陶瓷電鍍銅均勻性工藝技術(shù)分析與改善

趙永新 肖夢(mèng)柏 周曉斌 黃廣新 陳愛兵

摘? 要：文章主要從陶瓷電鍍銅使用夾具框架設(shè)計(jì)和厚度等方面研究入手，結(jié)合數(shù)據(jù)分析的手段，分析了陶瓷電鍍銅均勻性差的根本原因，并提出了相應(yīng)的解決辦法。研究表明，電鍍邊緣效應(yīng)會(huì)使得電鍍治具邊緣約1英寸（25.4mm）的范圍內(nèi)電鍍銅后差異非常大（約60μm），而除去1英寸邊框范圍外的部分電鍍銅厚度差異很小，增加夾具邊框尺寸可有效保證中間區(qū)域陶瓷電鍍均勻性;而電鍍夾具厚度略大于陶瓷塊厚度可使陶瓷塊在電鍍液流體作用力下晃動(dòng)，確保電鍍夾具與陶瓷塊間不會(huì)由于電鍍銅而黏連。

關(guān)鍵詞：電鍍邊緣效應(yīng);陶瓷;框架設(shè)計(jì);電鍍均勻性;黏連

中圖分類號(hào)：TN405 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）24-0121-03

Abstract： This paper mainly starts with the research on the frame design and thickness of ceramic copper plating fixture， combined with the means of data analysis， analyzes the root causes of the poor uniformity of ceramic copper plating， and puts forward the corresponding solutions. The results show that the electroplating edge effect will make a great difference （about 60 μm） after copper plating in the range of about 1 inch （25.4mm）， but there is little difference in the thickness of copper plating except for the range of 1-inch frame. Increasing the size of fixture frame can effectively ensure the uniformity of ceramic plating in the middle area. On the other hand， the thickness of the electroplating fixture is slightly larger than that of the ceramic block， which can make the ceramic block shake under the fluid force of the electroplating bath， and ensure that the electroplating fixture and the ceramic block will not stick to each other because of copper plating.

Keywords： electroplating edge effect; ceramics; frame design; electroplating uniformity; adhesion

1 概述

今年來，隨著車燈LED技術(shù)的成熟和成本降低，傳統(tǒng)鹵素車燈光源逐漸被LED車燈光源所替代，LED光源與傳統(tǒng)鹵素光源相比，擁有節(jié)能、環(huán)保、高光效、壽命超長、體積重量小等優(yōu)勢。而車燈LED元件封裝采用陶瓷（氮化鋁）作為支架，絕緣性好，導(dǎo)熱率高，如車燈LED配合使用傳統(tǒng)FR4基板，則基板散熱能力不能滿足車燈LED需求;如配合使用MHE301（Micro Heat Exchanger， 301產(chǎn)品代碼）銅基板[1]，則會(huì)出現(xiàn)LED和銅基板CTE不匹配而快速失效的問題; 而使用新型導(dǎo)熱基板MHE901（Micro Heat Exchanger， 901產(chǎn)品代碼）如圖1和SMT貼裝技術(shù)，組裝成整個(gè)LED車燈光源[2]。（1）LED基座與基板同為陶瓷（氮化鋁），CTE一致，不會(huì)出現(xiàn)CTE失配而導(dǎo)致焊點(diǎn)失效;（2）LED工作時(shí)熱量可直接通過銅箔和陶瓷傳導(dǎo)至散熱器，故整個(gè)光源模組的導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)到170W/m.K，良好的散熱能力保證了LED光源長期正常工作[3]。

在MHE901基板制造過程中，陶瓷塊的制備工藝技術(shù)是最關(guān)鍵的，而陶瓷電鍍銅均勻性的好壞則直接影響到MHE901基板品質(zhì)的優(yōu)劣。陶瓷塊壓入FR4基板后有絕緣膠溢出，需要自動(dòng)磨板除膠后才能進(jìn)行后續(xù)銅電鍍[4]，如基板中嵌埋陶瓷塊銅厚差異較大，自動(dòng)磨板除膠工序則會(huì)出現(xiàn)磨銅過度或除膠不凈的現(xiàn)象。本文通過修改陶瓷電鍍銅治具框架設(shè)計(jì)和厚度以改善陶瓷電鍍銅不均勻的問題，為陶瓷電鍍銅批量生產(chǎn)提供技術(shù)參考。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器設(shè)備

原材料：（1）待電鍍陶瓷片，尺寸LXW 127*127mm，厚度1.0mm，雙面銅厚10μm，氮化鋁，170W/m.K導(dǎo)熱系數(shù)。（2）鍍銅電鍍液。

儀器設(shè)備：VCP電鍍線（Vertical conveyor plating， 垂直連續(xù)電鍍）、面銅厚測試儀（牛津CM700）。

2.2 夾具設(shè)計(jì)

考慮到電鍍邊緣效應(yīng)，將原有陶瓷電鍍銅夾具如圖2左圖所示，窄邊設(shè)計(jì)修改為寬邊設(shè)計(jì)，夾具邊到陶瓷固定框架最小距離大于25.4mm，保證中間陶瓷電鍍銅區(qū)域電鍍均勻性，修改后夾具設(shè)計(jì)如圖2右圖，夾具整體外形尺寸（L×W×T）650×520×1.2mm;陶瓷固定框尺寸（L×W）128×128mm。

原夾具使用卡扣將待鍍陶瓷緊扣在夾具上，由于卡扣設(shè)計(jì)距邊緣約10mm左右，處于電鍍邊緣效應(yīng)作用區(qū)，電鍍銅厚會(huì)將夾具和陶瓷黏連在一起，給后續(xù)操作帶來不便，故新夾具設(shè)計(jì)采用背面釬焊銅條，正面設(shè)置非金屬卡扣的方式，見圖3，且新夾具厚度會(huì)大于陶瓷厚度0.2mm，保證陶瓷在電鍍流體中可以晃動(dòng)，不會(huì)出現(xiàn)夾具與陶瓷電鍍黏連現(xiàn)象。

2.3 實(shí)驗(yàn)過程

首先，將待鍍陶瓷片放入電鍍夾具并用卡扣固定，每個(gè)夾具可放9塊陶瓷片，然后進(jìn)入VCP電鍍線，需經(jīng)過兩次電鍍流程，VCP線按表1參數(shù)設(shè)置，測試設(shè)計(jì)每次電鍍銅30μm，理論上雙面最終電鍍銅厚度是70μm。電鍍完成后，將陶瓷片送至實(shí)驗(yàn)室使用面銅厚測試儀測試正背面銅厚，測量取點(diǎn)分別是四個(gè)角、四個(gè)邊長中點(diǎn)和中心點(diǎn)。

3 分析與討論

根據(jù)電鍍邊緣效應(yīng)理論，整個(gè)電鍍面邊緣25.4mm寬度范圍內(nèi)電鍍厚度差異最大，而其他區(qū)域的電鍍厚度差異很小。由于原電鍍夾具設(shè)計(jì)邊框?qū)挾葍H有10mm，那么電鍍邊緣效應(yīng)正好作用于需電鍍的陶瓷片，使得陶瓷片電鍍銅厚浮動(dòng)很大，電鍍銅最厚點(diǎn)是116.16mm，最薄點(diǎn)僅有49.25mm，極差達(dá)到了66.91mm，工藝制程CPK是0.23，見圖3;而汽車基板制造CPK須大于1.67，才能保證產(chǎn)品整個(gè)制程的穩(wěn)定。使用原有夾具電鍍陶瓷的銅厚均勻性太差，無法滿足MHE901基板嵌埋陶瓷對(duì)銅厚一致性的要求。另外原電鍍夾具厚度與待鍍陶瓷片厚度相同，故電鍍過程中陶瓷片與夾具間無縫結(jié)合，經(jīng)過鍍銅后，鍍層會(huì)將夾具和陶瓷片黏連成一體，給后工序操作帶來不便。

新電鍍夾具設(shè)計(jì)的邊框尺寸是34mm，大于25.4mm，有效避開了電鍍邊緣效應(yīng)區(qū)域，可以保證中間陶瓷片區(qū)域電鍍電流分布的均勻性[5]，從而達(dá)到電鍍銅厚的一致性，此次測試樣品數(shù)量248塊陶瓷片，隨機(jī)抽取部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

使用新夾具電鍍銅厚最大值88.1μm，最小值是78.7μm，極差只有9.4μm，銅厚浮動(dòng)非常小，電鍍制程CPK達(dá)到了1.72，見圖3，大于汽車電子要求的1.67的標(biāo)準(zhǔn)，說明使用新夾具后陶瓷電鍍銅厚的一致性有非常顯著的改善。另外新夾具厚度會(huì)大于陶瓷片0.2mm，搭配非金屬卡扣固定陶瓷片，電鍍過程中可使陶瓷片在電鍍液流體作用下不斷晃動(dòng)，避免夾具與陶瓷片間的黏連。

陶瓷片電鍍前銅厚10μm，根據(jù)理論生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，使用表1 的VCP線測試參數(shù)設(shè)置，推算出本次電鍍后陶瓷片銅厚應(yīng)該是70μm，而實(shí)際平均值是83.229μm，由于電鍍電流和鍍銅密度越大，電鍍銅的速度越快[6-7]，故產(chǎn)生此偏差的原因應(yīng)該是電流設(shè)置過大或鍍銅密度過大;建議下次批量生產(chǎn)時(shí)將電流設(shè)置調(diào)整至650mA，鍍銅密度設(shè)置為31ASF[8]。另一方面，可在電鍍液中增加適量添加劑，增強(qiáng)電鍍液分散能力，改善鍍層結(jié)晶細(xì)密性，進(jìn)一步增強(qiáng)陶瓷電鍍銅的均勻性，同時(shí)也對(duì)防止出現(xiàn)鍍銅針孔或燒焦不良有很大幫助。

4 結(jié)論

原陶瓷電鍍銅夾具邊框尺寸和厚度設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致陶瓷電鍍銅工藝的銅厚均勻性很差，無法滿足MHE901產(chǎn)品基板對(duì)陶瓷片銅厚一致性的要求，從而產(chǎn)品基板不良率居高不下;經(jīng)過對(duì)原流程鍍層數(shù)據(jù)分析，尋找銅厚分布規(guī)律，再結(jié)合相關(guān)理論知識(shí)，設(shè)計(jì)出新的陶瓷電鍍銅夾具，有效避免電鍍邊緣效應(yīng)對(duì)待鍍陶瓷片的銅厚影響，經(jīng)過測試，新夾具電鍍陶瓷銅厚CPK達(dá)1.72，滿足汽車產(chǎn)品制程穩(wěn)定性要求，可以進(jìn)行后續(xù)陶瓷鍍銅批量生產(chǎn)。

將電鍍夾具厚度設(shè)計(jì)為略小于陶瓷片厚度，保證電鍍過程中陶瓷片可在夾具上晃動(dòng)，可有效防止出現(xiàn)夾具與陶瓷片之間的鍍層黏連，便于后工序拆卸陶瓷片。

參考文獻(xiàn)：

[1]秦典成，肖永龍.兩種熱電分離式基板導(dǎo)熱性能的對(duì)比研究[J].電子器件，2019，42（01）：66-69.

[2]秦典成，陳愛兵，肖永龍.嵌埋陶瓷散熱基板對(duì)白光LED性能的影響[J].發(fā)光學(xué)報(bào)，2019，40（01）：97-105.

[3]秦典成，陳愛兵，肖永龍，等.擴(kuò)散熱阻對(duì)FR4/AlN復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響[J].半導(dǎo)體光電，2018，39（03）：385-388.

[4]Diancheng Qin， Kewei Liang. Heat Dissipation Performance of Metal Core Printed Circuit Board with Micro Heat Exchanger[J/OL].Journal of Harbin Institute of Technology（New series）：1-8[2019-06-25].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/23.1378.T.20180928.1

546.002.html.

[5]王佐，王敏，李清春，等.震動(dòng)對(duì)電鍍銅的影響[J].印制電路信息，2019，27（03）：19-22.

[6]謝明運(yùn)，曾紅，黎欽源，等.PCB電鍍產(chǎn)生銅絲的成因與改善探究[J].電子工藝技術(shù)，2017，38（01）：37-40.

[7]劉鎮(zhèn)權(quán)，吳培常，林周秦，等.PCB電鍍填孔的機(jī)理分析及其影響因素[J].印制電路信息，2018，26（09）：28-37.

[8]彭佳，程驕，王翀，等.PCB電鍍銅添加劑作用機(jī)理研究進(jìn)展[J].電鍍與精飾，2016，38（12）：15-22.