陶瓷基板 (Ceramic PCB, Ceramic Substrate)

作者:江志宏

📘 摘要總覽（TL;DR）

摘要：
陶瓷基板具高導熱與絕緣特性，廣泛應用於高功率LED、車燈與太陽能裝置。

TL（Too Long）：
陶瓷基板常用材料為氧化鋁與氮化鋁，具耐高溫、抗濕熱及優良尺寸穩定性，適合惡劣環境。

DR（Did Read）：
陶瓷基板因熱膨脹係數接近半導體晶片，能有效減少封裝應力，並具高導熱（Al2O3：20–40W/mK，AlN：170–220W/mK）:contentReference[oaicite:1]{index=1}。氧化鋁價格低、製程簡單，適合一般應用；氮化鋁導熱佳但成本高，多用於高階散熱需求。製程包含薄膜（高精度線路）、厚膜（耐候散熱）、LTCC（嵌入被動元件）。可靠度測試依 IEC 60068 系列，涵蓋 −40↔85℃ 溫度循環、冷熱衝擊（155℃/−55℃ 300 cycles）、85℃ 高溫、3M膠帶附著力與紅墨水滲透實驗，確保基板能承受高濕、溫差與長期操作環境。

說明

陶瓷基板為電路板的一種，與傳統FR-4或鋁基板不同的是，其具有與半導體接近的熱膨脹係數及高耐熱能力，適用於具備高發熱量的產品(高亮度LED、太陽能)，其優異的耐候特性更可適用於較惡劣之戶外環境。

📌 實務案例

LED 車燈廠選用 AlN 陶瓷基板，進行 IEC 60068-2-14 冷熱衝擊（−55↔155℃，300 cycles），部分樣品出現金屬化剝離，後續改善附著層後通過測試。
某太陽能 inverter 模組依 IEC 60068-2-78 濕熱（85℃/85%RH/1000h）驗證，氧化鋁基板 CAF 擴展失效，改用氮化鋁後熱導率與可靠度顯著提升。
一高功率 LED 路燈載板於紅墨水測試中發現滲透，工程團隊優化 LTCC 製程密實度後改善問題。

主要應用產品：高功率LED載板、LED車燈、LED路燈、太陽能inverter

陶瓷基板特色：

結構：優秀機械強度、低曲翹度、熱膨脹係數接近矽晶圓(氮化鋁)、高硬度、加工性好、尺寸精度高
氣候：適用高溫高濕環境、熱導率高、耐熱性佳、耐腐蝕與磨耗、抗UV&黃化
化學：無鉛、無毒、化學穩定性好
電性：高絕緣電阻、容易金屬化、電路圖形與之附著力強
市場：材料豐富(陶土、鋁) 、製造容易、價格低

PCB材料熱特性比較(傳導率)：

玻璃纖維基板(傳統PCB)：0.5W/mK、鋁基板：1~2.2W/mK、陶瓷基板：24[氧化鋁]~170[氮化鋁]W/mK

材料熱傳導係數(單位W/mK)：

樹酯：0.5、氧化鋁：20-40、碳化矽：160、鋁：170、氮化鋁：220、銅：380、鑽石：600

陶瓷基板製程分類：

依線路陶瓷基板製程分為：薄膜、厚膜、低溫共燒多層陶瓷(LTCC)
薄膜製程(DPC)：精確控制元件線路設計(線寬與膜厚)
厚膜製程(Thick film)：提供散熱途徑與耐候條件
低溫共燒多層陶瓷(HTCC)：利用玻璃陶瓷具低燒結溫度，可和低熔點、高導電性貴重金屬共燒的特性，實現多層陶瓷基板)和構裝。
低溫共燒多層陶瓷(LTCC)：堆疊數個陶瓷基板並嵌入被動元件以及其他IC

薄膜陶瓷基板製程：

‧前處理→濺鍍→光阻披覆→曝光顯影→線路電鍍→去膜
‧疊片→熱壓→脫脂→基片燒成→形成電路圖形→電路燒成
‧疊片→表面印刷電路圖形→熱壓→脫脂→共燒
‧印刷電路圖形→疊層→熱壓→脫脂→共燒

陶瓷基板厚膜與薄膜線路差異：

薄膜與厚膜製程產品之差異分析：

常見問與答（FAQ）

陶瓷基板常用的材料有哪些？

主要有氧化鋁（Al2O3）與氮化鋁（AlN），前者成本低、製程簡單，後者導熱性佳、耐高溫，適合高功率應用。

薄膜與厚膜陶瓷基板有何差異？

薄膜精度高、表面平整，適合精細線路；厚膜則具散熱與耐候性，成本較低，常用於大電流與戶外應用。

陶瓷基板需要哪些可靠度測試？

包含高溫操作、低溫操作、溫度循環、冷熱衝擊、附著力與紅墨水實驗，以模擬高濕與極端溫差情境。

為什麼氮化鋁比氧化鋁更適合高功率應用？

因為氮化鋁導熱係數高達 170–220W/mK，能有效散熱並減少熱應力，對高亮度 LED 與功率模組特別有利。

陶瓷基板的應用領域有哪些？

廣泛應用於高功率 LED、車燈、路燈、太陽能 inverter、電源模組與高速電子元件，特別適合高散熱需求。