生益科技:铝基覆铜板的生产过程探讨

摘要

铝基覆铜板的生产过程需重点关注RCC和铝板质量,控制生产环境,选择适当的层压模式,保证绝缘介质层的有效厚度,并尽可能消除热应力的影响,避免翘曲。

 

前言

 

随着电子行业中轻薄短小成为电器产品的发展趋势,各种大功率的元器件越来越小,而在电器产品中分布越来越集中。因此,散热问题成为当前电子电路基材的一个重要性能要求,在LED照明、汽车、家电、通讯和航天等领域尤为突出。目前,金属基板是电路基材散热的主要解决方案,其中铝基板因其较好的加工性和导热能力,成为金属基板中的主力军。

铝基覆铜板(以下简称铝基板)是由导热层、绝缘介质层和导电材料层组合而成复合材料,一般是将铝板和涂覆有树脂层的铜箔(RCC)热压而成。其中,铝板作为导热层;RCC中铜箔作为导电材料层;RCC的树脂层作为铝基板的绝缘介质层,并起到粘结铜箔和铝板的作用。

铝基板的本质是将传统覆铜板中的绝缘基板替代为具有胶层的铝板。铝的热导率为204 W/m·K,树脂的热导率一般为0.15~0.4 W/m·K,玻璃纤维的热导率为0.04 W/m·K,因此铝基板的导热能力明显高于传统电路基板[1]。但由于铝板同时具有良好的导电性,并且其热膨胀系数和传统基板具有明显的差异性,导致铝基板经常面临电性能失效和翘曲等问题。现从铝基板的生产加工角度分析铝基板的缺陷产生原因和防范措施。

 

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缺陷分析

 

1.1  HI-POT(高电位测试)失效

HI-POT失效是一种电性能的失效。HI-POT测试的原理是将特定的交流电压(AC)或者直流电压(DC)分别施加于铝基板的铜箔面和铝板面,测定漏电电流,当漏电电流超过设定电流时,则判定为HI-POT失效(图1)。

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图1  HI-POT测试示意图

由上述原理可知,铝基板通过HI-POT测试的关键在于绝缘介质层。即在AC条件下,铝基板测试样品充当电容器的角色,其绝缘介质层的介电常数越低,有效厚度越大,则一定电压下的漏电电流越小;在DC条件下,绝缘介质层的电阻率越高,有效厚度越大,则一定电压下的漏电电流越小[1]。因此,除去绝缘介质层的树脂自身的种类因素,绝缘介质层的有效厚度是保证HI-POT测试的主要因素。

1.2  翘曲

铝基板各组成部分的热膨胀系数差异较大,作为复合材料,翘曲是铝基板的主要缺陷。铝板的热膨胀系数约为23×10-6/℃,铜的热膨胀系数约为17.7×10-6/℃,而环氧树脂固化后的热膨胀系数一般在55×10-6/℃以上,而且环氧树脂固化在Tg温度以上的热膨胀系数更大。

1.3  其他缺陷

铝基板的其他缺陷还包括表观的凹痕、欠压,介质层的杂质、缺树脂、厚度不均、粘结不良导致的分层等问题。

 

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生产过程对铝基板质量的影响

 

2.1  原材料选取

铝板是铝基板制造中的主体材料,需要经过表面处理。未做表面处理的铝板表面与胶层的粘合力不足,在PCB加工和电器件安装过程中会出现分层、爆板或导电层脱落等问题。常见的铝板处理步骤有,去油清洗、粗化处理、化学抛光、制备氧化膜和钝化或防氧化处理等。其中制备氧化膜不仅可以增加铝板和胶层的粘合力,而且可以提高铝基板抗腐蚀性,并增加电器绝缘性等,对铝基板整体的电绝缘性能有一定的帮助。铝板的粗化处理一般是采用化学腐蚀的方法增加铝板表面的粗糙度,以提高胶层对铝板的附着面积。通过机械打磨也可以对铝板进行粗化处理,但需避免粗化过程中产生金属凸点或毛刺,在HI-POT测试中形成尖端放电,造成失效。

RCC是将树脂涂覆在铜箔的毛面上烘干为半固化而成。铜箔毛面上存在凸起的铜牙(如图2所示),铜牙可能会在HI-pot测试中形成尖端放电。另外,RCC涂覆过程中有可能在铜箔毛面的铜牙之间封入少量空气,在后期的烘烤熔融过程中,这些空气难以完全排出,会在RCC树脂中形成微气泡。微气泡本身可以增加绝缘介质层的电绝缘能力,但是在PCB加工和使用过程中容易造成孔隙,使水汽或化学试剂混入介质层中,造成缺陷。目前RCC所用铜箔的厚度越来越薄,相应的铜牙也在变小,该方面的影响较小。

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图2  铝基板横截面结构

RCC胶层的挥发份超标会导致铝基板在高温下爆板分层,降低铝基板耐热性。胶层的厚度不均、或者出现条纹等会影响铝基板的厚度均匀性。胶层在层压前为半固化树脂,其韧性较差,在加工过程中易于产生裂缝或脱落,导致铝基板中绝缘介质层偏薄或缺失。半固化状态的胶层在层压过程中会熔融流动,对铝基板最终的介质层厚度和均匀程度等至关重要。因此在层压前,需要对RCC的树脂的流变性能和固化反应条件详细了解,增加层压模式与RCC之间的匹配度。

2.2  过程污染

铝基板的生产流程:RCC剪切—RCC与铝板叠配—盖钢板—热压—加压冷却—分发—后处理—测试—贴膜—包装。生产流程相对比较简单,但在整个流程中存在几个比较容易造成污染的隐患。

铜屑是覆铜板等电路基板中的常规污染物,如果铜屑混入铝基板的绝缘介质层,则会降低绝缘介质层的有效厚度,甚至连通导电层和铝板,造成HI-POT失效,甚至短路。铜箔是RCC的主要组成,在剪切过程中,如果刀具选择或操作不当,或者刀具保养不到位,则可能会产生铜屑。而且RCC的剪切过程中也可能产生树脂碎屑,影响绝缘介质层厚度的控制。因此需要严格选择剪切RCC的刀具,并及时保养或更换。

生产操作和运输中,环境的湿度、机械润滑产生的油渍都有可能污染到RCC的绝缘介质层。因此,严格现场管理,规范操作流程,以及必要的清洁清洗都是保证铝基板品质的重要措施。

2.3  层压控制

层压在铝基板生产中是重中之重。层压过程主要是将RCC和铝板叠配后,在叠层的两面覆以镜面钢板,然后送进热压机中,上下两面加热加压(图3),待胶层固化完成后加压冷却。

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图3  铝基板层压示意图

层压过程中的关注点主要有如下几项

(1)层压程序与RCC胶层流变性能之间的匹配。RCC胶层一般为半固化状态的树脂组合物,其在层压加热过程中一般是先熔融后固化,流变性能表现为在高温下由固体转变为粘稠状态,随温度的升高而粘度降低,当温度达到固化反应温度后,胶层发生固化交联反应,随着交联密度的增加,粘度逐渐增大直至固化。因此,需要选择适当的升温速率和加压时机,避免流胶程度过大而降低铝基板的绝缘介质层厚度,也避免流胶程度过小使绝缘介质层流胶不均或存在大量的气泡。目前,RCC胶层的熔融温度一般位于100 ℃ ~ 130 ℃,最低熔融粘度一般在140 ℃ ~ 160 ℃之间,但生产之前最好对RCC胶层树脂进行流变性测试。

(2)叠层的受力受热均匀性。在尺寸较大的板材层压过程中,铝基板叠层边缘的散热速度高于中心位置,使得中心的热量较为集中,而边缘的热量较易流失,导致RCC胶层的中心和边缘的流变行为不同步。RCC胶层中一般含有大量的导热填料,相对于覆铜板胶层的熔融粘度较大,所以在RCC中可能会出现边缘偏厚的现象。例如图4,铝基板边缘的介质层比靠近中心位置厚20μm ~30μm。一般选用优质的层压机,并优化层压程序,以减少厚度超标的边缘范围,通过后处理裁去边缘,可以保证整板的均匀性。

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图4  铝基板边缘与中心介质层厚度(厚度单位为μm)

(3)层压时真空排气的局限性。在层压过程中,层压机内一般采用真空环境,以排除气体对板材造成缺陷。但不同位置的气体的排除难度也明显不同,其中RCC树脂层和铝板之间的气体较容易排出,而RCC内部和RCC与铜箔间隙中的气体则难以排出。在RCC胶层熔融粘度较低时适当加压,可以用压力促使气泡排出。如果RCC胶层的凝胶时间较长、熔融粘度较低,则流动度一般较大,有利于排出气泡。但是,RCC流动度较大时介质层厚度的精度也会降低,选用不同的RCC时应配以适当的层压模式。

(4)加压冷却消除热应力。RCC胶层在热压过程中会发生固化交联反应。胶层的组成物由小分子或低聚物转变为具有交联网络结构的高聚物,内部结构发生了明显变化,而且现实中的化学反应不可能实现理想中的均匀一致,因此胶层中存在热应力。而且铝基板各组成部分的热膨胀系数不同,在经过热压后,各部分之间也存在热膨胀尺寸差异,导致热应力的产生。如果不能有效地消除热应力,铝基板就会出现严重的翘曲问题。加压冷却是消除铝基板中热应力的主要方法。一般的,冷却过程中的降温速度越慢越有利于消除热应力,但是可以根据铝基板组分在不同温度段的热膨胀系数设定不同的降温速率,以优化加压冷却工艺。即在热膨胀系数较大的温度段降低降温速率,在热膨胀系数较小的温度段提高降温速率。

2.4  后处理

后处理过程对铝基板的质量也是十分重要,一般包括剪边、整平、测试和贴膜。剪边可以消除大尺寸板材边缘厚度偏差较大的问题,同时去除铝基板边缘的流胶;整平是对板材翘曲的进一步修正,消除热应力作用;测试是生产管控、保证产品质量的重要环节;贴膜包装对铝基板产品进行保护,防止环境对产品的损害。

 

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总结

 

铝基板的本质是在传统覆铜板的绝缘基板中引入了导热性优良的金属铝板,其生产过程和质量管控和传统覆铜板有着许多相似之处。但也正因为结构的差异,铝基板原料中增加了RCC、铝板等特殊材料,并且比传统覆铜板更易出现电性能失效和板材翘曲等问题。因此,在铝基板的生产中应该重点关注RCC和铝板质量,关注生产过程中会降低绝缘介质层有效厚度的各种隐患,并尽可能地降低板材层压过程中热应力,避免板材翘曲等问题。

 

作者简介

杨宇、孟运东、潘宏杰:广东生益科技股份有限公司

来源:《印制电路信息》9月刊

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