2025 г. Двухслойная печатная плата на алюминиевом основании: 3 основные технические проблемы и решения (таблица полного контроля качества процесса)

Образы, адаптированные к клиентам

В секторе мощной электроники двухслойные печатные платы на алюминиевом основании стали «необходимыми компонентами» для светодиодного освещения, модулей питания электромобилей и промышленных контроллеров питания благодаря их превосходным способностям рассеивания тепла. Согласно отчету Grand View Research, объем мирового рынка печатных плат на алюминиевой основе в 2023 году достиг 1,8 миллиарда долларов, при этом на долю двухслойных печатных плат на алюминиевой основе придется 35%, а ежегодный рост составит более 25%. Однако их производительность уже давно ниже, чем у традиционных печатных плат FR4 (средний выход 75% против 90% для FR4), а узкими местами в сердцевине являются три технические проблемы: совместимость алюминиевой основы и диэлектрического слоя, термическая стабильность смол и адгезия паяльной маски. Эти проблемы не только увеличивают производственные затраты, но и создают риск выхода оборудования из строя из-за перегрева и короткого замыкания — например, автопроизводитель однажды столкнулся с отзывом тысяч автомобилей после того, как расслоение двухслойной алюминиевой базовой платы привело к сбоям в работе силового модуля электромобиля.

В этой статье будут глубоко проанализированы основные технические проблемы при производстве печатных плат на двухслойной алюминиевой основе, предложены действенные решения, основанные на лучших отраслевых практиках, а также включена таблица процесса контроля качества, которая поможет производителям повысить производительность и снизить риски.

Ключевые выводы
1. Контроль качества склеивания: применение вакуумного горячего прессования (температура 170-180 ℃, давление 30-40 кг/см²) в сочетании с плазменной обработкой поверхности может снизить скорость расслоения между алюминиевой основой и диэлектрическим слоем до уровня ниже 0,5%, что намного превышает скорость расслоения традиционного горячего прессования (3,5-5,0%).
2. Критерии выбора смолы: для сценариев средней и высокой мощности (например, светодиоды автомобильных фар) отдавайте предпочтение эпоксидным смолам с керамическим наполнителем (теплопроводность 1,2-2,5 Вт/мК); для высокотемпературных сценариев (например, промышленных печей) выбирайте полиимидные смолы (температуростойкость 250–300 ℃), чтобы избежать растрескивания при термоциклировании.
3. Предотвращение дефектов паяльной маски: алюминиевая базовая поверхность должна пройти обработку «обезжиривание → травление → анодирование». Адгезия должна достигать класса 5B (без отслаивания) при испытаниях на поперечный разрез, а диаметр точечного отверстия, определяемый AOI, должен быть <0,1 мм, что может снизить риск короткого замыкания на 90%.
4. Полная проверка качества: обязательные элементы проверки включают ультразвуковую дефектоскопию (после ламинирования), лазерную вспышку теплопроводности (после отверждения смолы) и проверку летающим зондом (для готовых переходных отверстий). Соблюдение стандартов IPC может увеличить урожайность более чем на 88%.

3 основные технические проблемы при производстве двухслойных печатных плат на алюминиевой основе
Структурная уникальность двухслойных печатных плат на алюминиевой основе (алюминиевая подложка + диэлектрический слой + двухслойная медная фольга) делает процесс их производства намного более сложным, чем у печатных плат FR4. Присущий «разрыв совместимости» между металлическими свойствами алюминия и неметаллической природой диэлектрических слоев и паяльных масок означает, что даже незначительные отклонения от процесса могут привести к фатальным дефектам.

Проблема 1: Нарушение соединения между алюминиевой основой и диэлектрическим слоем (расслоение, пузыри)
Соединение является «первым критическим препятствием» при производстве двухслойных печатных плат на алюминиевой основе, а прочность соединения между алюминиевой основой и диэлектрическим слоем напрямую определяет долгосрочную надежность печатной платы. Однако химические свойства алюминия и неправильный контроль процесса часто приводят к нарушению соединения.

Коренные причины: различия в материалах и отклонения в процессе
1. Оксидная пленка на поверхности алюминия препятствует склеиванию: алюминий быстро образует на воздухе оксидную пленку Al₂O₃ толщиной 2–5 нм. Эта пленка инертна и не может химически реагировать со смолой диэлектрического слоя, что приводит к недостаточной прочности соединения. Если не удалить полностью перед обработкой, оксидная пленка отделится от диэлектрического слоя во время термоциклирования (например, -40℃~125℃), вызывая расслоение.
2. Несоответствие КТР приводит к термическому напряжению: коэффициент теплового расширения (КТР) алюминия составляет 23 ppm/℃, в то время как у обычных диэлектрических слоев (например, эпоксидной смолы) он составляет всего 15 ppm/℃ — разница 53%. Когда печатная плата подвергается колебаниям температуры, алюминиевая основа и диэлектрический слой расширяются и сжимаются в разной степени, создавая со временем разрывающее напряжение, которое приводит к растрескиванию связующего слоя.
3. Неконтролируемые параметры ламинирования вызывают дефекты: при традиционном горячем прессовании колебания температуры (более ±5 ℃) или неравномерное давление приводят к неравномерному потоку смолы диэлектрического слоя - недостаточное местное давление оставляет пузырьки воздуха, а чрезмерная температура вызывает чрезмерное отверждение смолы (делает ее хрупкой и снижает прочность склеивания).

Воздействия: от функционального отказа к рискам безопасности
1. Нарушение характеристик изоляции: разрывы в диэлектрическом слое после расслоения вызывают электрический пробой (особенно в сценариях с высоким напряжением, таких как инверторы электромобилей), что приводит к коротким замыканиям и перегоранию оборудования.
2. Нарушение теплоотвода: основной функцией алюминиевого основания является теплопроводность. Расслоение вызывает резкое увеличение термического сопротивления (с 0,5 ℃/Вт до более 5 ℃/Вт), а мощные компоненты (например, светодиоды мощностью 20 Вт) перегорают из-за плохого отвода тепла, сокращая срок их службы с 50 000 часов до 10 000 часов.
3. Массовые потери при ремонте. Однажды производитель светодиодов столкнулся со степенью расслоения 4,8% при традиционном горячем прессовании, что привело к утилизации 5000 двухслойных печатных плат на алюминиевой основе и прямым потерям, превышающим 30 000 долларов США.

Методы обнаружения дефектов
a. Ультразвуковая дефектоскопия: с помощью высокочастотного датчика 20–50 МГц можно обнаружить расслоение или пузырьки размером более 0,1 мм в соответствии со стандартом IPC-A-600G 2.4.3.
b. Испытание на растяжение: согласно стандарту IPC-TM-650 2.4.9, прочность соединения должна составлять ≥1,5 кг/см (сила отслаивания между медной фольгой и алюминиевым основанием); значения ниже этого считаются неквалифицированными.
c. Испытание на термический удар: отсутствие расслоения или растрескивания после 100 циклов при -40 ℃ ~ 125 ℃ считается квалифицированным; в противном случае процесс склеивания нуждается в оптимизации.

Сравнение производительности различных процессов склеивания

Проблема 2: Дефекты термоциклирования, вызванные недостаточными характеристиками смолы (трещины, пузыри)
Смола действует как «мостик теплопроводности» и «структурный клей» в двухслойных печатных платах на алюминиевой основе. Однако, если его термическая стабильность и текучесть не соответствуют сценарию применения, во время обработки или использования возникнут фатальные дефекты.

Основные причины: неправильный выбор смолы и неправильный процесс отверждения.
1. Несоответствие между теплопроводностью смолы и сценарием: использование дорогих керамических смол для сценариев с низким энергопотреблением увеличивает затраты, в то время как использование обычных эпоксидных смол (теплопроводность 0,3-0,8 Вт/мК) для сценариев с высокой мощностью (например, модулей зарядки электромобилей) приводит к накоплению тепла. Смола долгое время остается в высокотемпературном состоянии (>150℃), что приводит к карбонизации и растрескиванию.

2. Необоснованная конструкция кривой отверждения: отверждение смолы требует трех этапов — «нагрев → постоянная температура → охлаждение»:
a. Чрезмерно высокая скорость нагрева (> 5 ℃/мин) препятствует своевременному выходу летучих компонентов смолы (образованию пузырьков);
b. Недостаточное время постоянной температуры (<15 минут) приводит к неполному отверждению (низкая твердость смолы, склонность к износу);
c. Чрезмерно высокая скорость охлаждения (> 10 ℃/мин) создает внутреннее напряжение, вызывающее растрескивание смолы.

3. Плохая совместимость между смолой и алюминиевой основой. Некоторые смолы (например, обычные фенольные смолы) имеют плохую адгезию к алюминиевой основе и имеют тенденцию к «разделению границ раздела» после отверждения. Во влажной среде (например, в уличных светодиодах) влага просачивается в интерфейс, ускоряя старение смолы.

Последствия: снижение производительности и сокращение срока службы.
a. Нарушение теплопроводности: производитель электромобилей однажды использовал обычную эпоксидную смолу (теплопроводность 0,6 Вт/мК) для изготовления силовых печатных плат, в результате чего рабочая температура модуля достигла 140 ℃ (превышая расчетный предел в 120 ℃), а эффективность зарядки упала с 95% до 88%.
b. Короткие замыкания, вызванные растрескиванием смолы: растрескавшаяся смола обнажает цепи медной фольги. При наличии конденсата воды или пыли это вызывает короткие замыкания между соседними цепями, что приводит к простою оборудования (например, внезапному отключению промышленных контроллеров).
d. Колебания качества партии: неконтролируемые параметры отверждения вызывают разницу в твердости смолы на 15% (проверено твердомером по Шору) в одной партии. Некоторые печатные платы ломаются во время установки из-за слишком мягкой смолы.

Сравнение характеристик различных смол (ключевые параметры)

Ключевые моменты для оптимизации процесса отверждения смолы
a. Скорость нагрева: контролируется на уровне 2-3 ℃/мин, чтобы предотвратить кипение и образование пузырьков летучих компонентов.
b.Постоянная температура/время: 150 ℃/20 минут для обычной эпоксидной смолы, 170 ℃/25 минут для смолы с керамическим наполнителем и 200 ℃/30 минут для полиимида.
c. Скорость охлаждения: ≤5 ℃/мин. Для снижения внутреннего напряжения можно использовать поэтапное охлаждение (например, 150℃→120℃→80℃, с 10-минутной изоляцией на каждом этапе).

Проблема 3: нарушение адгезии паяльной маски и дефекты поверхности (отслаивание, точечные отверстия)
Маска припоя служит «защитным слоем» двухслойных печатных плат на алюминиевой основе, отвечающим за изоляцию, устойчивость к коррозии и предотвращение механических повреждений. Однако гладкость и химическая инертность алюминиевой базовой поверхности затрудняют приклеивание паяльной маски, что приводит к различным дефектам.

Основные причины: недостаточная обработка поверхности и дефекты процесса нанесения покрытия.
1. Неполная очистка алюминиевой базовой поверхности: во время обработки алюминиевая базовая поверхность легко сохраняет масло (смазочно-охлаждающую жидкость, отпечатки пальцев) или оксидную окалину. Смола паяльной маски не может плотно сцепиться с алюминиевой основой и имеет тенденцию отслаиваться после отверждения.
2. Неправильный процесс обработки поверхности. Обычная химическая очистка удаляет только поверхностное масло, но не может удалить оксидную пленку (Al₂O₃). Адгезия между паяльной маской и алюминиевым основанием достигает только класса 3B (по стандарту ISO 2409, с отслаиванием кромок). Незапечатанные анодированные слои сохраняют поры, и смола паяльной маски просачивается в эти поры во время нанесения покрытия, образуя точечные отверстия.
3. Неконтролируемые параметры покрытия: во время трафаретной печати неравномерное давление ракеля (например, недостаточное давление на кромку) приводит к неравномерной толщине паяльной маски (локальная толщина <15 мкм), а тонкие участки склонны к разрушению. Чрезмерно высокая температура сушки (> 120 ℃) ​​вызывает преждевременное отверждение поверхности паяльной маски, задерживая растворители внутри и образуя пузырьки.

Воздействия: снижение надежности и угроз безопасности.
a. Отказ цепи из-за коррозии: после отслаивания паяльной маски алюминиевое основание и медная фольга подвергаются воздействию воздуха. При использовании вне помещений (например, печатные платы уличных фонарей) дождевая вода и соленые брызги вызывают коррозию, увеличивая сопротивление цепи и снижая яркость светодиодов более чем на 30%.
b. Короткие замыкания, вызванные точечными отверстиями: точечные отверстия размером более 0,1 мм становятся «проводящими каналами». Пыль или металлический мусор, попадающие в эти отверстия, вызывают короткие замыкания между соседними паяными соединениями — например, короткие замыкания в печатных платах электромобилей вызывают перегорание предохранителей.
в. Отказ клиента из-за плохого внешнего вида: неровные маски припоя и пузырьки влияют на внешний вид печатной платы. Производитель бытовой электроники однажды забраковал 3000 печатных плат с двухслойной алюминиевой основой из-за этой проблемы, а затраты на доработку превысили 22 000 долларов США.

Сравнение производительности процессов обработки поверхности алюминиевой основы

Ключевые моменты для оптимизации процесса нанесения покрытия паяльной маски
a. Выбор экрана: используйте полиэфирные экраны размером 300–400 меш, чтобы обеспечить равномерную толщину паяльной маски (20–30 мкм).
b. Параметры ракеля: давление 5-8 кг, угол 45-60°, скорость 30-50 мм/с, чтобы избежать пропусков отпечатков или неравномерной толщины.
c. Сушка и отверждение: двухэтапная сушка — 80 ℃/15 минут (предварительная сушка для удаления растворителей) и 150 ℃/30 минут (полное отверждение) для предотвращения образования пузырьков.

Производство печатных плат на двухслойной алюминиевой основе: авторитетные решения и лучшие практики
Чтобы решить три вышеуказанные проблемы, ведущие производители отрасли увеличили выход печатных плат на двухслойной алюминиевой основе с 75% до более чем 88% за счет «оптимизации процесса + модернизации оборудования + улучшения контроля качества». Ниже приведены проверенные и действенные решения.

Решение 1. Прецизионный процесс склеивания: решение проблем с расслоением и образованием пузырей
Основная идея: устранение оксидных пленок + точный контроль параметров горячего прессования

1. Предварительная обработка поверхности алюминиевого основания: плазменная очистка.
Используйте атмосферный плазменный очиститель (мощность 500-800 Вт, газ: аргон + кислород) для очистки поверхности алюминиевого основания в течение 30-60 секунд. Плазма разрушает оксидную пленку (Al₂O₃) и образует гидроксильные (-OH) активные группы, увеличивая силу химической связи между смолой диэлектрического слоя и алюминиевой основой более чем на 40%. Испытания, проведенные производителем печатных плат EV, показали, что после плазменной обработки сила растяжения соединения увеличилась с 1,2 кг/см до 2,0 кг/см, что намного превышает стандарты IPC.

2. Оборудование для ламинирования: вакуумный горячий пресс + мониторинг в реальном времени. Выберите вакуумный горячий пресс с системой контроля температуры PID (степень вакуума ≤-0,095 МПа) для достижения:
a. Контроль температуры: колебание ±2 ℃ (например, температура ламинирования для смолы с керамическим наполнителем составляет 175 ℃, с фактическим отклонением ≤± 1 ℃);
b.Регулирование давления: точность ±1 кг/см², с зональной регулировкой давления (краевое давление на 5% выше, чем центральное давление), чтобы избежать неравномерного потока диэлектрического слоя;
c. Контроль времени: установите в зависимости от типа смолы (например, время ламинирования 30 минут для полиимидной смолы) для предотвращения недостаточного или чрезмерного отверждения.

3. Проверка после склеивания: 100% ультразвуковая дефектоскопия
Сразу после ламинирования просканируйте ультразвуковым датчиком 20 МГц, чтобы обнаружить расслоение и пузыри. Печатные платы с пузырьками диаметром ≥0,2 мм или расслоениями длиной ≥1 мм маркируют как неквалифицированные и подвергают доработке (переплазменная обработка + ламинирование), с выходом доделки более 90%.

Случай применения
Приняв решение «плазменная очистка + вакуумное горячее прессование», производитель светодиодных уличных фонарей снизил степень расслоения двухслойных печатных плат на алюминиевом основании с 4,5% до 0,3%. Рабочая температура модулей уличного освещения снизилась со 135 ℃ до 110 ℃, срок службы увеличился с 30 000 часов до 50 000 часов, а послепродажные расходы снизились на 60%.

Решение 2. Выбор смолы и оптимизация отверждения: решение проблемы растрескивания и недостаточной теплопроводности
Основная идея: сопоставление смол со сценариями + цифровые кривые отверждения
1. Руководство по выбору смолы (по мощности/окружающей среде)
a. Низкая мощность (<5 Вт): обычная эпоксидная смола (недорогая, например, смола класса FR-4) для внутренних датчиков и небольших светодиодов.
b. Средняя мощность (5–20 Вт): эпоксидная смола с керамическим наполнителем (например, смола, содержащая 60% глинозема, теплопроводность 2,0 Вт/мК) для автомобильных фар и бытовых светодиодных потолочных светильников.
c. Высокая мощность (>20 Вт): эпоксидная смола, модифицированная силиконом (хорошая устойчивость к термическому удару) или полиимидная смола (стойкость к высоким температурам) для модулей зарядки электромобилей и промышленных контроллеров питания.
d.Высокотемпературная среда (>180℃): Полиимидная смола (термостойкость 300℃) для военного и аэрокосмического оборудования.

2. Цифровой контроль процесса отверждения. Используйте печь отверждения с системой управления ПЛК и заранее установите «индивидуальные кривые отверждения». Например, кривая для эпоксидной смолы с керамическим наполнителем:
а. Стадия нагрева: 2 ℃/мин, от комнатной температуры до 170 ℃ (65 минут);
b.Постоянная температура: 170℃ в течение 25 минут (чтобы обеспечить полное отверждение смолы);
c. Стадия охлаждения: 3 ℃/мин, от 170 ℃ до 80 ℃ (30 минут), затем естественное охлаждение до комнатной температуры.
Цифровое управление снижает колебания твердости смолы в одной партии до ±3% (проверено твердомером по Шору D), что намного лучше, чем ±10% в традиционных печах для отверждения.

3. Проверка характеристик смолы: испытание на термостойкость
После отверждения произвольным образом отберите образцы и проведите лазерное испытание на теплопроводность (в соответствии со стандартом ASTM E1461), чтобы гарантировать отклонение теплопроводности ≤±10%. Одновременно выполните испытание на термическое сопротивление (в соответствии со стандартом IPC-TM-650 2.6.2.1) — например, термическое сопротивление печатных плат электромобилей должно составлять ≤0,8 ℃/Вт; в противном случае отрегулируйте соотношение смолы или параметры отверждения.

Случай применения
Производитель электромобилей первоначально использовал обычную эпоксидную смолу (теплопроводность 0,6 Вт/мК) для изготовления печатных плат модуля зарядки, в результате чего температура модуля составила 140 ℃. После перехода на эпоксидную смолу с керамическим наполнителем (теплопроводность 2,2 Вт/мК) и оптимизации кривой отверждения температура модуля упала до 115 ℃, а эффективность зарядки восстановилась с 88% до 95%, что соответствует требованиям быстрой зарядки.

Решение 3. Оптимизация адгезии паяльной маски — решение проблем с отслаиванием и точечными отверстиями
Основная идея: прецизионная обработка поверхности + полное обнаружение дефектов
1. Трехэтапная обработка поверхности алюминиевого основания. Для сценариев с высокой надежностью (например, электромобилей, военной техники) используйте трехэтапный процесс «плазменная очистка → анодирование → герметизация»:
a. Плазменная очистка: Удалить оксидные пленки и масло (30 с, аргон + кислород);
б. Анодирование: электролиз в растворе серной кислоты (плотность тока 1,5 А/дм², 20 мин) для образования оксидной пленки толщиной 10-15 мкм (пористая структура для улучшения адгезии);
c. Герметизация: герметизация солью никеля (80 ℃, 15 минут) для блокировки пор в оксидной пленке и предотвращения просачивания смолы паяльной маски и образования точечных отверстий.
После обработки шероховатость поверхности алюминиевой основы достигает Ra 1,0 мкм, адгезия паяльной маски достигает класса 5B (ISO 2409), а устойчивость к солевому туману повышается до 500 часов без ржавчины.

2. Покрытие паяльной маски: трафаретная печать + 100% проверка AOI
a. Процесс нанесения покрытия: сито 350 меш, давление ракеля 6 кг, угол 50°, скорость 40 мм/с для обеспечения толщины паяльной маски 20-25 мкм (однородность ± 2 мкм);
b. Сушка и отверждение: предварительная сушка 80 ℃/15 минут, полное отверждение 150 ℃/30 минут во избежание образования корки на поверхности;
c. Обнаружение дефектов: используйте 2D+3D-детектор AOI (разрешение 10 мкм) для 100% проверки точечных отверстий (квалифицировано ≤0,1 мм), отслаивания (отслаивание кромок не квалифицируется) и неравномерной толщины (отклонение ≤10% квалифицируется). Некачественная продукция покрывается повторно или отправляется на слом.

Случай применения
После принятия решения «трехэтапная обработка поверхности + 100% проверка AOI» производитель наружных светодиодных дисплеев снизил скорость отслаивания паяльной маски с 8% до 0,5%, а количество точечных отверстий с 5% до 0,2%. Дисплеи проработали в условиях прибрежных соляных туманов в течение 2 лет без каких-либо повреждений из-за коррозии.

Комплексная система контроля качества для двухслойных печатных плат на алюминиевом основании (со стандартным столом)
Окончательное решение производственных проблем заключается в комплексной системе контроля качества, сочетающей в себе «предотвращение + обнаружение». Ниже представлена ​​система контроля качества, разработанная в соответствии со стандартами IPC и ASTM, которую можно внедрить напрямую.

Таблица контроля качества полного процесса (основные элементы)

Этап производства	Объект проверки	Инспекционное оборудование	Справочный стандарт	Квалификационный порог	Коэффициент проверки	Обращение с некачественной продукцией
Предварительная обработка алюминиевого основания	Поверхностная масляная/оксидная пленка	Интерферометр белого света + измеритель угла контакта	МПК-ТМ-650 2.3.18	Угол контакта ≤30° (гидрофильный, без масла); Толщина оксидной пленки ≤1 нм	100%	Повторная плазменная очистка
После ламинирования	Расслоение, Пузыри	Ультразвуковой дефектоскоп 20 МГц	МПК-А-600Г 2.4.3	Нет расслаивания; Диаметр пузырьков <0,2 мм и количество <3/м².	100%	Доработка ламината или лома
После отверждения смолы	Теплопроводность, Твердость	Лазерный тестер теплопроводности, твердомер по Шору D	АСТМ Э1461, МПК-4101Б	Отклонение теплопроводности ±10%; Твердость ≥85D	5% (выборка)	Отрегулируйте кривую отверждения, воспроизведите
После покрытия паяльной маски	Адгезия, Проколы, Толщина	Прибор для поперечной резки, 2D+3D AOI, толщиномер	ИСО 2409, МПК-А-600G 2.8.1	Адгезия класса 5В; Отверстия <0,1 мм; Толщина 20-25 мкм	100%	Повторное покрытие паяльной маски или отходов.
Готовый продукт	Через проводимость, термическое сопр Отправьте запрос непосредственно нам Отправьте заявку Телефон：001-512-7443871 Электронная почта：sales@ltcircuit.com О нас Профиль компании Экскурсия по заводу Контроль качества Карта сайта События Новости Случаи LT CIRCUIT CO.,LTD. Мы свяжемся с вами как можно скорее. Пожалуйста кратко описать ваше требование подпишите вверх Политика конфиденциальности Китай Хорошее качество Доска PCB HDI Доставщик. 2024-2025 LT CIRCUIT CO.,LTD. Все права защищены.