厚铜材料为主,相较于厚膜印刷之厚银而言,材料成本却相对较低,因此,可预期的当利用薄膜制程将陶瓷基板金属化的产品,日渐达到经济规模时,其成本将逐渐趋近于厚膜产品。

　　图二、薄膜制程流程

　　图三、厚膜与薄膜线路差异

 

　　3-2-1、氧化铝陶瓷基板

　　上述部分是针对制程不同部份所做的阐述,另一项与散热息息相关的则是基板材质,LED散热基板所使用之材质现阶段以陶瓷为主,而氧化铝陶瓷基板应是较易取得且成本较低之材料,是目前运用在组件上的主要材料,然而厚膜技术或薄膜技术在氧化铝陶瓷基板上制备金属线路,其金属线路与基版的接着度或是特性上并无显著的差异,而两种制程显现出最主要的差异则是在线路尺寸缩小的要求下,薄膜制程能提供厚膜技术无法达到的较小线路尺寸与较高的图形精准度。

 

　　3-2-2、氮化铝陶瓷基板

　　而在更高功率LED应用的前提下,具高导热系数的氮化铝(170-230W/mK)将是散热基板的首选材质,但厚膜印刷之金属层(如高温银胶)多需经过高温(高于800oC)烧结制程,此高温烧结制程于大气环境下执行易导致金属线路与氮化铝基板间产生氧化层,进而影响线路与基板之间的附着性;然而,薄膜制程则在300℃以下制程之条件下备制,无氧化物生成与附着性不佳之疑虑,更可兼具线路尺寸与高精准度之优势。薄膜制程为高功率氮化铝陶瓷LED散热基板创造更多应用空间。

　　4、结论

　　以上我们已将LED散热基板在两种不同制程上做出差异分析,以薄膜制程备制陶瓷散热基板具有较高的设备与技术,需整合材料开发门坎,如曝光、真空沉积、显影、蒸镀(Evaporation)、溅镀(Sputtering)电镀与无电镀等技术,以目前的市场规模,薄膜产品的相对成本较高,但是一旦市场规模达到一定程度时,必定会反映在成本结构上,相对的在价格上与厚膜制程的差异将会有大幅度的缩短。