陶瓷电镀铜均匀性工艺技术分析与改善

赵永新 肖梦柏 周晓斌 黄广新 陈爱兵

摘  要：文章主要从陶瓷电镀铜使用夹具框架设计和厚度等方面研究入手，结合数据分析的手段，分析了陶瓷电镀铜均匀性差的根本原因，并提出了相应的解决办法。研究表明，电镀边缘效应会使得电镀治具边缘约1英寸（25.4mm）的范围内电镀铜后差异非常大（约60μm），而除去1英寸边框范围外的部分电镀铜厚度差异很小，增加夹具边框尺寸可有效保证中间区域陶瓷电镀均匀性;而电镀夹具厚度略大于陶瓷块厚度可使陶瓷块在电镀液流體作用力下晃动，确保电镀夹具与陶瓷块间不会由于电镀铜而黏连。

关键词：电镀边缘效应;陶瓷;框架设计;电镀均匀性;黏连

中图分类号：TN405 文献标志码：A 文章编号：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

今年来，随着车灯LED技术的成熟和成本降低，传统卤素车灯光源逐渐被LED车灯光源所替代，LED光源与传统卤素光源相比，拥有节能、环保、高光效、寿命超长、体积重量小等优势。而车灯LED元件封装采用陶瓷（氮化铝）作为支架，绝缘性好，导热率高，如车灯LED配合使用传统FR4基板，则基板散热能力不能满足车灯LED需求;如配合使用MHE301（Micro Heat Exchanger， 301产品代码）铜基板[1]，则会出现LED和铜基板CTE不匹配而快速失效的问题; 而使用新型导热基板MHE901（Micro Heat Exchanger， 901产品代码）如图1和SMT贴装技术，组装成整个LED车灯光源[2]。（1）LED基座与基板同为陶瓷（氮化铝），CTE一致，不会出现CTE失配而导致焊点失效;（2）LED工作时热量可直接通过铜箔和陶瓷传导至散热器，故整个光源模组的导热系数可达到170W/m.K，良好的散热能力保证了LED光源长期正常工作[3]。

在MHE901基板制造过程中，陶瓷块的制备工艺技术是最关键的，而陶瓷电镀铜均匀性的好坏则直接影响到MHE901基板品质的优劣。陶瓷块压入FR4基板后有绝缘胶溢出，需要自动磨板除胶后才能进行后续铜电镀[4]，如基板中嵌埋陶瓷块铜厚差异较大，自动磨板除胶工序则会出现磨铜过度或除胶不净的现象。本文通过修改陶瓷电镀铜治具框架设计和厚度以改善陶瓷电镀铜不均匀的问题，为陶瓷电镀铜批量生产提供技术参考。

2 实验

2.1 实验材料与仪器设备

原材料：（1）待电镀陶瓷片，尺寸LXW 127*127mm，厚度1.0mm，双面铜厚10μm，氮化铝，170W/m.K导热系数。（2）镀铜电镀液。

仪器设备：VCP电镀线（Vertical conveyor plating， 垂直连续电镀）、面铜厚测试仪（牛津CM700）。

2.2 夹具设计

考虑到电镀边缘效应，将原有陶瓷电镀铜夹具如图2左图所示，窄边设计修改为宽边设计，夹具边到陶瓷固定框架最小距离大于25.4mm，保证中间陶瓷电镀铜区域电镀均匀性，修改后夹具设计如图2右图，夹具整体外形尺寸（L×W×T）650×520×1.2mm;陶瓷固定框尺寸（L×W）128×128mm。

原夹具使用卡扣将待镀陶瓷紧扣在夹具上，由于卡扣设计距边缘约10mm左右，处于电镀边缘效应作用区，电镀铜厚会将夹具和陶瓷黏连在一起，给后续操作带来不便，故新夹具设计采用背面钎焊铜条，正面设置非金属卡扣的方式，见图3，且新夹具厚度会大于陶瓷厚度0.2mm，保证陶瓷在电镀流体中可以晃动，不会出现夹具与陶瓷电镀黏连现象。

2.3 实验过程

首先，将待镀陶瓷片放入电镀夹具并用卡扣固定，每个夹具可放9块陶瓷片，然后进入VCP电镀线，需经过两次电镀流程，VCP线按表1参数设置，测试设计每次电镀铜30μm，理论上双面最终电镀铜厚度是70μm。电镀完成后，将陶瓷片送至实验室使用面铜厚测试仪测试正背面铜厚，测量取点分别是四个角、四个边长中点和中心点。

3 分析与讨论

根据电镀边缘效应理论，整个电镀面边缘25.4mm宽度范围内电镀厚度差异最大，而其他区域的电镀厚度差异很小。由于原电镀夹具设计边框宽度仅有10mm，那么电镀边缘效应正好作用于需电镀的陶瓷片，使得陶瓷片电镀铜厚浮动很大，电镀铜最厚点是116.16mm，最薄点仅有49.25mm，极差达到了66.91mm，工艺制程CPK是0.23，见图3;而汽车基板制造CPK须大于1.67，才能保证产品整个制程的稳定。使用原有夹具电镀陶瓷的铜厚均匀性太差，无法满足MHE901基板嵌埋陶瓷对铜厚一致性的要求。另外原电镀夹具厚度与待镀陶瓷片厚度相同，故电镀过程中陶瓷片与夹具间无缝结合，经过镀铜后，镀层会将夹具和陶瓷片黏连成一体，给后工序操作带来不便。

新电镀夹具设计的边框尺寸是34mm，大于25.4mm，有效避开了电镀边缘效应区域，可以保证中间陶瓷片区域电镀电流分布的均匀性[5]，从而达到电镀铜厚的一致性，此次测试样品数量248块陶瓷片，随机抽取部分数据进行数据分析。

使用新夹具电镀铜厚最大值88.1μm，最小值是78.7μm，极差只有9.4μm，铜厚浮动非常小，电镀制程CPK达到了1.72，见图3，大于汽车电子要求的1.67的标准，说明使用新夹具后陶瓷电镀铜厚的一致性有非常显著的改善。另外新夹具厚度会大于陶瓷片0.2mm，搭配非金属卡扣固定陶瓷片，电镀过程中可使陶瓷片在电镀液流体作用下不断晃动，避免夹具与陶瓷片间的黏连。

陶瓷片电镀前铜厚10μm，根据理论生产经验，使用表1 的VCP线测试参数设置，推算出本次电镀后陶瓷片铜厚应该是70μm，而实际平均值是83.229μm，由于电镀电流和镀铜密度越大，电镀铜的速度越快[6-7]，故产生此偏差的原因应该是电流设置过大或镀铜密度过大;建议下次批量生产时将电流设置调整至650mA，镀铜密度设置为31ASF[8]。另一方面，可在电镀液中增加适量添加剂，增强电镀液分散能力，改善镀层结晶细密性，进一步增强陶瓷电镀铜的均匀性，同时也对防止出现镀铜针孔或烧焦不良有很大帮助。

4 结论

原陶瓷电镀铜夹具边框尺寸和厚度设计不合理，导致陶瓷电镀铜工艺的铜厚均匀性很差，无法满足MHE901产品基板对陶瓷片铜厚一致性的要求，从而产品基板不良率居高不下;经过对原流程镀层数据分析，寻找铜厚分布规律，再结合相关理论知识，设计出新的陶瓷电镀铜夹具，有效避免电镀边缘效应对待镀陶瓷片的铜厚影响，经过测试，新夹具电镀陶瓷铜厚CPK达1.72，满足汽车产品制程稳定性要求，可以进行后续陶瓷镀铜批量生产。

将电镀夹具厚度设计为略小于陶瓷片厚度，保证电镀过程中陶瓷片可在夹具上晃动，可有效防止出现夹具与陶瓷片之间的镀层黏连，便于后工序拆卸陶瓷片。

参考文献：

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[2]秦典成，陈爱兵，肖永龙.嵌埋陶瓷散热基板对白光LED性能的影响[J].发光学报，2019，40（01）：97-105.

[3]秦典成，陈爱兵，肖永龙，等.扩散热阻对FR4/AlN復合材料导热性能的影响[J].半导体光电，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

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