脈沖電流陶瓷電路（基）板的技術和應用

市場上諸如LED level-I封裝基板、LED level-II系統板、LED COB電路板、IGBT功率模組基板、車用電子電路載板、制冷晶片載板、HCPV電路板、醫(yī)療電子產品電路板等等此類金屬化陶瓷電路(基)板之應用領域越趨廣泛，這一切皆歸因于陶瓷材料其優(yōu)異的絕緣耐電壓物理特性、化學穩(wěn)定性、及其高性價比的導熱系數特性(氧化鋁導熱系數約20～27W/m·K、氮化鋁導熱系數約170～190/m·K)等優(yōu)勢。

從電路板種類與特性看陶瓷基電路板的性能特點：

目前市場上廣泛使用的電路板類型如下表一所示，其中陶瓷基板其高導熱系數、高MCPCB。但是，陶瓷基板并非皆具有相同的特性，因工藝與材料的差異，陶瓷基板因而可分類為：低溫共燒陶瓷(LTCC, Low-Temperature Co-fire Ceramics)基板、厚膜(Thick-Film)陶瓷基板、DBC (Direct Bonding Copper)陶瓷基板與DPC (Direct Plating Copper)陶瓷基板，其中DPC陶瓷基板又可稱為薄膜(Thin-Film)陶瓷基板。

                                 表一、電路板之特性一覽表

從表格可以看出，陶瓷基板比FR4板性能更好，導熱更高，散熱更好。接下來介紹各種類型陶瓷基板的性能。

LTCC低溫共燒陶瓷基板

LTCC陶瓷基板是將許多的印刷陶瓷層與印刷線路層進行堆疊，于溫度約850℃環(huán)境進行陶瓷層與線路層的燒結，可于陶瓷層中內埋線路是其一大優(yōu)勢，但產品因高溫燒結、收縮所導致的低線路尺寸精確度、低產品強度、低導熱系數等等狀況是使用上較常面臨的問題。

厚膜印刷陶瓷基板

厚膜陶瓷基板則是使用已燒結成型之陶瓷裸板，以厚膜工藝印刷高溫銀膠于陶瓷裸板表面，其線路尺寸精確性低、線路表面平整性差、打線可靠度不佳與無法制作多層線路等問題，是材料與工藝所造成的瓶頸。

DBC(Direct Bonding Copper)陶瓷基板

DBC工藝需要在大于1000℃的高溫環(huán)境下，利用擴散的原理接合銅箔與陶瓷裸板；由于銅箔需要一定的厚度才易于進行DBC貼合的工藝瓶頸、及厚銅不易蝕刻精細線路的局限，卻造就了DBC陶瓷基板的厚銅規(guī)格優(yōu)勢及其高電流承載能力特點；其銅箔線路與陶瓷裸板間的高孔隙率問題則是DBC陶瓷基板在產品可靠度上的隱憂。另外，DBC陶瓷基板因其固態(tài)擴散接合工藝之局限，并無法制作具導通孔(Through Via Hole)結構之DBC基板。

DPC(Direct Plating Copper)陶瓷基板

DPC陶瓷基板又可稱為薄膜金屬化陶瓷基板(Thin-Film Metalized Ceramic Substrates)，主要是利用真空薄膜技術、黃光微影技術與電化學沉積技術等工藝進行陶瓷基板表面金屬化線路之被附。真空薄膜技術使金屬線路與陶瓷裸板間具備超低界面孔隙率(<1%)及高附著性，大幅提升DPC陶瓷基板之產品可靠度；黃光微影技術則使DPC陶瓷基板之線寬與線距皆能達到100μm以下之水準，有利于各種應用朝小型化發(fā)展之趨勢；電化學沉積技術則使DPC陶瓷基板之銅層厚度易于掌控以符合不同功率之應用需求；再加上高線路平整性、低尺寸累進公差與低尺寸公差等特點，使得DPC陶瓷基板近幾年被廣泛的應用在LED產業(yè)、IGBT功率模組、車用電子載板、制冷晶片模組、HCPV模組、醫(yī)療電子產品等領域。

陶瓷電路（基）板脈沖電鍍填孔工藝于DPC陶瓷基板之應用

DPC陶瓷基板因相關應用的需求，大多需要在基板的兩個表面皆制作線路，并且大多需要透過導通孔填充導電物質(Through Hole Via Filling)的結構來連接雙面線路，以電鍍銅來填充導通孔是目前廣泛使用于填充導通孔的工藝之一。影響其電鍍填孔優(yōu)劣的因素很多，與機器設備、物料狀況、電鍍手法、電鍍藥水等因素皆有關聯。

在直流電鍍工藝裡，如何解決電鍍常見的邊緣效應、尖端放電效應來避免狗骨頭外觀(Dog Bone Effects)以及導通孔太早封閉導致包孔結構(如圖一)乃是首要目標。巨觀解析邊緣效應之解決方案，使用遮板于電鍍過程中進行電力線遮蔽阻隔或使用陪鍍板(dummy)使電力線分布均勻是常見的方式，然而因電鍍填孔已縮小至100μm以下之尺寸，實不易執(zhí)行遮蔽或陪鍍板等對策來解決邊緣效應的問題；因此，微觀地解析電鍍填孔工藝實與質傳之關系密切。使用直流電鍍應用于填孔工藝時，為獲得良好的導通孔填充效果，降低電流密度及利用高效能載運劑(carrier)來避免導通孔周圍的高電流密度(邊緣效應)并提升孔內質傳來加速孔內電鍍是理想的對策，然而低電流密度電鍍的電鍍時間過長并不具量產優(yōu)勢與成本優(yōu)勢，而且直流電鍍填孔藥水其載運劑與抑制劑的濃度掌控度要求一般較為嚴苛，這也大幅增加了藥水化驗分析與管理的成本。圖一、電鍍填孔之包孔現象。

故，為解決直流電鍍應用于填孔工藝面臨之問題，脈沖電鍍技術應運而生。脈沖電鍍其實是一種通斷的直流電鍍，正負脈沖即是正脈沖后緊接著反向脈沖，按設置好的周期交替輸出。脈沖電鍍技術可改善鍍層品質，相較于直流電源形成電鍍鍍層，脈沖電鍍的鍍層具有更優(yōu)異的深鍍能力、耐蝕、耐磨、純度、導電、焊接及抗變色性能，且可大幅縮短電鍍時間、降低成本；因此，廣泛的應用於有功能性和有特殊需求的電鍍制程中。

一具好的脈沖電源供應器需具備輸出電流穩(wěn)定(<±1%)、功率操作范圍大、輸出頻率可調整、電弧能量低、高相容性與擴充性。一般而言，脈沖電鍍主要可調的參數包含正負脈沖電流之大小比例、正負脈沖電流的頻率等等，加上多段的可程式控制可符合工藝參數之調整所需。典型的脈沖電鍍是使用方波脈沖電流，基本方波(Standard Waveform)如下圖：

               圖二、基本方波波形圖

       除采用基本方波外，亦可編輯多段方波以完善電鍍效果，多段方波(Complex Waveform)之波形如下圖所示：

                                   圖三、多段方波波形圖

 在LED產品應用裡，陶瓷基板多采用厚度0.38mm及0.5mm的規(guī)格，其導通孔的尺寸設定則多在0.070～0.110mm的區(qū)間。根據電鍍填孔發(fā)展至今的經驗，在導通孔孔內的導電種子層薄膜狀態(tài)連續(xù)、導通正常的前提下，以及導通孔深寬比(基板厚度：導通孔直徑)在4:1～6:1的尺寸設計下，脈沖電鍍填孔是容易實現且再現性佳的穩(wěn)定工藝(如下列圖四及圖五)。

                                   圖四、厚度0.38mm AlN基板，導通孔徑0.1mm

                                         圖五、厚度0.50mm Al2O3基板，導通孔徑0.11mm

                                       圖六、厚度0.635mm Al2O3基板，導通孔徑0.14mm

                                                          圖七、厚度0.635mm Al2O3基板，導通孔徑0.22mm

                                                       圖八、厚度0.635mm Al2O3基板，導通孔徑0.31mm

總結：

DPC陶瓷基板因其優(yōu)異的規(guī)格與產品特性，足以取代其他各式樣的陶瓷基板，在不同的應用領域里持續(xù)發(fā)光發(fā)熱。隨著產品功率密度逐漸提高之需求，單位面積上的陶瓷基板可能放置了更多的元件也因而需要更多的導通孔，然而在面積有限的情形下，導通孔的數量增多且直徑不斷地縮小(深寬比提高)，導通孔的填孔質量便是產品優(yōu)劣與良率高低的關鍵，而電鍍填孔工藝將持續(xù)扮演舉足輕重的角色。金瑞欣特種電路陶瓷基板上面有豐富的經驗，是專業(yè)的陶瓷基板生產廠家，可以加工高精密陶瓷基板、圍壩工藝、以及實銅填孔工藝等，更多問題可以咨詢金瑞欣特種電路。 

                                                                                                                                            文章的內容有來自“PCBworld”