PCB铝基板-多层板工艺制程技术详解

多层板
铝基板
铝基板PCB

2023-11-22 10:15:31

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PCB铝基板是一种金属线路板材料，由导电层、导热绝缘层及金属基板三层组成，具有耐高温、导热性良好、机械强度高等多种优异性能。铝基板按半层分类分为单层和多层板。

一、铝基板设计规范

1、合理的布局是便于生产加工,可以提高加工效率和产品的直通率PCB加工工序合理。

2、PCB板的布局应使加工效率最高，常用的6种PCB板生产加工流程。

二、铝基板分类详细解说：

1、铝基板分类：按照线路图形的层数和金属基材的位置可分为：

⑴单面铝基板

⑵双面夹心铝基板

⑶.双层铝基板

⑷.多层夹心铝基板

⑸.多层铝基板

2、多层铝基板组成材料

⑴.各种基本材料热阻比较

FR4 0.2 W/mC (0.005 W/in. C)

半固化片 4.0 W/mC (0.102 W/in. C)

铝 190.0 W/mC (4.826 W/in. C)

铜 390.0 W/mC (9.906 W/in. C)

以0.008″厚的材料为例，1inch²的面积上温度变化如下：

FR-4 1.6 C/W

半固化片 0.078 C/W

铝 0.0017 C/W

铜 0.00081 C/W

半固化片（B-阶预固化）是一种在室温下性能稳定、填充了陶瓷的环氧树脂产品。半固化片用

垫片保护，层压之前必须去除保护垫片。可提供的半固化片厚度为6-12mil，整板尺寸为18* 24″。

推荐戴胶手套操作以消除材料污染物对皮肤的伤害。

半固化片在温度为5-20℃、湿度为 50%以下的条件下可存放6个月或更长时间。

⑶、双面芯板

可提供的双面芯板的尺寸为18*24″。这种材料与多层板薄芯板的处理方式相同。必须通过锔板来矫正翘曲度、减小环氧介质层断裂。

双面芯板的储存条件为15-23℃、40-60% RH。

⑷、单面铝基板

单面铝基板是一种铜箔为1-6OZ、半固化厚度为6-12mil、铝基厚度为40-125mil的单面层压板。可提供的板材尺寸为18*24″，根据需要铝面可有保护膜，但生产制程中高于105℃/10min的锔板条件必须去掉保护膜。制程中图形制作前必须避免铜面污染，生产过程中推荐戴手套操作以减小锋利边缘造成的擦花，同时避免层压前油迹等污染基板表面。

三、多层铝基板生产流程详解

板面预处理→第一次钻孔→孔化→内层图形制作→图电/蚀刻→层压→第二次钻孔/冲孔→阻焊制作→表面涂覆→成型→测试→FQC、FQA/包装

1、板面预处理

⑴. 在对铝基板进行孔加工时，应根据其特性和要求选择合适的加工方式。钻孔和冲孔是两种常用的方法，但它们的进给速度和转速与FR-4板材不同，因此需要根据基材进行调整。一般来说，钻孔的进给量为1-1.5mil/rev，转速为20000-60000RPM，每叠1-4PNL根据板材厚度不同。而冲孔则需要使用特制的模具来满足金属冲孔的需求。

⑵. 在制作铝基板的过程中，由于图形在层压和蚀刻过程中会受到不同程度的收缩和侧蚀，因此需要进行相应的补偿。对于18*24″的双面芯板，当铜箔厚度为3OZ、半固化片厚度为8mil/1KA时，补偿情况如下：

X轴（18″方向）补偿系数为0.038%

Y轴（24″方向）补偿系数为0.05%

需要注意的是，X轴和Y轴的补偿系数存在差异，这主要是由于半固化片中104布的缘故。当铜箔厚度不同时，补偿系数应作相应调整，同时线宽、焊盘等也应进行相应补偿。所有补偿都应在菲林光绘前进行。

2、第一次钻孔

⑴. 在对铝基板的内层芯板进行钻孔时，应参照FR-4板材的钻孔参数进行操作。为确保孔内清洁和碎片清除，需要确保足够的真空度和压力脚。

⑵. 对于93 mil的孔径，有效的钻孔数目控制在1000~1500个之间。若孔径大于93 mil，有效的钻孔数目则为500~1000个。对于钻嘴磨损情况，必须实施有效的管控。

⑶. 针对钻孔后的清洁工作，只要能够满足薄芯板板面清洁的要求，任何去毛刺和清洁的方法都是可行的。

3、孔化

⑴、板面清洁/去钻污：在准备孔化操作之前，必须对板面进行清洁和去钻污处理。以下是两种可供选择的方法：

Ⅰ. 使用等离子体设备进行去钻污处理。这种方法的优势在于能够有效地清除板面的杂质和污染物，同时减少对环氧树脂的攻击。但是，操作时需要按照正确的参数进行，以确保效果达到最佳。

Ⅱ. 采用化学方法，使用KMnO4进行去钻污处理。这种方法的优点是操作相对简单，但需要严格控制化学试剂的使用量，以减少对环氧树脂的损伤。同时，为确保安全操作，工作人员需穿戴好相应的防护设备。

无论是采用哪种方法，需要特别注意的是除胶量必须控制在普通FR-4板除胶量的50%以内。这可以通过合理控制除胶时间来实现，以确保不会对板面造成过多的损伤。

⑵、孔化方法：内层芯板的孔化方法有多种选择，以下是两种推荐的孔化方法：

Ⅰ. 化学沉铜法：无论是低速、中速还是高速化学沉铜法，都能够满足要求。在操作前，推荐先进行测速实验和背光试验，以确保品质达到预期。同时，由于内层芯板相对较薄，操作时需特别小心，以防止板面发生弯曲或折断等情况。

Ⅱ. 直接电镀法：这种方法完全可以满足要求，但在批量生产前建议进行背光试验和可靠性试验，以确保安全和品质。

4、内层图形制作

⑴、干膜：使用1.3-2.5mil的水溶性光致抗蚀干膜，注意贴膜速度要较慢一些，以确保板面温度达到正常的贴膜温度。这样可以保证干膜在板上粘贴的稳定性和附着力。

⑵、湿膜：选用湿膜光致抗蚀剂，并在印刷前务必彻底清洁板面，以避免残留物对光致抗蚀剂的影响。在蚀刻过程中，使用双面印刷湿膜可以有效保护金属基板，避免被蚀刻液侵蚀。接下来，需要按照正确的参数进行锔板、曝光、显影等操作，以确保湿膜在板上成像的准确性和质量。这些步骤完成后，就可以进行后续的加工或者使用。

5、图形电镀/蚀刻

湿流程是芯板制作中最为困难的部分，插架、搬运、运输等操作对薄芯板而言都是一项重大挑战。

⑴、图形电镀：双面芯板适用于酸性镀铜和镀锡工艺。

在制作过程中，如果使用双面芯板进行图形电镀，可以同时进行两面金属化处理，提高生产效率和产品质量。

⑵、退膜/蚀刻：基材不会与氨合氯化铜或三氯化铁蚀刻液起反应。蚀刻过程应根据铜箔厚度调节速度，同时采取降低蚀刻喷淋压力或制作牵引板的方法保证芯板能顺利蚀刻。

这一步确保了芯板表面能够均匀地进行蚀刻处理，避免基材受到化学物质的攻击。同时，根据铜箔厚度调节蚀刻速度可以保证芯板在蚀刻过程中的稳定性，降低不良率。

⑶、退锡：退锡有两种方法：一种是插架、浸泡、水洗，由于手工操作的局限性，再加上可能对基板的过度攻击，因此这种方法不是最佳选择；另一种是采用水平机的方式退锡，这种方式适合量产，并且品质稳定。

使用水平机退锡可以避免手工操作的误差和过度攻击基板的问题，提高生产效率和产品质量。

⑷.蚀刻后清洗：通过机械磨板或化学清洗的方法清洁铜面方便后工序的阻焊制作。320#的磨刷已经足够，如果条件允许也可采用浮石粉刷。水膜试验应保证30S水膜不破。

清洁铜面是制作过程中的重要步骤之一，可以确保后续工序如阻焊制作的顺利进行。使用机械磨板或化学清洗的方法可以有效清洁铜面，同时使用300#的磨刷已经足够。如果条件允许，采用浮石粉刷可以更好地清洁铜面。水膜试验可以检测铜面的清洁程度和表面张力，确保水膜不破裂。

⑸.铜面粘结力的提高：层压前需要提高铜面的粘结力，可通过氧化处理，包括黑化、棕化或其它化学方法满足要求。之后建议锔板以除去板内潮气，150℃/30min已经足够。

提高铜面的粘结力是层压前的重要步骤之一，可以通过氧化处理来实现。氧化处理包括黑化、棕化或其它化学方法，可以增加铜面的表面能，提高与树脂的粘结力。进行氧化处理后建议进行锔板操作以除去板内潮气，温度为150℃下保持30分钟已经足够。这样可以保证层压过程中的质量和稳定性。

6、层压

层压建立起多层铝基板完整的机械性能和电性能。下面的介绍将有助于确保一致的板面特性，甚至是邦定线和良好的最终测试结果。下面的压板程序只是一个起点，随着经验的增加，你将会找到更好的方法和对程序的调整。

⑴.材料和基板准备：铝基可用配备240~320#磨刷的磨板机去毛刺。水洗和烘干必须充分。应确保铝面30S水膜不破。铜箔需要提高粘结力、增加表面积以便半固化片能粘牢。黑氧化、棕氧化和其它氧化都能够满足要求。锡和硅烷化锡处理也可以。层压前所有的板子必须干燥和远离污染。

⑵.层压准备：

Ⅰ.基材可通过机械或化学的方法处理。层压前板子必须洁净和干燥。铝面必须确保30S水膜不破。

Ⅱ.清洁和准备压盘：要检查凹痕、凹点、树脂粉和板面不规则。有问题的压盘不能使用。

Ⅲ.半固化片、钢板、牛皮纸和铜箔的数量和尺寸要正确。

⑶.叠板顺序自下至上如下：

⑷.半固化片阻流程序：

Ⅰ.用比板面小600 mil的半固化片；

Ⅱ.去掉半固化片一面的缓冲垫片；

Ⅲ.以中心为基准，把半固化片去掉垫片的那面贴放在铜箔或基材上，在板边缘留下连续平滑的边界；

Ⅳ.用250 mil玻璃增强胶带贴住边界，小心操作不能有任何重叠和缝隙。板边的安全胶带通过缠绕或用力地压确保粘结良好。

Ⅴ.小心去掉半固化片上面的缓冲垫片；

Ⅵ.现在准备继续叠板。

⑸.压板程序：下面是双面芯板或其它PCB板与金属基板用半固化片粘结的层压周期。

⑹.拆板、去除环氧树脂：板子卸载必须小心操作，检查板面需沉铜区域是否有过多的环氧树脂。环氧树脂可以通过机械、化学或等离子体技术去除。等离子体和和机械方法被证明是最为一致的、对金属基材没有损害的方法。

⑺.后锔：层压后的板子必须在175℃下后锔1-1.5小时以确保完全固化和消除材料应力。这是一个选择性制程，并非一个强制步骤。

7、层压后钻孔/冲孔和第二次钻孔

层压后环氧树脂完全固化、板面环氧树脂去除完毕后准备进行第二次孔加工。这个操作涉及金属基复合材料的机械加工，对PCB的结构是一个挑战。操作的时候要小心，特别是定位精度和加工孔的质量。

⑴.钻靶位孔：这是层压后最常用的定位方式。由于金属基材方面的原因，钻孔的破坏性要小于冲孔。用1-1.5mil/rev的给进速度、24000~30000RPM的转速。需要较强的真空度吸取孔内的碎片、钻污，并有效冷却钻头。钻速和转速要和金属去除装置匹配。推荐使用较低的碎片负载和较慢的转速。

⑵.冲定位孔：有时候没有办法钻靶位孔，可以采用冲孔的方法定位。必须注意金属基材的冲板压力要大于典型的FR-4多层板。

⑶.第二次钻孔或冲孔

Ⅰ.第二次钻孔：用1-1.5mil/rev的给进速度、24000~30000RPM的转速。需要较强的真空度吸取孔内的碎片、钻污并有效冷却钻头。如果钻头锋利、没有毛刺产生的话最多每叠可放4PNL板。需要用盖板和硬的垫板减小毛刺。

Ⅱ.冲孔：与钻孔类似需要结构良好的模具确保孔的质量。

8、阻焊制作

阻焊油墨在PCB产品上应用已久，一致、清洁的外观是铝基板制作的关键因素。有些客户把阻焊当作涂覆层和电绝缘层。阻焊制作需要一个清洁的表面，320#的机械磨刷、浮石粉刷或化学清洗等方法处理都可以。阻焊制作有4种主要方法：

⑴.液态光致抗蚀剂，即感光绿油：感光绿油是最常用的阻焊制作方法。通过丝网印刷、喷涂或帘涂等方法都可得到满意的结果。较厚的铜箔需要两次印刷确保完全覆盖和线路、铜皮拐角处足够的绿油厚度。

⑵.热固油墨：热固油墨的使用历史在几种油墨中最长。由于感光油墨和UV固化油墨的优势，使得热固油墨的用量不是很大。但是如果铜面处理和固化时间控制得比较好的话仍然能够取得较好的效果。最常用的热固油墨是不论是一种或两种组分，其罐装保质期都值得考虑。

⑶.UV固化油墨：在大量的单面板制程中UV固化油墨的使用仍然相当广泛。除非铜面处理的非常好，否则较低的附着力仍是一个主要缺陷。UV油墨也会产生“halo”效应，或在焊盘、焊环边缘产生掉油。因此不推荐使用。

⑷.干膜阻焊：由于精度增加和操作相对容易，干膜阻焊在过去的12~15年已经被应用到高密度PCB上。在某些方面这种阻焊制作是一个不错的选择，但对于普通的PCB板则不建议使用。

9、表面涂覆

为了便于元器件的组装，裸露的铜箔表面必须经过处理以保证足够的可焊性、良好的粘结力和全面的制造性能。主要讨论四种表面涂覆方法：HASL、OSP、Sn和Ni/Au；

⑴.HASL：热风整平是目前金属基板表面涂覆的优先选择。不论水平喷锡还是垂直式喷锡都可以，但喷锡时铝面的保护膜要去掉。前处理、上松香和后处理按常规参数操作。必须增加在锡炉里的浸锡时间使板面达到适宜温度。这意味着要降低机器的生产效率以便锡炉恢复温度。金属基材充当了散热管的作用，因此需要增加浸锡时间。后处理前铝面会有黑色或浅灰色的污迹，可用磨刷处理。

⑵.OSP：采用OSP工艺时需要用保护膜保护铝面，使其免受药水污染。OSP膜的储存期在3周~3个月，已过防氧化的板子需要小心处理。也有一些OSP产品可以不用保护膜，因为铝基不会溶解在药水中。

⑶.浸Sn或化学沉Sn：浸Sn或化学沉Sn时必须采取类似于OSP工艺的措施，把铝面用保护膜保护起来，使其免受药水污染。同OSP膜一样，化学沉Sn的储存期为1~6个月。化学沉Sn过的板子必须小心处理。

⑷.化学Ni/Au：化学Ni/Au广泛应用于线路邦定方面。球状邦定、超声焊接、热感焊接、楔形焊接等技术都需要化学Ni/Au面焊接。大多数质地较硬的低磷、中磷镍都需要很纯的软金作为顶层。每个客户都会有不同的要求，可以根据不同要求来调整生产参数。

10、成型

⑴.锣：锣主要用于小量到中量板的生产。为了取得最好的效果，需要选择正确的工具，并配备水溶性喷雾型Cutting Fluid。必须采用便于金属去除的双排污槽的锣刀。可采用直径为93-125mil的锣刀，转速为18000~24000RPM，给进量为1.5-3mil/rev，行进速度为22-40″/min。Megatool、Tulon和其它的锣刀供应商都可提供合适的产品。需要足够的真空度和Cutting Fluid来维护锣刀的寿命，同时减小毛刺。视情况每叠1~4PNL工作板。

⑵.V-Score：铝基板成品是方形、没有圆角时采用V- Score是流行和经济的方法。小量到大量板都可采用V- Score的方法。最少的参数设定时间和较高的生产效率使其成为合理的选择。单片和叠片都可以采用V- Score的方法。采用碳化物或金刚石的刀刃都可以。使用金刚石刀刃要特别小心操作，确保使用较长的寿命。采用24~55牙的碳化铁涂层的氮化锆刀刃，给进速度为10~25FPM，转速为2500~6000RPM。推荐使用水溶性Cutting Fluid，V-Score深度增加至余量为0.008″~0.012″时将减少毛刺。

⑶.冲：铝基板可采用单冲或多次冲模具，需要特殊的模具方能满足要求。铝基板中的填料将不会磨损磨具，实际上起到润滑剂的作用。

11、测试

由于金属基板的性质，大多数最终用户都要求高压测试以确保线路图形与基板绝缘。有多种工装结构及多种类型的设备来完成测试。

⑴.E-test：标准的E-test工装便于连续性的开短路测试。网络测试确保100%的电性能完好。可用通用的测试机或飞针测试机进行测试。

⑵.Hipot-test：利用带弹性钉的工装进行高压测试。利用网络列表数据，每个网络选择1~2点与整个铜箔连在一起，采用500~2500VDC的电压在1min内进行低电流绝缘测试。金属基板接地，在上升到最终测试电压的过程中可以探测到最小漏电电流。需要5~10S的上升过程来消除绝缘介质层形成的电容所引发的假失败。每一片需要10S~1min的测试时间。