用鋁廢料生產(chǎn)新型專用PCB鋁基箔材

吳丹 黃善球 楊大軍 朱東年 劉軍民 曾鴻斌 周作江|文

PCB是重要的電子部件，其中鋁基箔材是重要的基板材料，其質(zhì)量直接決定電子產(chǎn)品的性能和使用壽命。本文使用鋁混合廢料生產(chǎn)的新型專用合金PCB鋁基箔材，采用連鑄連軋工藝，在提高箔材性能的同時也達到了美化生產(chǎn)環(huán)境、減少生產(chǎn)成本，追求利益最大化的目的。

PCB（Printed Circuit Board），中文名稱為印制電路板，是電子元器件的支撐體和電氣連接的提供者。由于它是采用電子印刷術(shù)制作的，故被稱為“印刷”電路板。PCB由導電層、導熱絕緣層及金屬鋁基板組成，各組成部分的好壞直接影響到電子產(chǎn)品的質(zhì)量和使用壽命。

PCB板中的鋁基層要求具有高導熱性，適合于鉆孔、沖剪及切割等常規(guī)機械加工，適合功率組件表面貼裝技術(shù)（SMT）工藝。目前，鋁基金屬板材主要由1XXX系、3XXX系、5XXX系和6XXX系鋁合金制得，具有良好的散熱性、優(yōu)良的尺寸穩(wěn)定性、良好的機加工性、優(yōu)良的性價比。但是由于對PCB鋁基板需求的不斷更新，對其性能的要求也越來越高，現(xiàn)有的優(yōu)點已經(jīng)逐漸滿足不了時代的需求。目前，在PCB加工或元件貼裝過焊時，常常會有分層氣泡而引起PCB失效，并且分層氣泡均發(fā)生在絕緣層與鋁基界面，究其根本原因是鋁基質(zhì)量不過關(guān)所致。

筆者利用鋁板鋁箔在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的幾何廢料和工藝技術(shù)廢料，并通過合理的合金元素配比及控制，嚴謹科學的工藝流程，加工制成性能良好的專用PCB鋁基箔材，為PCB鋁基箔材制作提供了一種新思路。

一種用鋁廢料生產(chǎn)新型專用PCB鋁基箔材的生產(chǎn)工藝

1.合金成分

該箔材是以8XXX系合金為基礎(chǔ)，以高Fe、高Si合金為基點，對PCB板基材的化學成分進行重新調(diào)整，加入適量的稀土元素釓（Gd）、鈰（Ce），使新型專用PCB鋁基箔材具有更易焊接、強度更高、耐高溫性能更好、抗腐蝕性更強、散熱性更好的優(yōu)點，與其他PCB材料相比有著不可比擬的優(yōu)點。化學成分如表1所示。

2.工藝路線

S1：熔爐準備→爐料準備→裝爐→熔化→攪拌與扒渣→調(diào)整成分→爐內(nèi)處理第一次精煉→轉(zhuǎn)爐及靜置第二次精煉→除氣箱除氣扒渣→過濾箱雙通道雙級陶瓷過濾板過濾除渣→鑄軋成8mm厚度的鑄軋卷；

S2：將鑄軋卷進行軋制，首先將鑄軋卷冷軋到3mm厚度；

S3：進行中間退火，采用爐氣控溫方式退火，即，爐溫≤100℃裝爐，經(jīng)兩小時爐溫升溫到480℃，保溫16小時；再將爐溫經(jīng)1小時降溫到420℃，保溫4小時，出爐空冷；

S4：繼續(xù)軋至0.38mm厚度時，然后轉(zhuǎn)箔軋再軋制至所需厚度。

產(chǎn)品試制過程中的關(guān)鍵技術(shù)點

1.合金成分設(shè)計和Gd、Ce合金元素對合金加工性能及組織結(jié)構(gòu)的影響研究

本項目產(chǎn)品是以8XXX系合金為基礎(chǔ)，以高Fe、高Si合金為基點，對PCB板基材的化學成分進行重新調(diào)整，加入適量的稀土元素釓（Gd）、鈰（Ce），使新型專用PCB鋁基箔材具有更易焊接、強度更高、耐高溫性能更好、抗腐蝕性更強、散熱性更好的優(yōu)點，與其他PCB材料相比有著不可比擬的優(yōu)點。

稀土元素Ce改變了合金的結(jié)晶組織，提高合金的力學性能，隨著Ce含量的增加，合金晶粒細化，但到一定程度，晶粒有粗化的趨勢，且Ce的加入改變Zn、Cu在合金中的分布及第二類型、形貌和含量，從而影響合金的鑄造和力學性能。Ce控制在0.10%～0.15%范圍內(nèi)可保證合金的最佳組織狀態(tài)。

Gd為銀白色金屬，具有很好的延展性，當Gd與Ce同時存在時，表現(xiàn)出很好的機械性能，但當其高出一定值時，機械性能反而將逐漸下降，因此，將其控制在0.05%～0.10%內(nèi)表現(xiàn)為最佳的狀態(tài)。

Fe對合金組織有兩個影響，其一，只要有適量Fe存在，就能顯著降低Mn在鋁中的溶解度，使晶內(nèi)偏析減小，因此提高Fe含量可以防止合金退火后出現(xiàn)粗大晶粒組織；其二，MnAl6中的錳原子可以被鐵原子置換一半而形成（Fe,Mn）Al6，而（Fe,Mn）Al6，性質(zhì)更硬一些，而且很脆，呈粗大片狀出現(xiàn)在合金組織中，使合金強度和塑性降低，且由于稀土元素的影響，將鐵的含量確定在0.49～0.65的范圍內(nèi)，可保證合金的組織為最佳狀態(tài)。

Si也降低錳在鋁中的溶解度，Si在合金中形成金屬間化合物T相（Al10Mn2Si）,呈方塊狀分布，使合金塑性降低。當硅含量不高時（約0.1%以上），可出現(xiàn)共晶體α＋T＋Si，能使制品裂紋傾向增加。但當Fe≥0.2%、且Fe≥Si時，合金裂紋傾向性急劇下降。因此將Si設(shè)定在0.36%～0.49%內(nèi)即可有效控制產(chǎn)品質(zhì)量。

Mn具有一定的強化作用，隨著錳含量增加，合金強度提高。本發(fā)明將錳含量控制在0.25%以下。

Al中微量的Zn、Mg、Cu存在，還可提高合金的屈服強度，使得經(jīng)塑性變形后的合金具有良好的彈性，更加有利于0.1mm厚度的薄板保持平整度和抗折彎能力，在連續(xù)切片垛板生產(chǎn)過程中，可避免折痕、碰傷、凹印等缺陷發(fā)生。

2.退火工藝的研究

由于PCB鋁基鑄軋板帶材在鑄軋時固溶體成分不均勻，易出現(xiàn)枝晶偏析現(xiàn)象，因此在軋制到3.0mm時必須采用高溫均勻化退火，使固溶體分解，退火工藝采用爐氣控溫方式退火，即，爐溫≤100℃裝爐，經(jīng)兩小時爐溫升溫到480℃，保溫16小時；再將爐溫經(jīng)1小時降溫到420℃，保溫4小時，出爐空冷。鑄軋卷進行高溫退火后軋到0.2～0.1mm厚度時，總加工率為93.33%～96.67%。

表1 PCB鋁基箔材合金成分表

結(jié)束語

該箔材是PCB鋁基板的重要組成部分，主要用于電子產(chǎn)品。通過利用廢鋁料生產(chǎn)的新型專用PCB鋁基箔材其板形良好，抗拉強度高，表面潔凈、色澤均勻、無擦劃傷、折痕和碰傷、凹印等缺陷，質(zhì)量穩(wěn)定；力學性能高、具有高導熱性，適應于鉆孔、沖剪和切割等機加工，更適合功率組件表面貼裝SMT工藝；廢料的利用率更高，適用的廢料范圍更廣，解決了生產(chǎn)現(xiàn)場廢料最大程度的回收利用問題，改善了生產(chǎn)環(huán)境。中