脈沖電流陶瓷電路（基）板的技術(shù)和應(yīng)用

市場(chǎng)上諸如LED level-I封裝基板、LED level-II系統(tǒng)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(chǎn)品電路板等等此類金屬化陶瓷電路(基)板之應(yīng)用領(lǐng)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(xué)穩(wěn)定性、及其高性價(jià)比的導(dǎo)熱系數(shù)特性(氧化鋁導(dǎo)熱系數(shù)約20～27W/m·K、氮化鋁導(dǎo)熱系數(shù)約170～190/m·K)等優(yōu)勢(shì)。

從電路板種類與特性看陶瓷基電路板的性能特點(diǎn)：

目前市場(chǎng)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(dǎo)熱系數(shù)、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(dǎo)熱更高，散熱更好。接下來(lái)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(jìn)行堆疊，于溫度約850℃環(huán)境進(jìn)行陶瓷層與線路層的燒結(jié)，可于陶瓷層中內(nèi)埋線路是其一大優(yōu)勢(shì)，但產(chǎn)品因高溫?zé)Y(jié)、收縮所導(dǎo)致的低線路尺寸精確度、低產(chǎn)品強(qiáng)度、低導(dǎo)熱系數(shù)等等狀況是使用上較常面臨的問(wèn)題。

厚膜印刷陶瓷基板

厚膜陶瓷基板則是使用已燒結(jié)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(wú)法制作多層線路等問(wèn)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(kuò)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(jìn)行DBC貼合的工藝瓶頸、及厚銅不易蝕刻精細(xì)線路的局限，卻造就了DBC陶瓷基板的厚銅規(guī)格優(yōu)勢(shì)及其高電流承載能力特點(diǎn)；其銅箔線路與陶瓷裸板間的高孔隙率問(wèn)題則是DBC陶瓷基板在產(chǎn)品可靠度上的隱憂。另外，DBC陶瓷基板因其固態(tài)擴(kuò)散接合工藝之局限，并無(wú)法制作具導(dǎo)通孔(Through Via Hole)結(jié)構(gòu)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(shù)、黃光微影技術(shù)與電化學(xué)沉積技術(shù)等工藝進(jìn)行陶瓷基板表面金屬化線路之被附。真空薄膜技術(shù)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(chǎn)品可靠度；黃光微影技術(shù)則使DPC陶瓷基板之線寬與線距皆能達(dá)到100μm以下之水準(zhǔn)，有利于各種應(yīng)用朝小型化發(fā)展之趨勢(shì)；電化學(xué)沉積技術(shù)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(yīng)用需求；再加上高線路平整性、低尺寸累進(jìn)公差與低尺寸公差等特點(diǎn)，使得DPC陶瓷基板近幾年被廣泛的應(yīng)用在LED產(chǎn)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(chǎn)品等領(lǐng)域。

陶瓷電路（基）板脈沖電鍍填孔工藝于DPC陶瓷基板之應(yīng)用

DPC陶瓷基板因相關(guān)應(yīng)用的需求，大多需要在基板的兩個(gè)表面皆制作線路，并且大多需要透過(guò)導(dǎo)通孔填充導(dǎo)電物質(zhì)(Through Hole Via Filling)的結(jié)構(gòu)來(lái)連接雙面線路，以電鍍銅來(lái)填充導(dǎo)通孔是目前廣泛使用于填充導(dǎo)通孔的工藝之一。影響其電鍍填孔優(yōu)劣的因素很多，與機(jī)器設(shè)備、物料狀況、電鍍手法、電鍍藥水等因素皆有關(guān)聯(lián)。

在直流電鍍工藝裡，如何解決電鍍常見的邊緣效應(yīng)、尖端放電效應(yīng)來(lái)避免狗骨頭外觀(Dog Bone Effects)以及導(dǎo)通孔太早封閉導(dǎo)致包孔結(jié)構(gòu)(如圖一)乃是首要目標(biāo)。巨觀解析邊緣效應(yīng)之解決方案，使用遮板于電鍍過(guò)程中進(jìn)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(shí)不易執(zhí)行遮蔽或陪鍍板等對(duì)策來(lái)解決邊緣效應(yīng)的問(wèn)題；因此，微觀地解析電鍍填孔工藝實(shí)與質(zhì)傳之關(guān)系密切。使用直流電鍍應(yīng)用于填孔工藝時(shí)，為獲得良好的導(dǎo)通孔填充效果，降低電流密度及利用高效能載運(yùn)劑(carrier)來(lái)避免導(dǎo)通孔周圍的高電流密度(邊緣效應(yīng))并提升孔內(nèi)質(zhì)傳來(lái)加速孔內(nèi)電鍍是理想的對(duì)策，然而低電流密度電鍍的電鍍時(shí)間過(guò)長(zhǎng)并不具量產(chǎn)優(yōu)勢(shì)與成本優(yōu)勢(shì)，而且直流電鍍填孔藥水其載運(yùn)劑與抑制劑的濃度掌控度要求一般較為嚴(yán)苛，這也大幅增加了藥水化驗(yàn)分析與管理的成本。圖一、電鍍填孔之包孔現(xiàn)象。

故，為解決直流電鍍應(yīng)用于填孔工藝面臨之問(wèn)題，脈沖電鍍技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。脈沖電鍍其實(shí)是一種通斷的直流電鍍，正負(fù)脈沖即是正脈沖后緊接著反向脈沖，按設(shè)置好的周期交替輸出。脈沖電鍍技術(shù)可改善鍍層品質(zhì)，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(dǎo)電、焊接及抗變色性能，且可大幅縮短電鍍時(shí)間、降低成本；因此，廣泛的應(yīng)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(yīng)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(diào)整、電弧能量低、高相容性與擴(kuò)充性。一般而言，脈沖電鍍主要可調(diào)的參數(shù)包含正負(fù)脈沖電流之大小比例、正負(fù)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(shù)之調(diào)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(chǎn)品應(yīng)用裡，陶瓷基板多采用厚度0.38mm及0.5mm的規(guī)格，其導(dǎo)通孔的尺寸設(shè)定則多在0.070～0.110mm的區(qū)間。根據(jù)電鍍填孔發(fā)展至今的經(jīng)驗(yàn)，在導(dǎo)通孔孔內(nèi)的導(dǎo)電種子層薄膜狀態(tài)連續(xù)、導(dǎo)通正常的前提下，以及導(dǎo)通孔深寬比(基板厚度：導(dǎo)通孔直徑)在4:1～6:1的尺寸設(shè)計(jì)下，脈沖電鍍填孔是容易實(shí)現(xiàn)且再現(xiàn)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(dǎo)通孔徑0.1mm

                                         圖五、厚度0.50mm Al2O3基板，導(dǎo)通孔徑0.11mm

                                       圖六、厚度0.635mm Al2O3基板，導(dǎo)通孔徑0.14mm

                                                          圖七、厚度0.635mm Al2O3基板，導(dǎo)通孔徑0.22mm

                                                       圖八、厚度0.635mm Al2O3基板，導(dǎo)通孔徑0.31mm

總結(jié)：

DPC陶瓷基板因其優(yōu)異的規(guī)格與產(chǎn)品特性，足以取代其他各式樣的陶瓷基板，在不同的應(yīng)用領(lǐng)域里持續(xù)發(fā)光發(fā)熱。隨著產(chǎn)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(dǎo)通孔，然而在面積有限的情形下，導(dǎo)通孔的數(shù)量增多且直徑不斷地縮小(深寬比提高)，導(dǎo)通孔的填孔質(zhì)量便是產(chǎn)品優(yōu)劣與良率高低的關(guān)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(jīng)驗(yàn)，是專業(yè)的陶瓷基板生產(chǎn)廠家，可以加工高精密陶瓷基板、圍壩工藝、以及實(shí)銅填孔工藝等，更多問(wèn)題可以咨詢金瑞欣特種電路。 

                                                                                                                                            文章的內(nèi)容有來(lái)自“PCBworld”