陶瓷基板 (Ceramic PCB, Ceramic Substrate)
作者:江志宏
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。
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:
薄膜製程
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厚膜製程
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線路精準度
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精準度較高問差低於±1%
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以印刷方式成形誤差值較高±10%
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鍍層材料
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材料穩定度較高
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易受漿料均勻性影響
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鍍層表面
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表面平整度高
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平整度低誤差值約1~3um
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設備維護
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維護較不易,費用較高
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生產設備維護較為簡易
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鍍層附著性
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無須高溫燒結,不會有氧化物生成,附著性佳
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附著性受基板材料影響AIN基板尤差
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線路位置
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使用曝光顯影,相對位置精準度高
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受網版張力及印刷次數影響,相對位置精準度低
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表面電鍍材料分為:氧化鋁(Al203)、氮化鋁(AIN)、氧化镀(BeO)
氮化鋁與氧化鋁特性比較:
氧化鋁:材料取得容易、成本較低、製程較簡單、熱傳導係數較差
氮化鋁:材料取得不易、成本較高、製程較難、熱傳導係數較佳
氮化鋁與氧化鋁導熱性比較:
陶瓷基板可靠度試驗條件:
陶瓷基板高溫操作:85℃
陶瓷基板低溫操作:-40℃
陶瓷基板冷熱衝擊:1. 155℃(15min)←→-55℃(15min)/300cycle 2. 85℃(30min)←→-40℃(30min)/RAMP:10min(12.5℃/min)/5cycle
陶瓷基板附著力:以3M#600之膠帶密貼於板面,30秒後與板面成90°方向速撕,不得脫落。
陶瓷基板紅墨水實驗:煮沸一小時,不可滲透
氮化鋁與氧化鋁導熱性比較:
三氧化二鋁(Al2O3)
氮化鋁(AlN)
陶瓷基板(Ceramic PCB , Ceramic Substrate , Ceramic circuit board)
晶片(chip)
薄膜陶瓷:COB (Chip On Board)
晶粒(Die)
薄膜製程(DPC)
蒸鍍(Evaporation)
LED載板(LED Lighting Board)
低溫共燒層陶瓷(LTCC)
絕緣層(Polymer)
厚膜製程(Thick film)
打線(Wire bonding)
濺鍍(Sputtering)
散熱基板(Submount)