折彎式熱電分離鋁基板項目技術研究

劉灼扶

摘 要：文章通過介紹折彎式熱電分離鋁基板的性能要求，論述鋁基板的產品結構和工藝生產流程，并對鋁基板的相關指標進行了論證。

關鍵詞：鋁基板；折彎式；熱電分離；生產工藝

中圖分類號：TG174 文獻標志碼：A 文章編號：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

鋁基板的工作原理是，功率器件貼裝在電路層上，器件工作時所產生的熱量是通過介質絕緣層快速傳導到金屬基層，再由金屬基層將熱量傳遞出去，從而實現對器件的散熱[1]。鋁基板的導熱系數是評價鋁基板質量好壞一個重要的指標之一，另外兩個重要因素分別是鋁基板熱阻值和鋁基板的耐壓值。而本次實驗的目的，主要是從澆銅鋁基板的銅層凸銅設計和基板折彎方面進行研究，從而評估產品設計的可行性。

2 實驗部分

2.1 實驗材料及設備

原材料：澆銅鋁基板（鋁面貼有耐高溫保護膜），AD純膠，PI（Polyimide）無膠銅，干膜，全套菲林，阻焊油墨。

設備：自動開料機，滾軸切割機，激光切割機，VCP板電線，自動貼膜機，半自動曝光機，水平顯影+蝕刻+退膜線（DES 線），AOI掃描機，烘爐，切片研磨機，金相顯微鏡，阻焊絲印機，自動打靶機，東臺數控鉆孔機，自動U-CUT機，恩德鑼機，飛針測試機，電子變壓器。

2.2 實驗步驟

（1）使用自動開料機將澆銅鋁基板按250×400±1mm

進行切割開料，使用滾軸剪切機將AD純膠，PI無膠銅按照250×400±1mm進行切割開料；（2）對澆銅鋁基板銅層切片分析，對于銅層厚度未達到140±10um，需要進行加厚銅；（3）將澆銅鋁基板的銅面壓干膜，用黑菲林藥面緊貼在鋁基板的干膜上，進行對位，曝光，顯影和蝕刻，蝕刻參數按1.25米/分鐘，蝕刻后銅層呈現出凸臺，并做切片分析；（4）使用激光切割機對AD純膠和PI無膠銅板進行切割，按要求切割凸銅開窗位和定位銷釘孔，注意開窗尺寸比澆銅鋁基凸銅長、寬尺寸單邊大200um，而定位孔按1：1切割，切割后的開窗和定位孔要求光滑，毛邊≤0.1mm；（5）將AD純膠通過貼合方式轉移到無膠銅的PI面上，再將PI無膠銅復合面板與有凸銅的澆銅鋁基板進行對準，并放置在快壓機內進行壓合。控制方式，開始升溫段0-140℃壓力90kg60秒，中段140-160℃壓力110kg 30秒，后段180℃ 壓力140kg 300秒，壓合后檢查溢膠和板面平整情況；（6）在樣板經過快壓和壓合后，進行后工序制作，并做開短路測試和OSP表面處理，并對成品進行銅凸臺切片分析和熱沖擊測試，條件288℃×10秒×3次，檢查有無分層和起泡現象；（7）使用電子變壓器對成品進行彎曲前后的耐壓測試，爬升速度500V/S電流≤5mA時間30秒。

3 分析與討論

澆銅鋁基，全稱半熔態無氧鑄造銅鋁板，在高溫高壓無氧條件下，使銅復層與鋁基體達到冶金結合，具有結合強度高，性能好，密度小等特點。結構如圖1，銅層采用T2純銅，具有良好的可焊性，導電性和導熱性能，鋁基體成分牌號為1100[2]，具有良好的散熱性和機械加工性能，熱導率（20℃）達到294W/m·k，適合90度角折彎，比普通單面鋁基板有更高熱導率，比熱電分離銅基板有更低的制作成本。

為了確保澆銅鋁基板的銅層厚度能夠足以滿足蝕刻的深度，蝕刻后的銅層凸臺高度要達到80-100um，需要確保蝕刻前銅層的厚度達到140±10um要求，經過切片分析銅層厚度只有92.2um，如圖2所示，未達到要求。因此需要將銅層進行40-50um整板加厚銅電鍍，電流密度20AFS，時間1.5小時[3]，經切片分析銅層厚度達到137.50um，如圖3所示，符合設計要求。

經過蝕刻后的銅層凸銅如圖4，銅面不能存在有突出的顆粒，否則會對壓合造成影響，通過AOI檢查篩選出合格的基板。銅層經過切片分析，如圖5所示，銅層總厚度134.44um，剩余厚度44.0um，從而計算出銅層凸出的高度為90.44um，符合設計要求。

AD純膠與PI無膠銅板通過激光切割后進行對準、貼合，操作過程中需要注意細節，如圖6所示。膠轉移后需要檢查板面是否平整，防止出現折皺和氣泡。因為折皺會造成外層線路的曝光不良，產生蝕刻幼線，而氣泡則會令壓合過程中出現分層現象。

以下為壓合疊板結構，如圖7所示，完成壓合后檢查是否有溢膠現象，溢膠要求不能超出并高于凸銅臺，如果存在溢膠，需要進行清除。通過計算，CU層，PI層，AD層合計約85um，與凸銅90.44um相差5.44um，符合設計要求。

壓合完成后，還需要進行其他工序的生產。其中線路制作，要求控制線寬和線距、開短路等缺陷[4]；阻焊制作，使用太陽PSR-4000 WT05阻焊白油，注意對位要準確，顯影后PI是否存在上阻焊掉油；外形加工，打靶和鉆孔精度控制、U-CUT深度、寬度控制，而且不能壓傷板面線路層，如圖8所示。

經過飛針測試和OSP表面處理，已經完成成品的制作，但需要對成品的凸銅臺做切片分析，檢查銅臺與線路的高度差，是否會影響SMT貼片封裝生產。如圖9所示，通過金相顯微鏡要求≤30um，實際測量18.2um，符合品質要求。

對成品進行熱沖擊和耐壓測試[5]，評估產品的可靠性如表1所示，根據測試數據顯示，符合品質要求。

產品合格率分析，此次實驗共投料10PNL，每panel有33pcs，合計330pcs，報廢26pcs（其中開短路4pcs、實驗2pcs、焊盤缺損20pcs），合格率92%。

4 結束語

綜合以上實驗結果，主要體現在創新采用澆銅鋁、PI無膠銅和環氧AD純膠結合，實現可折彎式熱電分離基板設計，經過成品檢測，符合熱沖擊和耐壓測試等品質要求，適合大功率器件的封裝。對于純紫銅凸臺和環氧樹脂面板結合的熱電分離設計，整體材料價格較高，雖然導熱率達到400W/m·k，但不具有折彎特性，不便于立體線路的設計[6]；而對于3D杜邦單面基板，雖然可以實現折彎性能，但導熱率只有0.24W/m·k，無法用于大功率器件的封裝。因此，金屬化新工藝與新方法的探索，是未來該領域重要研究的方向。

參考文獻：

[1]周志敏，紀愛華.大功率LED照明技術設計與應用[M].北京：電子工業出版社（電子工程技術叢書），2001.

[2]潘繼民.金屬材料化學成分與力學性能手冊[M].機械工業出版社，2013.

[3]高彥磊，白紅軍，殷列，等.化學鍍銅技術的最新進展[J].電鍍與涂飾，2008（5）：22-25.

[4]張懷武，何為，胡文成，等.現代印制電路原理與工藝[M].北京：機械工業出版，2010：1-10.

[5]曾峰.印制電路板設計與制作[M].北京：電子工業出版社，2002.

[6]彭軍，宋關強，劉延祺.金屬基PCB的散熱性能研究[Z].中日電子電路春季國際PCB技術/信息論壇，2015.