黃萌祺、高端環、林冠廷、黃悅真、楊捷／工研院機械所
3C產品輕薄短小與功能整合之需求日增，三維立體金屬電路最大的優點是易適用於不規則之塑膠基材上，形成3D立體電路，其充分利用了產品表面所有空間，不易受限於超薄空間之限制，可使線路更微型多樣化，而能廣泛應用於資通訊產業。本計畫發展3D陶瓷雷射金屬化技術，能於多種陶瓷基板上直接製作2.5D/3D金屬微結構，且具有高精度、細微化、高可靠度與高附著性之優勢，目前能製作GPS天線、4G天線、臭氧陶瓷電極、多階陶瓷電路板等產品，而能應用於資通訊產業、半導體產業與功率元件封裝產業等。
【內文精選】
前 言
隨著未來B4G/5G高頻產品增加與產品體積縮小，射頻元件中的微波介質陶瓷元件將持續提高市場規模與產值。微波介質陶瓷元件因具有體積小、元件密度高等優勢，而需求量大幅增加，目前微波介質陶瓷元件可應用於微波頻段(主要是UHF、SHF頻段，300 MHz~300 GHz)，可製作陶瓷天線、濾波器、陶瓷振盪器、介質導波迴路等陶瓷元件。此外，隨著終端支援的無線連線協定越來越多，從最初的2G網路到現在的NFC、3G/4G/5G網路、WiFi、藍牙等，通訊終端的天線元件單機價值量增長了數倍。終端裝置產品(如：手機或筆電)其天線數量越來越多，以5G手機為例，目前天線數量約達8~10支以上，根據Strategy Analystic預估，2019年5G手機出貨量達200萬支，並在未來幾年快速成長，2025年將達15億支，在智慧型手機市場滲透率達83%，故通訊模組產值大幅增加，如圖二所示。
3D立體電路之技術現況
3D立體電路是指在機構件的表面，製作具有電氣功能的三維立體金屬電路及連接器件，其最大優點是適用於不規則之基材上，具有節省空間、組裝容易、元件體積小等優勢。常見之3D立體電路製作方法包括：微積體化製程技術(MIPTEC)、雷射直接成型法(LDS)、雙料射出(Two-shot Molding Method)、氣懸膠噴印製程(Aerosol Jet Process)、Flamecon法、雷射印刷重組技術(LRP)、雷射誘導金屬化技術(LIM)、陶瓷雷射金屬化技術(CLM)等，其中以雷射直接成型法最為常見並應用於智慧型手機天線的製作，但只能製作於高分子基材上。
工研院亦發表雷射誘導金屬化技術(LIM)，其與LDS技術的差異是利用奈米觸發膠體來取代LDS射出塑料。此觸發膠體材料是由高分子膠體與觸發材料混和而成，將此觸發膠體材料藉由噴塗或塗佈等方式進行基板表面塗佈附著，而基板選擇可以為高分子、陶瓷或金屬等基板皆可，不受限於基板種類與大小，再利用雷射加工設備，在機殼或機構上進行圖案化製程，將活化粒子露出高分子表面，再以無電鍍進行金屬線路沉積，將傳導的金屬附著在各類機構件材質上，如圖五所示。此外，用於製作多層立體電路時，只需要在既有之基材上再塗佈一層相同之觸發膠體，即可以進行第二層金屬結構製作，此觸發膠體不但可以當作觸發層，亦可以當作絕緣層，而能進行立體多層電路製作。此方法不但可以降低觸發材料成本，減少觸發貴重金屬之使用，且不受限於基板材料，並能進行多層電路之製作。
圖五、雷射誘導金屬化技術(LIM)示意圖
3D陶瓷雷射金屬化技術之應用
1. 陶瓷通訊元件
使用陶瓷雷射金屬化技術進行GPS(Global Position System)天線製作，採用雷射進行陶瓷圖案三面化製作，藉由CCD精準對位處理後，將GPS三面圖案精準地投射於陶瓷材料上，利用雷射加工產生材料改質，再經由酸蝕刻、活化處理等製程後，藉由浸置無電鍍銅沉積即能將金屬沉積於陶瓷三個表面，形成3D金屬微結構；並進一步沉積無電鍍鎳與金屬進行銅結構保護，可進行SMD製程。
2. 半導體產業應用
半導體臭氧設備目前無論製造或維修都仰賴國外進口，國內廠商需自行開發關鍵零組件才能自主製造半導體臭氧設備。半導體臭氧設備的陶瓷電極為關鍵零組件之一，需耐8 kV之高電壓長時間(1年)轟擊，故產品可靠度與圖案化精度要求高。本計畫亦藉由3D陶瓷雷射金屬化技術，於氧化鋁陶瓷基板上製作半導體臭氧設備陶瓷電極。隨著高頻通訊需求興起與電動車大幅普及化，目前IC測試將有高頻、高功率、耐高溫等測試需求，傳統FR4之電路板因特性因素，已不符合需求，紛紛使用陶瓷電路板進行取代。目前尚無其他技術(黃光微影/網印燒結等)能在2.5D/3D陶瓷上進行高精度線路製作，如圖十二所示，本計畫藉由3D陶瓷雷射金屬化技術，於2.5D多階高度基板上進行…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖十二、將高精度線路製作於2.5D陶瓷電路板上
★本文節錄自《工業材料雜誌》416期，更多資料請見下方附檔。