折弯式热电分离铝基板项目技术研究

刘灼扶

摘 要：文章通过介绍折弯式热电分离铝基板的性能要求，论述铝基板的产品结构和工艺生产流程，并对铝基板的相关指标进行了论证。

关键词：铝基板；折弯式；热电分离；生产工艺

中图分类号：TG174 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）26-0091-03

Abstract： This paper introduces the performance requirements of bent thermoelectric separation aluminum substrate， discusses the product structure and process flow of aluminum substrate， and discusses the related indexes of aluminum substrate.

Keywords： aluminum substrate； bending type； thermoelectric separation； production process

1 概述

铝基板的工作原理是，功率器件贴装在电路层上，器件工作时所产生的热量是通过介质绝缘层快速传导到金属基层，再由金属基层将热量传递出去，从而实现对器件的散热[1]。铝基板的导热系数是评价铝基板质量好坏一个重要的指标之一，另外两个重要因素分别是铝基板热阻值和铝基板的耐压值。而本次实验的目的，主要是从浇铜铝基板的铜层凸铜设计和基板折弯方面进行研究，从而评估产品设计的可行性。

2 实验部分

2.1 实验材料及设备

原材料：浇铜铝基板（铝面贴有耐高温保护膜），AD纯胶，PI（Polyimide）无胶铜，干膜，全套菲林，阻焊油墨。

设备：自动开料机，滚轴切割机，激光切割机，VCP板电线，自动贴膜机，半自动曝光机，水平显影+蚀刻+退膜线（DES 线），AOI扫描机，烘炉，切片研磨机，金相显微镜，阻焊丝印机，自动打靶机，东台数控钻孔机，自动U-CUT机，恩德锣机，飞针测试机，电子变压器。

2.2 实验步骤

（1）使用自动开料机将浇铜铝基板按250×400±1mm

进行切割开料，使用滚轴剪切机将AD纯胶，PI无胶铜按照250×400±1mm进行切割开料；（2）对浇铜铝基板铜层切片分析，对于铜层厚度未达到140±10um，需要进行加厚铜；（3）将浇铜铝基板的铜面压干膜，用黑菲林药面紧贴在铝基板的干膜上，进行对位，曝光，显影和蚀刻，蚀刻参数按1.25米/分钟，蚀刻后铜层呈现出凸台，并做切片分析；（4）使用激光切割机对AD纯胶和PI无胶铜板进行切割，按要求切割凸铜开窗位和定位销钉孔，注意开窗尺寸比浇铜铝基凸铜长、宽尺寸单边大200um，而定位孔按1：1切割，切割后的开窗和定位孔要求光滑，毛边≤0.1mm；（5）将AD纯胶通过贴合方式转移到无胶铜的PI面上，再将PI无胶铜复合面板与有凸铜的浇铜铝基板进行对准，并放置在快压机内进行压合。控制方式，开始升温段0-140℃压力90kg60秒，中段140-160℃压力110kg 30秒，后段180℃ 压力140kg 300秒，压合后检查溢胶和板面平整情况；（6）在样板经过快压和压合后，进行后工序制作，并做开短路测试和OSP表面处理，并对成品进行铜凸台切片分析和热冲击测试，条件288℃×10秒×3次，检查有无分层和起泡现象；（7）使用电子变压器对成品进行弯曲前后的耐压测试，爬升速度500V/S电流≤5mA时间30秒。

3 分析与讨论

浇铜铝基，全称半熔态无氧铸造铜铝板，在高温高压无氧条件下，使铜复层与铝基体达到冶金结合，具有结合强度高，性能好，密度小等特点。结构如图1，铜层采用T2纯铜，具有良好的可焊性，导电性和导热性能，铝基体成分牌号为1100[2]，具有良好的散热性和机械加工性能，热导率（20℃）达到294W/m·k，适合90度角折弯，比普通单面铝基板有更高热导率，比热电分离铜基板有更低的制作成本。

为了确保浇铜铝基板的铜层厚度能够足以满足蚀刻的深度，蚀刻后的铜层凸台高度要达到80-100um，需要确保蚀刻前铜层的厚度达到140±10um要求，经过切片分析铜层厚度只有92.2um，如图2所示，未达到要求。因此需要将铜层进行40-50um整板加厚铜电镀，电流密度20AFS，时间1.5小时[3]，经切片分析铜层厚度达到137.50um，如图3所示，符合设计要求。

经过蚀刻后的铜层凸铜如图4，铜面不能存在有突出的颗粒，否则会对压合造成影响，通过AOI检查筛选出合格的基板。铜层经过切片分析，如图5所示，铜层总厚度134.44um，剩余厚度44.0um，从而计算出铜层凸出的高度为90.44um，符合设计要求。

AD纯胶与PI无胶铜板通过激光切割后进行对准、贴合，操作过程中需要注意细节，如图6所示。胶转移后需要检查板面是否平整，防止出现折皱和气泡。因为折皱会造成外层线路的曝光不良，产生蚀刻幼线，而气泡则会令压合过程中出现分层现象。

以下为压合叠板结构，如图7所示，完成压合后检查是否有溢胶现象，溢胶要求不能超出并高于凸铜台，如果存在溢胶，需要进行清除。通过计算，CU层，PI层，AD层合计约85um，与凸铜90.44um相差5.44um，符合设计要求。

压合完成后，还需要进行其他工序的生产。其中线路制作，要求控制线宽和线距、开短路等缺陷[4]；阻焊制作，使用太阳PSR-4000 WT05阻焊白油，注意对位要准确，显影后PI是否存在上阻焊掉油；外形加工，打靶和钻孔精度控制、U-CUT深度、宽度控制，而且不能压伤板面线路层，如图8所示。

經过飞针测试和OSP表面处理，已经完成成品的制作，但需要对成品的凸铜台做切片分析，检查铜台与线路的高度差，是否会影响SMT贴片封装生产。如图9所示，通过金相显微镜要求≤30um，实际测量18.2um，符合品质要求。

对成品进行热冲击和耐压测试[5]，评估产品的可靠性如表1所示，根据测试数据显示，符合品质要求。

产品合格率分析，此次实验共投料10PNL，每panel有33pcs，合计330pcs，报废26pcs（其中开短路4pcs、实验2pcs、焊盘缺损20pcs），合格率92%。

4 结束语

综合以上实验结果，主要体现在创新采用浇铜铝、PI无胶铜和环氧AD纯胶结合，实现可折弯式热电分离基板设计，经过成品检测，符合热冲击和耐压测试等品质要求，适合大功率器件的封装。对于纯紫铜凸台和环氧树脂面板结合的热电分离设计，整体材料价格较高，虽然导热率达到400W/m·k，但不具有折弯特性，不便于立体线路的设计[6]；而对于3D杜邦单面基板，虽然可以实现折弯性能，但导热率只有0.24W/m·k，无法用于大功率器件的封装。因此，金属化新工艺与新方法的探索，是未来该领域重要研究的方向。

参考文献：

[1]周志敏，纪爱华.大功率LED照明技术设计与应用[M].北京：电子工业出版社（电子工程技术丛书），2001.

[2]潘继民.金属材料化学成分与力学性能手册[M].机械工业出版社，2013.

[3]高彦磊，白红军，殷列，等.化学镀铜技术的最新进展[J].电镀与涂饰，2008（5）：22-25.

[4]张怀武，何为，胡文成，等.现代印制电路原理与工艺[M].北京：机械工业出版，2010：1-10.

[5]曾峰.印制电路板设计与制作[M].北京：电子工业出版社，2002.

[6]彭军，宋关强，刘延祺.金属基PCB的散热性能研究[Z].中日电子电路春季国际PCB技术/信息论坛，2015.