脈沖電鍍應用于DPC陶瓷基板之填孔技術

 近幾年，金屬化陶瓷電路(基)板之應用領域越趨廣泛，包含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、醫療電子產品電路板等等，這一切皆歸因于陶瓷材料其優異的絕緣耐電壓物理特性、化學穩定性、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)等優勢。 

    電路板種類與特性 

    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、高線路解析度、低累進公差、及允許打線工藝與直接共晶工藝等特性皆優于FR-4 PCB與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 


    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陶瓷基板的厚銅規格優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、IGBT功率模組、車用電子載板、制冷晶片模組、HCPV模組、醫療電子產品等領域。 

    脈沖電鍍填孔于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勢與成本優勢，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。