Технические проблемы в производстве двухслойных алюминиевых ПКБ: решения для надежного производства

2-layer aluminum base PCBs (MCPCBs) are the backbone of high-power electronics—from LED lighting to EV charging modules—thanks to their superior thermal conductivity (1–5 W/m·K) compared to traditional FR4 PCBs (0Однако их уникальная структура - алюминиевое ядро, прикрепленное к диэлектрическому слою, и следы меди - создают технические препятствия, которые не существуют в стандартном производстве печатных плат.дефекты смолы, а также сбои в сварных масках - это лишь некоторые проблемы, которые могут сорвать производство, снизить урожайность и поставить под угрозу надежность конечного продукта.

Для производителей и инженеров понимание этих проблем имеет решающее значение для создания последовательных, высокопроизводительных двухслойных алюминиевых ПКБ.В этом руководстве приведены наиболее распространенные технические трудности при обработке ПКБ на основе алюминия с двумя слоями., сравнивает их со стандартным производством FR4 и предоставляет практические решения, основанные на данных и лучших отраслевых практиках.Эти знания помогут вам преодолеть производственные узкие места и построить ПХБ, которые выдержат тепловое напряжение и суровые условия..

Ключевые выводы
1Неисправности связывания: Деламинирование между алюминиевым ядром и диэлектрическим слоем вызывает 35% дефектов двухслойной алюминиевой базы PCB, которые решаются с помощью точного контроля ламинации (180 ~ 200 °C,300-400 пс) и высокоадгезивные смолы.
2Дефекты смолы: пузырьки и трещины в диэлектрическом слое уменьшают теплопроводность на 40%, что предотвращается с помощью смол с высоким Tg (Tg ≥ 180°C) и вакуумного дегазирования.
3Проблемы со сварной маской: гладкая поверхность алюминия приводит к 25% более высоким показателям очистки сварной маски с использованием пылевого разбрызгивания (Ra 1,5 ‰ 2,0 мкм) и ультрафиолетовой обработки сварных масок.
4.Надежность теплового цикла:2-слойные алюминиевые ПХБ с низким температуром неисправностей в 2 раза чаще, чем FR4 в циклах от -40 до 125 °C, сглаживаются путем сопоставления коэффициента теплового расширения между слоями и использования гибких диэлектриков.
5Эффективность затрат: надлежащий контроль процессов снижает уровень дефектов с 20% до 5%, снижая затраты на переработку на $ 0,80 $ 2,50 за ПХБ в производстве большого объема.

Что такое двухслойный алюминиевый ПКБ?
Двухслойный алюминиевый ПКБ состоит из трех основных компонентов, сложенных в структуре ′′медь-диэлектрик-алюминий-медь′′:

1.Алюминиевое ядро: обеспечивает механическую жесткость и действует как теплораспределятель (обычно толщиной 0,5-3 мм, 6061 или 5052 сплав алюминия).
2Диэлектрический слой: изоляционный материал (например, эпоксидная смола, полиамид), который связывает алюминиевое ядро с медью, необходимой для электрической изоляции и теплопередачи.
3Медные следы: 1 3 унции медной фольги с обеих сторон диэлектрического/алюминиевого стека переносят электрические сигналы и мощность.

В отличие от стандартных ПКЖ FR4 (которые используют стекловолокно в качестве ядра), теплопроводность алюминиевой основы делает двухслойные ПКЖК идеальными для применения на высокой мощности (10 Вт +).Эта структура также создает уникальные производственные проблемы, поскольку свойства алюминия (высокая тепловая расширение, гладкая поверхность) вступают в конфликт с традиционными методами обработки ПКБ.

2-слойный алюминиевый ПКБ против стандартного ПКБ FR4: сравнение производства

Чтобы понять технические трудности двухслойных ПХБ на основе алюминия, важно сравнить их со стандартными ПХБ FR4, наиболее распространенным типом ПХБ.В таблице ниже приведены основные различия в материалах, процессы и проблемы:

Пример: производитель, производящий 10 000 двухслойных алюминиевых ПКБ для светодиодных драйверов, наблюдал 18% дефектных показателей против 7% для ПКБ FR4 такой же сложности.

Основные проблемы: деламинирование (6%) и очистка паяльной маски (5%).

Основные технические трудности в обработке двухслойных алюминиевых ПКБ
Производство двухслойных алюминиевых печатных плат включает в себя 5+ критических шагов, каждый с уникальными проблемами.

1. Неудача диэлектрической связи алюминия (деламинация)
Деламинация – отделение между алюминиевым ядром и диэлектрическим слоем – является технической трудностью No 1 при обработке двухслойных алюминиевых ПКБ.Это происходит, когда диэлектрик не придерживается алюминиевой поверхности, создавая воздушные пробелы, которые уменьшают теплопроводность и электрическую изоляцию.

Причины:
а.Недостаточная подготовка поверхности: естественный оксидный слой алюминия (10-20 нм толщины) действует как барьер для адгезии. Без надлежащей очистки или грубости диэлектрик не может надежно связываться.
b.Несоответствие параметров ламинирования: слишком низкая температура (≤170°C) препятствует отверждению смолы; слишком высокое давление (>450 psi) выжимает избыточную смолу, создавая тонкие пятна.
в. Влажность в смоле: водяной пар в диэлектрической смоле испаряется во время ламинирования, образуя пузыри, которые ослабляют связь.

Влияние:
a. Теплопроводность падает на 50% (например, с 3 W/m·K до 1,5 W/m·K), что приводит к перегреву компонента.
b.Электрическая изоляция отказывается при высоких напряжениях (≥ 250 В), вызывая короткое замыкание.
c.Деламинированные ПХБ имеют на 70% более высокий уровень отказов при тепловом цикле (от -40°C до 125°C).

Данные:

2Дефекты диэлектрической смолы (пузырьки, трещины)
Диэлектрический слой представляет собой клей из двухслойных алюминиевых ПХБ, но он подвержен двум критическим дефектам: пузырянию (во время ламинирования) и трещинам (во время теплового цикла).

Основные причины пузыря:
a.Увлажнение в смоле: смола, хранящаяся в влажных условиях (> 60% RH), поглощает воду, которая испаряется во время ламинирования (180°C+), создавая пузыри.
b.Недостаточная дегазация под вакуумом: воздух, удерживаемый в смоле, не удаляется до ламинирования, образуя пустоты.
c. Проблемы с вязкостью смолы: смола с низкой вязкостью течет слишком много, оставляя тонкие участки; смола с высокой вязкостью не заполняет пробелы, создавая воздушные карманы.

Основные причины трещин:
а.Железо с низким Tg: смолы с Tg <150°C смягчаются при высоких температурах (≥125°C), что при охлаждении приводит к трещинам.
b.Несоответствие CTE: CTE алюминия (23 ppm/°C) почти в два раза выше, чем у стандартной эпоксидной смолы (12 ppm/°C).

Влияние:
a. Пузыри снижают теплопроводность на 40%, в результате чего светодиодные драйверы перегреваются и преждевременно выходят из строя.
b.Разломы нарушают электрическую изоляцию, что приводит к 20% более высокому уровню отказов в области в промышленных приложениях.

Данные:

3Проблемы с сцеплением и покрытием масок
Сплавная маска защищает следы меди от коррозии и сварных мостов, но гладкая, непроницаемая поверхность алюминия затрудняет прилипание сварной маски.очистка и отверстия.

Причины шелушения:
а.Недостаточная поверхностная шероховатость: естественная Ра (0,1 ∼0,5 мкм) алюминия слишком гладка для сцепления с паяльной маской.
b.Загрязненная поверхность: масло, пыль или остаточный оксид на алюминии препятствуют склеиванию сварной маски.
c.Несовместимая сварная маска: стандартные сварные маски FR4 (составленные для стекловолокна) не прилипают к алюминию.

Основные причины отверстий:
a.Плохая толщина сварной маски: слишком тонкая сварная маска (≤15μm) при отверстии создает отверстия.
b.Воздух, застрявший в сварной маске: воздушные пузырьки в жидкой сварной маске лопнут во время ультрафиолетовой отверждения, оставляя небольшие отверстия.

Влияние:
a.Очистка подвергает корозии следы меди, увеличивая повреждения поля на 25% в влажной среде.
b.Пинхолы вызывают сварные мосты между следами, что приводит к коротким цепям в конструкциях с высокой плотностью.

Данные:

4Проблемы обработки алюминиевого ядра
Мягкость алюминия (6061 сплав: 95 HB) делает его склонным к деформации во время резки, бурения и маршрутизации.

Причины:
a.Скучные инструменты: Скучные сверла или лезвия маршрутизатора рвут алюминий вместо того, чтобы разрезать его, создавая выпучки (0,1 ∼ 0,3 мм), которые короткосвязывают.
b. Чрезмерная скорость резки: скорости > 3000 оборотов в минуту генерируют тепло, тают диэлектрический слой и связывают алюминий с инструментами.
c. Недостаточное закрепление: Гибкость алюминия вызывает вибрации во время обработки, что приводит к неравномерным краям и неправильно выровненным отверстиям.

Влияние:
a.Бурры требуют ручной очистки, добавляя $ 0,20$ 0,50 за PCB в затраты на рабочую силу.
b. Неправильно выровненные отверстия (± 0,1 мм) разрывают проходные пути, уменьшая урожайность на 8-10%.

Данные:

5. Надежность теплового цикла
Двухслойные алюминиевые ПКБ предназначены для применения при высоких температурах, но тепловой цикл (от -40 до 125 °C) все еще вызывает 30% сбоев поля.и медь.

Причины:
a.Несоответствие CTE: алюминий (23 ppm/°C) расширяется в 2 раза быстрее, чем медь (17 ppm/°C) и в 3 раза быстрее, чем эпоксид (8 ppm/°C). Это создает напряжение на интерфейсах слоев.
b.Бризкий диэлектрик: смолы с низкой гибкостью трескаются при повторном расширении/сокращении.
c. Слабые соединения через провода: провода, соединяющие два слоя меди, могут оттягиваться от диэлектрика во время цикла.

Влияние:
a.Двухслойная алюминиевая пластина для модуля зарядки электромобилей выходит из строя после 500 тепловых циклов против 1000 циклов для правильно разработанной платы.
b.Неисправности, связанные с CTE, обходятся производителям в размере 100 000 500 000 долларов США в год в качестве гарантийных требований.

Данные:

Решения для преодоления проблем с обработкой двухслойных алюминиевых печатных плат
Для решения вышеуказанных технических трудностей требуется сочетание выбора материалов, оптимизации процессов и контроля качества.
1Устранение неисправности диэлектрического и алюминиевого связей
a.Подготовка поверхности: Использование пылесоса (алюминиевой оксидной среды, 80×120 пылесоса) для достижения Ra 1,5×2,0μm. Это удаляет слой оксида и создает грубую поверхность для сцепления смолы.Затем используйте ультразвуковую очистку (60°C), 10 минут) для удаления мусора.
b.Оптимизация ламинирования:
Температура: 180~200°C (очищает смолу без сгорания).
Давление: 300-400 psi (обеспечивает полный контакт смолы с алюминием).
Вакуум: -95 кПа (удаление воздушных карманов).
c.Выбор смолы: выбирать эпоксидные смолы с силановыми стыковочными агентами (например, А-187) ∙ эти химические вещества связывают смолу с оксидом алюминия, увеличивая прочность связи на 50%.

Результат: производитель, использующий гравий + силаносоединенную смолу, уменьшил деламинирование с 12% до 2%.

2. Предотвращение пузыряния и трещин смолы
a. Контроль влажности: хранить смолу в сухой комнате (RH < 30%) и предварительно сушить при температуре 80°C в течение 2 часов перед использованием, это убирает 90% влаги.
b.Дегазирование под вакуумом: смола Дегаса при температуре -90 кПа в течение 30 минут для устранения скорости пузырьков от 18% до 5% от застрявшего воздуха.
c. Гибкие смолы с высоким Tg: используйте эпоксид-полимидные смеси (Tg ≥ 180°C, CTE 1215 ppm/°C), которые сопротивляются трещинам во время теплового цикла и сохраняют гибкость.

Результат: производитель светодиодов перешел на эпоксид-полимидную смолу с высоким содержанием Tg, что позволило уменьшить дефекты смолы с 22% до 4%.

3. Обеспечение сцепления сварной маски
а.Агрессивная обработка поверхности: комбинируйте взрыв песка (Ra 1,5μm) с очисткой плазмы (плазма кислорода, 5 минут) ≈это удаляет остаточные масла и активирует поверхность алюминия,увеличение сцепления с паяльной маской на 80%.
b.Маска для специальной сварки из алюминия: используйте маски для сварки из ультрафиолетового лечения, разработанные для алюминия (например, DuPont PM-3300 AL). Они содержат промоторы адгезии, которые связываются с оксидом алюминия.
c.Оптимальная толщина: нанесите маску сварки на 25 ‰ 35 μm (2 ‰ 3 слоя) для предотвращения отверстий ≈ обработки УФ-излучением (365 нм, 500 мДж/см2) для полного перекрестного соединения.

Результат: поставщик телекоммуникаций, использующий специальную для алюминия маску для сварки, сократил очистку с 18% до 3%.

4. Оптимизация обработки алюминия
a.Острые инструменты: используйте карбидные сверла (135° точечный угол) и заменяйте их после 300 отверстий.
b.Регулируемая скорость/подача:
Сверление: 2000-2500 оборотов в минуту, скорость подачи 0,1 мм/с.
Маршрутизация: 1500-2000 оборотов в минуту, скорость подачи 0,2 мм/с.
c.Вакуумное закрепление: закрепление алюминиевого ядра вакуумным всасыванием во время обработки ≈ устраняет вибрации и улучшает выравнивание отверстий до ± 30 мкм.

Результат: контрактный производитель, использующий вакуумные фиксаторы, увеличил производительность обработки с 82% до 98%.

5Улучшение надежности теплового цикла

a. Соответствие CTE: Используйте алюминий, покрытый медью (CCA), вместо чистого алюминия. CCA имеет CTE 18 ppm/°C (ближе к 17 ppm/°C) по сравнению с 23 ppm/°C чистого алюминия.Это уменьшает тепловое напряжение между слоями на 40%.
b.Флексибильная диэлектрическая интеграция: в диэлектрический стек включается тонкий слой полимида (CTE 15 ppm/°C), его гибкость поглощает силы расширения/сокращения.сокращение уровня трещин с 22% до 3%.
c. Укрепленная конструкция через: Использовать тепловые каналы (0,3 ∼ 0,5 мм в диаметре, заполненные меди) вокруг компонентов с высокой температурой (например, светодиоды, регуляторы напряжения).Космические проемы 2 ≈ 3 мм друг от друга, чтобы создать тепловой путь, который уменьшает через оттягивание на 60%.

Тематическое исследование: производитель модулей зарядки электромобилей перешел на ядра CCA и гибкие диэлектрики.и гарантийные претензии снизились на 75%, сэкономив 300 тысяч долларов в год..

Контроль качества: Испытание надежности двухслойного алюминиевого ПКБ
Даже при оптимизации процесса строгое тестирование имеет решающее значение для обнаружения дефектов до того, как печатные платы достигнут клиентов.вместе с критериями прохождения/отказа:​

Наилучшая практика: для производства больших объемов (10 тыс. единиц/неделю) тестировать 1% от каждой партии. Для критических приложений (например, автомобильных, медицинских) увеличить выборку образцов до 5% для предотвращения сбоев на поле.

Реальное применение: преодоление проблем в производстве светодиодных светодиодных пластин
LED-освещение является крупнейшим рынком для двухслойных алюминиевых ПКБ, на который приходится 45% мирового спроса на MCPCB (LED в 2024 году).Ведущий производитель светодиодов столкнулся с тремя критическими проблемами со своими двухслойными алюминиевыми ПКБ: деламинирование (15% дефектов), пузырьки из смолы (12%), и очистка от паяльной маски (8%).

1Раствор для деламинирования
a.Замещение химической очистки с использованием 80-гранулированного окиси алюминия (Ra 1,8μm) с последующей ультразвуковой очисткой.
b.Переведен на эпоксидную смолу с силановыми сцепляющими агентами (A-187) и оптимизированной ламинировкой: 190°C, 350 psi, вакуум -95 kPa.
c.Результат: Деламинация снизилась до 2%.

2Раствор пузырьков смолы.
a.Внедрена сухая комната (RH < 25%) для хранения смолы и добавлена вакуумная ступень дегазации (-90 кПа, 30 минут) перед ламинированием.
b.Переход от эпоксида с низким Tg (Tg 130°C) к эпоксид-полимиду с высоким Tg (Tg 190°C).
c.Результат: пузырьки упали до 3%.

3. Раствор для стерилизации маски
a. Использовано очистка кислородной плазмы (5 минут, 100 Вт) после разбрызгивания песка для активации алюминиевой поверхности.
b.Принята специальная для алюминия маска для сварки с ультрафиолетовым отвержением (DuPont PM-3300 AL), применяемая при толщине 30 мкм.
c.Результат: сокращение шелушения до 1%.

Окончательный результат
a.Общий уровень дефектов снизился с 35% до 6%.
b.Стоимость переработки снизилась на 1,20 на ПКБ,это позволило сэкономить 120 000 единиц в год (100 000 единиц в год).
Срок службы светодиодных ламп увеличился с 30 000 до 50 000 часов, что соответствует стандартам безопасности EN 62471 для коммерческого освещения.

Анализ затрат и выгод: инвестиции в оптимизацию процессов
Многие производители не решаются инвестировать в взрыв песка, высоко Tg смолы или специализированные испытания, беспокоясь о первоначальных затратах.Ниже приведено распределение затрат и выгод для производственной линии на основе алюминиевых печатных плат с двумя слоями мощностью 100 тыс. единиц в год:​

- Что?
Ключевое понимание: оптимизация процессов окупается за 2 ¢ 3 месяца для линий с большим объемом.5 тыс. в год) но все же оправдывают инвестиции, особенно для критически важных приложений, таких как автомобильная или медицинская промышленность..

Часто задаваемые вопросы о переработке двухслойных алюминиевых пластин
Вопрос 1: Какой лучший алюминиевый сплав для двухслойных MCPCB?
A: 6061 алюминий является отраслевым стандартом, который сочетает в себе теплопроводность (167 Вт/мкк), обрабатываемость и стоимость.имеющий лучшую коррозионную стойкость- Избегайте чистого алюминия (1050 сплав) - он слишком мягкий и подвержен деформации.

Вопрос 2: Могут ли двухслойные пластинки на основе алюминия использовать сварку без свинца?
О: Да, но безсвинцовая сварка (например, Sn-Ag-Cu) имеет более высокую температуру плавления (217°C) чем свинцовая сварка (183°C).
Используйте диэлектрик с высоким Tg (Tg ≥ 180°C), чтобы выдержать температуру обратного потока.
Передварительно нагревать ПХБ медленно (2°C/сек) во время повторного потока, чтобы избежать теплового шока.

Вопрос 3: Какой толщиной должен быть диэлектрический слой для двухслойных ПКБ на основе алюминия?
О: 0.1 ≈ 0.3 мм идеально подходит. Тонкий диэлектрик (< 0.1 мм) снижает сопротивление изоляции (риск короткого замыкания), в то время как более толстый диэлектрик (> 0.3 мм) снижает теплопроводность на 30%.Для применения на высоком напряжении (≥ 500 В), используют диэлектрик длиной 0,2 ‰ 0,3 мм для соответствия стандартам изоляции IEC 60664.

Вопрос 4: Какова максимальная плотность мощности, с которой могут справиться двухслойные пластинки на основе алюминия?
Ответ: Обычно 5 ‰ 10 Вт/см2 ‰ 3 раза выше, чем ПХБ FR4 (1 ‰ 2 Вт/см2).2-слойный MCPCB с 2-миллиметровым алюминиевым ядром иДиэлектрик.2 мм может обрабатывать 8 Вт/см2 для светодиодов.

Q5: Как я могу выбрать между эпоксидным и полиамидным диэлектриком для двухслойных алюминиевых ПКБ?
A: Использовать эпоксид для затратно-чувствительных низкотемпературных приложений (≤125°C), таких как потребительские светодиоды.Использовать полимид или эпокси-полимид смеси для применения при высоких температурах (≥ 150°C) или в суровых условиях (автомобильные), промышленных), где гибкость и термостойкость имеют решающее значение.

Заключение
Двухслойные пластинки на основе алюминия обеспечивают непревзойденные тепловые характеристики для высокопроизводительной электроники, но их уникальная структура вызывает технические проблемы, которые не решаются стандартным производством FR4.Деламинирование, дефекты смолы, обесцвечивание сварной маски и сбои теплового цикла являются распространенными, но не непреодолимыми.

Инвестируя в оптимизацию процесса, для подготовки поверхности, гибкие смолы с высоким Tg, специальные паяльные маски на алюминий,и строгих испытаний производители могут сократить уровень дефектов с 20% до 5% или даже нижеПервоначальные затраты на эти улучшения быстро компенсируются экономией на переработке, металлолом и гарантийных претензиях.

Для инженеров и команд по производству ключевым является то, чтобы рассматривать эти проблемы не как барьеры, а как возможности для создания более надежных продуктов.Хорошо обработанный двухслойный алюминиевый ПКБ не только лучше рассеивает тепло, но и более долговечен., работает последовательно и соответствует строгим стандартам таких отраслей, как автомобильная промышленность, светодиодное освещение и промышленная электроника.

По мере роста спроса на высокопроизводительную, миниатюризированную электронику, освоение обработки двухслойных алюминиевых пластин станет еще более важным.Эти ПХБ будут и дальше выбираться для применений, где тепловое управление и надежность не подлежат обсуждению..