陶瓷電鍍銅均勻性工藝技術分析與改善

趙永新 肖夢柏 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計和厚度等方面研究入手，結合數據分析的手段，分析了陶瓷電鍍銅均勻性差的根本原因，并提出了相應的解決辦法。研究表明，電鍍邊緣效應會使得電鍍治具邊緣約1英寸（25.4mm）的范圍內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，確保電鍍夾具與陶瓷塊間不會由于電鍍銅而黏連。

關鍵詞：電鍍邊緣效應;陶瓷;框架設計;電鍍均勻性;黏連

中圖分類號：TN405 文獻標志碼：A 文章編號：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技術的成熟和成本降低，傳統鹵素車燈光源逐漸被LED車燈光源所替代，LED光源與傳統鹵素光源相比，擁有節能、環保、高光效、壽命超長、體積重量小等優勢。而車燈LED元件封裝采用陶瓷（氮化鋁）作為支架，絕緣性好，導熱率高，如車燈LED配合使用傳統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產品代碼）銅基板[1]，則會出現LED和銅基板CTE不匹配而快速失效的問題; 而使用新型導熱基板MHE901（Micro Heat Exchanger， 901產品代碼）如圖1和SMT貼裝技術，組裝成整個LED車燈光源[2]。（1）LED基座與基板同為陶瓷（氮化鋁），CTE一致，不會出現CTE失配而導致焊點失效;（2）LED工作時熱量可直接通過銅箔和陶瓷傳導至散熱器，故整個光源模組的導熱系數可達到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是最關鍵的，而陶瓷電鍍銅均勻性的好壞則直接影響到MHE901基板品質的優劣。陶瓷塊壓入FR4基板后有絕緣膠溢出，需要自動磨板除膠后才能進行后續銅電鍍[4]，如基板中嵌埋陶瓷塊銅厚差異較大，自動磨板除膠工序則會出現磨銅過度或除膠不凈的現象。本文通過修改陶瓷電鍍銅治具框架設計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提供技術參考。

2 實驗

2.1 實驗材料與儀器設備

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導熱系數。（2）鍍銅電鍍液。

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

2.2 夾具設計

考慮到電鍍邊緣效應，將原有陶瓷電鍍銅夾具如圖2左圖所示，窄邊設計修改為寬邊設計，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域電鍍均勻性，修改后夾具設計如圖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，由于卡扣設計距邊緣約10mm左右，處于電鍍邊緣效應作用區，電鍍銅厚會將夾具和陶瓷黏連在一起，給后續操作帶來不便，故新夾具設計采用背面釬焊銅條，正面設置非金屬卡扣的方式，見圖3，且新夾具厚度會大于陶瓷厚度0.2mm，保證陶瓷在電鍍流體中可以晃動，不會出現夾具與陶瓷電鍍黏連現象。

2.3 實驗過程

首先，將待鍍陶瓷片放入電鍍夾具并用卡扣固定，每個夾具可放9塊陶瓷片，然后進入VCP電鍍線，需經過兩次電鍍流程，VCP線按表1參數設置，測試設計每次電鍍銅30μm，理論上雙面最終電鍍銅厚度是70μm。電鍍完成后，將陶瓷片送至實驗室使用面銅厚測試儀測試正背面銅厚，測量取點分別是四個角、四個邊長中點和中心點。

3 分析與討論

根據電鍍邊緣效應理論，整個電鍍面邊緣25.4mm寬度范圍內電鍍厚度差異最大，而其他區域的電鍍厚度差異很小。由于原電鍍夾具設計邊框寬度僅有10mm，那么電鍍邊緣效應正好作用于需電鍍的陶瓷片，使得陶瓷片電鍍銅厚浮動很大，電鍍銅最厚點是116.16mm，最薄點僅有49.25mm，極差達到了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，才能保證產品整個制程的穩定。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合，經過鍍銅后，鍍層會將夾具和陶瓷片黏連成一體，給后工序操作帶來不便。

新電鍍夾具設計的邊框尺寸是34mm，大于25.4mm，有效避開了電鍍邊緣效應區域，可以保證中間陶瓷片區域電鍍電流分布的均勻性[5]，從而達到電鍍銅厚的一致性，此次測試樣品數量248塊陶瓷片，隨機抽取部分數據進行數據分析。

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，銅厚浮動非常小，電鍍制程CPK達到了1.72，見圖3，大于汽車電子要求的1.67的標準，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，避免夾具與陶瓷片間的黏連。

陶瓷片電鍍前銅厚10μm，根據理論生產經驗，使用表1 的VCP線測試參數設置，推算出本次電鍍后陶瓷片銅厚應該是70μm，而實際平均值是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]，故產生此偏差的原因應該是電流設置過大或鍍銅密度過大;建議下次批量生產時將電流設置調整至650mA，鍍銅密度設置為31ASF[8]。另一方面，可在電鍍液中增加適量添加劑，增強電鍍液分散能力，改善鍍層結晶細密性，進一步增強陶瓷電鍍銅的均勻性，同時也對防止出現鍍銅針孔或燒焦不良有很大幫助。

4 結論

原陶瓷電鍍銅夾具邊框尺寸和厚度設計不合理，導致陶瓷電鍍銅工藝的銅厚均勻性很差，無法滿足MHE901產品基板對陶瓷片銅厚一致性的要求，從而產品基板不良率居高不下;經過對原流程鍍層數據分析，尋找銅厚分布規律，再結合相關理論知識，設計出新的陶瓷電鍍銅夾具，有效避免電鍍邊緣效應對待鍍陶瓷片的銅厚影響，經過測試，新夾具電鍍陶瓷銅厚CPK達1.72，滿足汽車產品制程穩定性要求，可以進行后續陶瓷鍍銅批量生產。

將電鍍夾具厚度設計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，可有效防止出現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：

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