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高频微波印制板和铝基板

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金属铝基板 1.为什么使用金属基印制板?(1)散热性目前,很多双面板、多层板密度高、功率大,热量散发难。常规的印制板基材如FR4、CEM3都是热的不良导体,层间绝缘,热量散发不出去。电子设备局部发热不排除,导致电子元器件高温失效,而金属基印制板可解决这一散热难题。(2)热膨胀性热胀冷缩是物质的共同本性,不同物质CTE(Coefficientofthermalexpansion)即热膨胀系数是不同的

金属铝基板

 

1.为什么使用金属基印制板?

(1)散热性

目前,很多双面板、多层板密度高、功率大,热量散发难。常规的印制板基材如FR4、CEM3都是热的不良导体,层间绝缘,热量散发不出去。电子设备局部发热不排除,导致电子元器件高温失效,而金属基印制板可解决这一散热难题。

(2)热膨胀性

热胀冷缩是物质的共同本性,不同物质CTE(Coefficient of thermal expansion)即热膨胀系数是不同的。

印制板是树脂+增强材料(如玻纤)+铜箔的复合物。在板面X-Y轴方向,印制板的热膨胀系数(CTE)为13~18 PPM/℃,在板厚Z轴方向为80~90PPM/℃,而铜的CTE为16.8PPM/℃。片状陶瓷芯片载体的CTE为6PPM/℃,印制板的金属化孔壁和相连的绝缘壁在Z轴的CTE相差很大,产生的热不能及时排除,热胀冷缩使金属化孔开裂、断开,这样机器设备就不可靠了。

SMT(表面贴装技术)使这一问题更为突出,成为非解决不可的问题。因为表面贴装的互连是通过表面焊点的直接连接来实现的,陶瓷芯片载体CTE为6,而FR4基材在X-Y向CTE为13~18,因此,贴装连接焊点由于CTE不同,长时间经受应力会导致疲劳断裂。

金属基印制板可有效地解决散热问题,从而使印制板上的元器件不同物质的热胀冷缩问题缓解,提高了整机和电子设备的耐用性和可靠性。

 

 

(3)尺寸稳定性

金属基印制板,显然尺寸要比绝缘材料的印制板稳定得多。铝基印制板、铝夹芯板,从30℃加热至140~150℃,尺寸变化为2.5~3.0%.

(4)其它原因

铁基印制板,具有屏蔽作用;替代脆性陶瓷基材;放心使用表面安装技术;减少印制板真正有效的面积;取代了散热器等元器件,改善产品耐热和物理性能;减少生产成本和劳力。

 

2.简史

金属基印制板作为印制板的一个门类,60年代初开始采用,美国首创。1963年美国Ves Ierm Electrico公司作成了铁基夹芯印制板,在继电器上应用,1964年美国的金属基印制板已达到100万块。全国覆铜板行业协会编写出版的《印制电路用覆铜箔层压板》一书(2001.10)说1969年日本三洋公司首先发明了铝基覆铜板的制造技术,1974年开始应用于STK系列功率放大混合集成电路上,这一点同我查找的文献说法不一样。不管如何,是60年代美日首先使用金属基印制板的。

日本六七十年代通产省作了很多调查,认可PCB使 用面临的难题是高密度组装时,元器件装配密度高,散热性是个大问题。普通的纸质、玻璃布、环氧覆铜板属绝缘材料,热传导率小,不宜作散热用,多层板层数多、密度高、功率大时,热量必定排除不出去。因此,必须使用金属基印制板。日本住友、松下电工等公司推出了很多商品化了的金属基覆铜板。

 

 

80、90年代,金属基板在全球各国被广泛采用,估计全球金属基印制年产值约二十亿美元。日本1991年产值为25亿,1996年为60亿,2001年增长到80亿日元。美国贝格斯(Bergquist)是专门作铝基覆铜板的公司,声称每年销售这类板材3000万美元,在美国占有市场份额过一半以上。美国德克萨斯(Texax)、克里夫兰(Cleveland)TechTrade等公司对金属基板都作过很多研究,并也出有产品。中国1986年开始,由国营704厂开发了铁基覆铜板,用于军工上。但我查阅过历届全国印制电路学术会上的论文,发现最早的一篇文章是成都1010所1983年11月在第二届全国印制电路学术年会上发表的,题目是“金属基印制电路板制造工艺试验小结”,产品也是用在军品上的。相隔四后后,在1987.9成都全国印制电路第三届学术年会上电子部10所又发表另一篇论文“铝基芯印制板设计、制造和应用”,说明10所和704厂早年对铝基板都作了大量工作。

随着中国信息电子产业发展的突飞猛进,在电子、电信、汽车、摩托车、电源、音响等产品上近年来会越来越多地应用金属基印制板。由于市场、技术形势的发展,散热问题已得到了非解决不可的地步,金属基印制正可大显身手。

 

3.结构

目前市场上采购到的标准型金属基覆铜板材由三层不同材料所构成:铜、绝缘层、金属板(铜、铝、钢板),而铝基覆铜板最为常见。

 

(1)金属基材

铝基基材,使用LF、L4M、Ly12铝材,要求扩张强度30kgf/mm2,延伸率5%。美国贝格斯铝基层分为1.0、1.6、2.0、3.2mm 4种,铝型号为6061T6或5052H34。日本松下电工、住友R-0710、R-0771、AL C-1401、AL C-1370等型号为铝基覆铜板,铝基厚度1.0~3.2mm。

铜基基材,扩张强度25~32kgf/mm2,延伸率15%。美国贝格斯铜基厚度分5种:1.0、1.6、2.0、2.36、3.2mm,为C11000铜合金。

铁基基材,使用冷轧压延铜板,低碳铜,具有磁屏蔽特性,厚度0.5~1.5mm。美国贝格斯使用的是殷铜(镍铁合金)、钨金合金、冷轧铜,厚度1.0、2.3mm。

 

(2)绝缘层

起绝缘层作用,通常是50~200um。若太厚,能起绝缘作用,防止与金属基短路的效果好,但会影响热量的散发;若太薄,能较好散热,但易引起金属芯与元件引线短路。

绝缘层(或半固化片),放在经过阳极氧化,绝缘处理过的铝板上,经层压用表面的铜层牢固结合在一起。

美国贝格斯的绝缘层申报了专利,标准型的铝基板,绝缘层为75微米,而特种型的为150微米。

 

(3)铜箔

铜箔背面是经过化学氧化处理过的,表面镀锌和镀黄铜,目的是增加抗剥强度。铜厚通常为0.5、1.2盅司。美国贝格斯公司使用的是ED铜,铜厚有1、2、3、4、6盅司5种。我们为通信电源配套制作的铝基板使用的是4盅司的铜箔(140微米)。

美国提供的铝基板标准尺寸是二种:16″×19″、18″×24″。可使用面积:减一英寸。铝基面还有加与不加保护膜之分。

 

 

4.制造难点

铜厚为4.5OZ铝基板,制造上会遇到以下难点:

(1)工程设计线宽补偿:因为铜厚,线宽要作一定补偿,否则蚀刻后线宽超差,客户是不接收的,线宽补偿值要经验积累。

(2)印阻焊的均匀性:因为图形蚀刻后线路铜厚超常规,印阻焊是很困难的,跳印、过厚过薄客户都不接受。如何印好这一层绿油也是难点之一。

(3)蚀刻:蚀刻后线宽必须符合客户图纸要求。残铜是不允许的,也不能动刀子刮去,动刀子会刮伤绝缘层,引起耐压测试起火花、漏电。

(4) 机械加工:铝基板钻孔可以,但钻后孔内孔边不允许有任何毛刺,这会影响耐压测试。铣外形是十分困难的。而冲外形,需要使用高级模具,模具制作很有技巧,这也是作铝基板的难点之一。外形冲后,边缘要求非常整齐,无任何毛刺,不碰伤板边的阻焊层。通常使用操兵模,孔从线路冲,外形从铝面冲,线路板冲制时受力是上剪下拉,等等都是技巧。冲外形后,板子翘曲度应小于0.5%。

(5)整个生产流程不许擦花铝基面:铝基面经手触摸,或经某种化学药品都会产生表面变色、发黑,这都是绝对不可接收的,重新打磨铝基面客户有的也不接收,所以全流程不碰伤、不触及铝基面是生产铝基板的难点之一。有的企业采用钝化工艺, 有的在热风整平(喷锡)前后各贴上保护膜……小技巧很多,八仙过海,各显神通。

(6)过高压测试:通信电源铝基板要求100%高压测试,有的客户 要求直流电,有的要求交流电,电压要求1500V、1600V,时间为5秒、10秒,100%印制板作测试。板面上脏物、孔和铝基边缘毛刺、线路锯齿、碰伤任何一丁点绝缘层都会导致耐高压测试起火、漏电、击穿。耐压测试板子分层、起泡,均拒收。

以上说的都是单面铝铝基板制作要克服的生产和工艺上的难题。现在,一些单位作铝基芯印制板,即双面铝基印制板,及盲孔多层铝基板,用到汽车、通信、仪表行业上,这里就不逐一叙述了。

 

5.主要性能:

这是摘录的是美国贝格斯(Bergquist)铝基板的产品性能及试验条件:

上表中“中国指标”录自《印制电路用覆铜箔层压板》一书(2001.10)P373。还有,为了申请铝基板UL认证,需要花费约2.5~3.0万人民币,比通常印制板UL认证要贵得多。另外,我们曾经破坏过多个被击穿了的铝基板,查找被击穿的原因,发现绝缘介质层仅为树脂、无纤维,厚度75微米,涂覆均匀; 凡绝缘层上一丁点针孔、微粒、黑点、垃圾都是造成铝基板被高压击穿的原因,所以绝缘层涂覆的环境控制非常重要。

从上表中明显可看到,美国产品的各项指标都比国产指标要高。大概这也是国内的通信大客户至今还不认可国产铝基板材的原因之一。

基材表观:铝基上任何明显的擦痕、划伤、针孔、凹点、条纹状磨刷印都不接收。

 

6.应用和供应商:

(1)应用领域:

通信电源:稳压器、调节器、DC-AC转接器;

电子控制:继电器、晶体管基座、各种电路中元器件降温;

交换机、微波:散热器、半导体器件绝缘热传导、马达控制器;

工业汽车:点火器、电压调节器、自动安全控制系统、灯光变换系统;

电脑:电源装置、软盘驱动器、主机板;

家电:输入-输出放大器、音频、功率平衡放大,等等。

(2)供货

金属基市场在中国正在逐年扩大,国外很多电子装配商亦在国内投资建厂,商机是无限的。目前珠三角已有很多工厂作铝基板,而通信电源用的铝基板,例如艾默生 (安圣、华为)、中兴等目前还是使用进口基材,国产的价格虽便宜,但据说试过多次未有一家能认可。珠三角已有几家工厂目前到达月产几十、几百K的量,估计产量为数百平方米。在作批量生产方面逐渐积累了很多经验。

 

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