陶瓷基板 (Ceramic PCB, Ceramic Substrate)

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。陶瓷基板除耐高溫外,具有較佳的電絕緣性、介電常數和介質損耗低、熱導率大、化學穩定性好、與元件的熱膨脹係數相近等主要優點;但陶瓷片較脆,製成良率較低故成本較高。
主要應用產品:高頻電路、高功率LED載板、LED車燈、LED路燈、太陽能inverter

材質3-12

表面電鍍材料分為:氧化鋁(Al203)、氮化鋁(AIN)、氧化鍍(BeO)

特性

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3-11
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)

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):堆疊數各陶瓷基板並嵌入被動元件以及其他IC

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
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

3-10

氧化鍍(BeO)和碳化矽(SiC)熱導率很高(160〜250W/mK),但BeO因具有毒性,應用範圍小故產量低;SIC因體積電阻小(<1013Wcm)、介電常數較大(40),介電耗損高(50),不利於信號傳輸,且成型加工複雜,故應用範圍也很小。氮化鋁(AIN)具有很高的熱導率(220W/mK)、較低的介電常數(8.8)和介電耗損(~4x104)等優點,但成本居高一直沒大規模應用;氧化鋁(Al203)雖然傳導率不高(20~40W/mK),因生產工藝相對簡單,成本較低價格便宜,成為目前最廣泛的陶瓷基板。

陶瓷基板厚膜與薄膜線路差異

3-9

薄膜陶瓷基板製程3-0

•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

 

薄膜與厚膜製程產品之差異分析

薄膜製程

厚膜製程

線路精準度

精準度較高問差低於±1%

以印刷方式成形誤差值較高±10%

鍍層材料

材料穩定度較高

易受漿料均勻性影響

鍍層表面

表面平整度高

平整度低誤差值約1~3um

設備維護

維護較不易,費用較高

生產設備維護較為簡易

鍍層附著性

無須高溫燒結,不會有氧化物生成,附著性佳

附著性受基板材料影響AIN基板尤差

線路位置

使用曝光顯影,相對位置精準度高

受網版張力及印刷次數影響,相對位置精準度低

 

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
載流量大:50A電流連續通過,寬1mm、厚0.3mm銅面→溫升約17℃;寬2mm、厚0.3mm銅面→溫升約5℃
熱阻低:10x10mmx厚度0.63mm陶瓷基板熱阻為0.31K/W,厚度0.38mm約0.19K/W,厚度0.25mm約0.14K/W。

3-8

陶瓷基板 (Ceramic PCB, Ceramic Substrate)

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。陶瓷基板除耐高溫外,具有較佳的電絕緣性、介電常數和介質損耗低、熱導率大、化學穩定性好、與元件的熱膨脹係數相近等主要優點;但陶瓷片較脆,製成良率較低故成本較高。
主要應用產品:高頻電路、高功率LED載板、LED車燈、LED路燈、太陽能inverter

材質3-12

表面電鍍材料分為:氧化鋁(Al203)、氮化鋁(AIN)、氧化鍍(BeO)

特性

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3-11
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)

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):堆疊數各陶瓷基板並嵌入被動元件以及其他IC

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
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

3-10

氧化鍍(BeO)和碳化矽(SiC)熱導率很高(160〜250W/mK),但BeO因具有毒性,應用範圍小故產量低;SIC因體積電阻小(<1013Wcm)、介電常數較大(40),介電耗損高(50),不利於信號傳輸,且成型加工複雜,故應用範圍也很小。氮化鋁(AIN)具有很高的熱導率(220W/mK)、較低的介電常數(8.8)和介電耗損(~4x104)等優點,但成本居高一直沒大規模應用;氧化鋁(Al203)雖然傳導率不高(20~40W/mK),因生產工藝相對簡單,成本較低價格便宜,成為目前最廣泛的陶瓷基板。

陶瓷基板厚膜與薄膜線路差異

3-9

薄膜陶瓷基板製程3-0

•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

 

薄膜與厚膜製程產品之差異分析

薄膜製程

厚膜製程

線路精準度

精準度較高問差低於±1%

以印刷方式成形誤差值較高±10%

鍍層材料

材料穩定度較高

易受漿料均勻性影響

鍍層表面

表面平整度高

平整度低誤差值約1~3um

設備維護

維護較不易,費用較高

生產設備維護較為簡易

鍍層附著性

無須高溫燒結,不會有氧化物生成,附著性佳

附著性受基板材料影響AIN基板尤差

線路位置

使用曝光顯影,相對位置精準度高

受網版張力及印刷次數影響,相對位置精準度低

 

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
載流量大:50A電流連續通過,寬1mm、厚0.3mm銅面→溫升約17℃;寬2mm、厚0.3mm銅面→溫升約5℃
熱阻低:10x10mmx厚度0.63mm陶瓷基板熱阻為0.31K/W,厚度0.38mm約0.19K/W,厚度0.25mm約0.14K/W。

3-8