鋁基印制板的成型及壓板翹工藝

林 海

（梅州科捷電路有限公司，廣東 梅州 514000）

1 概述

眾所周知，鋁基印制板的制作工藝與傳統(tǒng)的FR-4有所不同，鋁基印制板翹曲度，在很大程度上依賴于成型工藝的控制，成型的質量直接影響到成品板子的尺寸和翹曲度，也是鋁基板整個生產(chǎn)流程較難控制的工藝之一，我公司對于鋁基板的沖板工藝和反翹工藝控制的體會。

2 成型工藝

目前，在業(yè)界鋁基板成型的四種方法，分別為：銑外型、切割、剪外型、沖外型，其中批量生產(chǎn)最通用也是最快捷的方法是沖板的方式（即沖外型）。由于其具有精、準、快的優(yōu)點，所以一直以來常被鋁基板生產(chǎn)廠家廣泛采用，但是沖模的設計方法會直接影響到?jīng)_板后的翹曲度，沖外型后，金屬基板平整度仍不符合要求，這些板子應如何來處理呢？這就關系到一個反翹曲模具的設計了。

2.1 沖板設備的選擇

沖板設備一般采用較大噸位的機械沖床，為了解決由于印制板在預熱條件下沖切時其孔的徑向收縮率較大，而沖頭產(chǎn)生緊密咬合造成脫料困難的問題，現(xiàn)業(yè)界在60 T以上的沖床均裝有液壓卸料或機械輔助脫料裝置，其沖力及脫料力的計算方法如下：

沖切力P沖＝1.3StT0（N）

S——沖切周長（mm）；

t——板材厚度/mm；

T0 ——板材抗剪強度，N/mm2；

1.3 ——沖床安全系數(shù)。

脫料力P＝(0.2～0.3)P沖(N)

｛(0.2～0.3)——脫料系數(shù)｝。

沖床的種類按照沖次（即速度）可以分為三類：普通沖床（速度在100次以下）；小高速沖床（速度在200～400次左右）；高速沖床（速度在500次以上）。按照動力方式分三類：氣壓沖床（氣壓驅動，做小噸位，10T以下的）；液壓沖床（油壓驅動，做大噸位的）機械沖床（電動機驅動，適合做任何噸位的）。在通常情況下沖鋁基板一般選擇小高速以上的液壓或機械沖床，生產(chǎn)鋁基板的沖床噸位包括45T、63T、100T、110T等，全是高速液壓和機械式類型，根據(jù)不同客戶不同大小的板子利用公式計算選擇相適應噸位的沖床。

2.2 模具的設計

模具制作對于整個沖板過程起著決定性的作用，其制作方法與通常沖FR-4板料的工藝有所不同，在上世紀90年代由于當時大家所用到的鋁基板只是起著一個散熱作用，而其它基材結構因素未能考慮在內，例如銅厚、介質層厚度、介質層材料耐壓等等，因此人們通常采用與FR-4相同模具沖板。隨著高頻技術的不斷發(fā)展，人們所需求的不單是高速散熱的性能，還講究具備高頻傳輸中所需要的大功率電源，并且具備了電絕緣性和耐電壓性、高溫及高濕可靠性、耐沖擊性和耐熱性等特點，因此對于鋁基板的介質層材料有了一個更高更特殊的要求，而且介質層厚度越來越薄，導致對于沖模的設計也是一個考驗，如果按通常的設計方法進行沖板，那么會帶來壓傷線路、阻焊及介質層（如下圖），造成高壓測試閃火被擊穿等問題：

（1）壓傷（圖1）：

圖1

（2）壓傷鋁基板在過高壓測試時被擊穿（圖2）：

圖2

原因分析：

由于傳統(tǒng)模具的制作上模是一個平整的表面，沖板時所有的沖力都作用于板面，沖板受力是上剪下拉，并且一般鋁基板的銅厚都比較厚，而銅厚越厚它與介質層接觸的一面粗糙度越大，因此當受到重力沖擊時容易刺穿介質層造成同鋁基層短接（圖3）。

改善方案：

以上問題出現(xiàn)原因有兩點，一是模具設計合理性，另一是印制板的線路設計合理性，任何一方面設計上存在問題都有可能導致問題發(fā)生，因為板子受到強大的機械壓力會引起很薄的絕緣層結構（例如50μm、70μm）發(fā)生變化，也可能會導致絕緣層開裂。為此，需作如下兩方面的改進：

（1）更改模具的設計

為避免板子線路接觸到強大的沖模壓力，必須在上模芯表面中間的位置掏空。掏空的方法是用電火花蝕去，四邊遺留一定的位置（如4圖），將其下沖壓力作用于無線路區(qū)域，從而減緩脫膜時鋁基板四周阻力大，力的作用點集中在中間，避免板中間凸起來的問題。注意不同銅厚所掏空的高度都不同，具體高度數(shù)值計算為線路銅厚加上0.13 mm（5 mil）的空間。

圖3

（2）更改板子的線路設計

由于掏空過的上模芯的力量在沖板時全部作用于板邊，因此對于板邊的遺留寬度尺寸具有一定的要求，不能太小，具體的尺寸與鋁基的厚度有直接的關系，尺寸遺留值為鋁基的厚度加0.5 mm，加0.5 mm的原因是考慮到線路邊阻焊油墨層厚度及沖床定位精度偏差（如圖5）。

圖4

圖5

2.3 沖模的調試

模具做好后安裝前調試也是做好鋁基板的關鍵步驟，鋁基板沖模的調試與FR-4、CEM3板子的沖模要求是不同的，沖模調試不好，帶來的問題是外形的孔邊毛刺、邊緣掉阻焊、公差超標、翹曲度超標、孔邊掉阻焊等（如圖6、圖7），因此在安裝調試前必須檢查沖床的沖裁力、剛性是否足夠；模具設計是否合理、剛性是否足夠；凸、凹模及導柱、導套的加工精度是否達到、安裝是否同心、垂直；凸、凹模刃口不允許圓角、倒角；凸模不允許有錐度、推料板和打料桿是否合理等也是鋁基板沖板缺陷分析時要考慮的因素。

圖6

圖7

沖模調試重要一環(huán)是找出上模與下模之間最佳配合間隙，而凸模與凹模刃口之間的間隙是影響沖裁件斷面質量的重要因素。合理間隙的理論計算依據(jù)是在斷裂分離的起始階段，材料在凸模與凹模刃口處產(chǎn)生的裂紋成直線會合；配合間隙是否均勻、凸、凹的間隙過小或過大都會產(chǎn)生質量缺陷，這幾項是模具設計、加工、調試、使用中需要綜合考慮的問題。此外，板厚問題同樣需要考慮，不同鋁基板的板厚具有不同相對應的上下模之間的間隙，下面是一個板厚與上下模間隙的比例圖示（圖8）。

圖8 間隙與板厚的關系

3 壓板翹工藝

隨著通訊產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，對加工完成的鋁基印制板翹曲度要求很苛刻，通常要求0.5%，有的客戶要求0.2%，0.15%，甚至是+0-0.15 mm。翹曲方向只能線路面凹下去，而絕對不允許鋁基面呈凹型，因為只有鋁基面稍為凸起，熱量才能散發(fā)出去，若呈凹型，熱量會集中在凹處，會導致燒壞部分元器件。有些客戶對于鋁基板翹曲度有特定的要求，完全平整不可以，翹曲度太大同樣不允許，檢查平整度，若客戶要求翹曲度≤0.2%，且翹曲部位鋁基面積只許凸，不許凹，凡不合格的印制板判作報廢。

3.1 板翹原因

鋁基印制板PCB的彎曲、扭曲及平整性同所使用沖剪、切割等機械加工工具的結構有關，同電路層、絕緣導熱層及金屬基層不同的膨脹系數(shù)有密切的關系，由導電層（銅箔）與金屬基層（鋁板）厚度的比率確定，比率越大，彎曲程度越大。因電路層（銅箔）與金屬基層之間的膨脹系數(shù)的差異，鋁基PCB板總有某種程度的彎曲。其彎曲程度也取決于保留在PCB板上銅的數(shù)量和線路的寬度，如果線路很窄，因膨脹系數(shù)引起的應力就會消化在絕緣導熱層中。一般情況下銅的熱膨脹系數(shù)是17.2μm/m·℃，而鋁的熱膨脹系數(shù)是23μm/m·℃。

3.2 壓板翹方案

鋁基板板翹曲幾乎是所有生產(chǎn)廠家經(jīng)常遇到的一個難題，人們在尋找預防板翹措施的同時不斷地尋找一些補救方案，也就是鋁基板的壓板翹方法，用機器壓平客戶是不接受的，因為以強大的機械壓力壓平板子會引起很薄的絕緣層結構發(fā)生變化，可能會引起絕緣層發(fā)生開裂，最終造成高壓測試失敗，我們通過不斷試驗，總結出如下2種方法對翹曲度不合格的鋁基板作板翹處理。

3.2.1 滾輪壓翹板法

此方法是采用普通的壓板翹機（如圖9），具有方便、快捷的優(yōu)點，經(jīng)過壓板翹的板還要將其模仿過回流焊檢測板翹效果。這種方法可以達到預定的效果，但是只能針對于一般的鋁基板。但這種方法具有一定的隱患,可能會對部分鋁基板的介質層產(chǎn)生破壞作用，導致板面有裂開的現(xiàn)象（如圖10），后續(xù)的耐高壓測試通不過，而且在經(jīng)過回流焊后容易反彈。通常不建議使用此方法

圖9

圖10

3.2.2 模具整平法

對于一些較薄介質層、厚銅及厚鋁的板子采用滾輪壓翹的方法是難以實現(xiàn)整平的效果的，需要采用一種特制的模具對已經(jīng)沖出的板進行整平。這種模具的上模為一塊特殊的高彈力橡膠，帶有一定的弧度，凸形表面，該凸形的弧度根據(jù)不同客戶的不同要求而制定，下模是一層特殊的鋼材，帶有一定弧度，凹形表面，該凹形的弧度與上模凸形的弧度相同（如圖11）。

圖11

此方法經(jīng)過我們無數(shù)次的試驗，雖然效率比滾輪法慢，但是它可以根據(jù)不同客戶的不同要求進行設計，而且整平效果穩(wěn)定，在貼裝后過回流焊仍能達到客戶的要求，我們認為這是目前鋁基板整平最有效的一種方法。

4 小結

經(jīng)過多年的實踐，鋁基印制板的成型工藝，直接與板子線路和沖模的設計、模具的調節(jié)、壓板翹方法有著密切的關系，隨著電子產(chǎn)品的多元化不斷發(fā)展、鋁基板的應用越來越廣，我們愿意和業(yè)內的同行一道研究和探索新的解決方法，使國內的金屬基印制板的工藝迅速走在世界前列！

[1]李乙翹, 陳長生. 印制電路機械加工[M]. 印制電路第4節(jié), 化學工業(yè)出版發(fā)行.

[2]梁志立. 特種印制板技術[M]. 現(xiàn)代印制電路先進技術第六章, CPCA出版發(fā)行,2003,9.