高功率LED封裝技術(shù)的發(fā)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(xù)不斷地改進。陶瓷封裝憑借其獨特的耐高溫與不易劣化等特性，始終在高功率LED市場占據(jù)著一席之地。

在LED陶瓷封裝中，陶瓷基板作為芯片的承載基板，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(tǒng)上應用于LED陶瓷封裝的基板主要采用LTCC和HTCC工藝制備，其典型供應商有日本的京瓷及中國的潮州三環(huán)。

LTCC/HTCC陶瓷基板從其制備工藝看，由于采用了多層疊壓共燒工藝，可以制備含密封腔體的多層結(jié)構(gòu)，滿足器件氣密封裝要求，但在實際應用中，仍存在如下缺點：采用厚膜印刷完成線路制作，由于網(wǎng)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(jié)工藝還有收縮比例失調(diào)引起的尺寸精度問題，這使得其工藝解析度較為受限，不利于高精密微電子封裝技術(shù)，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(zhàn)。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(tài)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(lǐng)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(lǐng)域如曇花一現(xiàn)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，其典型供應商有臺灣地區(qū)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(jié)合薄膜線路與電鍍制程的技術(shù)，在薄膜金屬化的陶瓷板上采用影像轉(zhuǎn)移方式制作線路，再采用穿孔電鍍技術(shù)形成高密度雙面布線間的垂直互連。

由于采用了半導體微加工技術(shù)，基板線寬可降低為10~30um，表面平整度高（<0.3um），線路對位精準度高（±1%），再配以高絕緣、高導熱的陶瓷基體（氧化鋁、氮化鋁），因此平板型DPC陶瓷基板具備了高線路精準度、高表面平整度、高絕緣及高導熱的特性，在LED高功率封裝領(lǐng)域迅速占據(jù)了重要的市場地位。

圖2平板型DPC陶瓷基板結(jié)構(gòu)示意圖

平板型DPC陶瓷基板盡管在LED領(lǐng)域得到廣泛應用，但薄膜線路采用的黃光微影技術(shù)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(xiàn)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(xiàn)氣密封裝，DPC陶瓷基板一般采用注塑的方式實現(xiàn)密封膠填充和成型，技術(shù)要求高，工藝流程復雜，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(lǐng)域的廣泛應用。

鑒于現(xiàn)有基板在功率器件封裝領(lǐng)域的應用缺陷，凱昶德經(jīng)過潛心研發(fā)，突破了陶瓷-金屬3D成型技術(shù)，推出了含金屬密封腔體的3D成型DPC陶瓷基板，以滿足現(xiàn)有功率器件封裝技術(shù)的發(fā)展需要。

圖3凱昶德3D成型DPC陶瓷基板結(jié)構(gòu)示意圖

凱昶德3D成型DPC陶瓷基板結(jié)構(gòu)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(lián)等技術(shù)優(yōu)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(jié)構(gòu)。

該技術(shù)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(xiàn)有薄膜基板無法制作3D封裝腔體的缺陷，且基體可以根據(jù)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(zhì)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。

應用于UVLED：實現(xiàn)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，閃光燈舞臺燈等細分市場滲透，近幾年獲得飛速發(fā)展，其中UVLED市場前景尤其值得期待。

盡管UVLED在印刷固化、殺菌消毒、空氣凈化、醫(yī)療、生化檢測等領(lǐng)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(nèi)市場上主要采用傳統(tǒng)白光LED封裝技術(shù)，其封裝材料含有有機材質(zhì)，盡管采用了陶瓷基板作為芯片支撐，但透明出光材料仍為硅膠和環(huán)氧樹脂等，如圖4(a)所示。這類有機材料是影響UVLED壽命和可靠性的關(guān)鍵，使得器件無法實現(xiàn)氣密封裝，導致LED信賴性中冷熱循環(huán)實驗中存在巨大風險。

為了應對UVLED的高能輻射對有機材料的影響，日、韓等制造商近期推出了采用LTCC/HTCC陶瓷密封腔+玻璃透鏡的UVLED器件，惰性氣體填充，陶瓷基座與玻璃透鏡仍然采用有機粘結(jié)材料，如圖4(b)所示。

臺灣地區(qū)也相繼推出了一種陶瓷底板+鋁基圍壩+玻璃透鏡的封裝結(jié)構(gòu)，陶瓷與鋁基圍壩、鋁基圍壩與玻璃透鏡之間仍采用有機粘結(jié)材料粘合，如圖4(c)所示。由此可見，現(xiàn)有國內(nèi)外封裝技術(shù)仍或多或少的采用了有機材料，盡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(nèi)  (b)日韓等國外  (c)臺灣地區(qū)
圖4：當前幾種主要UVLED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，圍壩頂部可制備出定位臺階，便于精確放置玻璃透鏡；根據(jù)器件氣密性要求，圍壩與透鏡的連接，或采用焊接或采用粘結(jié)都非常方便；3D成型DPC陶瓷基板可以整片制造，具有工藝一致性高，成本低，制造周期短，無模具開發(fā)費用等優(yōu)點，非常適用于大規(guī)模自動化生產(chǎn)。

圖5凱昶德3D成型陶瓷基板UVLED全無機封裝結(jié)構(gòu)圖

針對市場前景最為廣泛的UV-CLED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(yōu)勢。首先，UV-CLED由于p-GaN的吸收，只能采用倒裝方法從背面出光。

其次，當前UV-CLED芯片外量子效率還較低，致使大部分電能轉(zhuǎn)化為熱能，必須采用倒裝工藝促進散熱，這就意味著無論從芯片制程還是從封裝工藝考慮，UV-CLED都必須采用倒裝共晶技術(shù)。

圖6帶反射杯的UV-C倒裝結(jié)構(gòu)圖

市場上目前推出的LTCC/HTCC陶瓷基板，其固晶區(qū)均采用厚膜絲印技術(shù)，線路解析度及表面粗糙度無法達成芯片倒裝共晶的要求，而凱昶德推出的3D成型基板，其線路層采用的是薄膜工藝，完全契合了芯片倒裝共晶的工藝要求，配以玻璃蓋板金屬封焊技術(shù)，可實現(xiàn)全無機倒裝共晶封裝，是目前最適合于UV-CLED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-CLED倒裝結(jié)構(gòu)圖。

應用于LED舞臺燈：封裝設計更靈活，制程簡單

凱昶德陶瓷-金屬3D成型技術(shù)，不僅能獲得高真空度所需的密閉腔室，也能根據(jù)器件需要制作出不同形狀的圍壩圖案，該技術(shù)可簡化現(xiàn)有大功率LED舞臺燈的封裝制程，提高可靠性。

以某國際大廠推出的舞臺燈為例，其封裝結(jié)構(gòu)圖如圖7(a)所示，采用氮化鋁陶瓷基板外加方形玻璃透鏡的封裝方式，芯片為RGBW四垂直芯片，每顆芯片最高可處理4.5A的電流。

由于驅(qū)動電流大，功率相對較大，因此采用半封閉式設計，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(xiàn)有封裝  (b)3D成型DPC陶瓷基板封裝
圖7RGBW舞臺燈結(jié)構(gòu)圖

這種設計筆者認為存在一些缺陷，比如玻璃透鏡形狀復雜，制作成本高；玻璃透鏡與基板之間采用有機粘合，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。

采用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(shù)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，圍壩頂部制作有限位臺階，便于玻璃透鏡的定位。

根據(jù)可靠性高低要求，玻璃透鏡與圍壩之間可以采用有機粘合或者金屬焊接的方式進行結(jié)合，圍壩及玻璃透鏡結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低，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(diào)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(xiàn)有LTCC/HTCC、平板型DPC等陶瓷基板的各自缺陷，為UVLED、大功率舞臺燈等新型功率器件封裝提供了更好的解決方案。

此外，鑒于其良好的密封性、導熱性、耐熱性、絕緣性、高頻特性及低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)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傳感器等封裝領(lǐng)域中得到了廣泛應用，擁有廣闊的市場前景。

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