壓合金屬基板的制造工藝改良

杜紅兵 紀(jì)成光 陳正清

（生益電子股份有限公司，廣東 東莞 523127）

0 前言

金屬基板主要使用于高功率、高頻率設(shè)備關(guān)鍵部位功放器件上，在熱傳導(dǎo)、電氣性能、機械性能等方面具有優(yōu)良的特性，PCB采用高頻微波板材。金屬基板加工工藝包括：（1）Pre-Bonding（預(yù)粘結(jié)）工藝：金屬基與銅箔利用半固化先壓合成CCL板材，再加工成單層線路的金屬基板；（2）Sweat-soldering（焊接）工藝： PCB成品與金屬基利用高溫焊料通過回流焊接工藝連接，成品具有導(dǎo)電和導(dǎo)熱功能；（3）Post-Bonding（黏結(jié)片粘結(jié)）工藝：利用粘結(jié)劑將PCB成品和金屬基連接。該工藝可制作多層金屬基PCB，信號傳輸損耗小，可以有效解決功放電路關(guān)鍵器件的散熱和接地問題，保證器件焊接一致性，工藝相對簡單，成品率高。

金屬基板結(jié)構(gòu)與加工流程

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

金屬基板是指含有混壓工藝、階梯式散熱槽、卡口式散熱槽以及射頻等技術(shù)設(shè)計的PCB與金屬基經(jīng)過壓合或焊接而成的復(fù)合型PCB。金屬基板設(shè)計圖（見圖1）。

1.2 流程設(shè)計

子板、母板工藝流程如下。

圖1 金屬基板設(shè)計圖

1.2.1 子板流程

PCB為多層板：L1/N-2開料→內(nèi)層干膜→內(nèi)層沖孔→棕化→層壓→板邊→鉆孔→銑槽孔→烘板→去鉆污→沉銅→外層干膜→圖形電鍍→堿性蝕刻→阻焊→選擇性沉金→銑板→銑階梯槽→電子測試→終檢→酸洗→轉(zhuǎn)母板

金屬基加工流程：L3/4 或LN-1/N-2金屬基加工→IQC檢測→選擇印油→沉金→褪膜→轉(zhuǎn)母板

1.2.2 母板流程

開料→銑或沖粘結(jié)片→棕化→層壓→退銷釘→電子測試→終檢→包裝→出貨。

1.3 制造工藝問題

由于工藝特殊性和生產(chǎn)設(shè)備配置、運作體系的不匹配，出現(xiàn)如下諸多問題：金屬基厚度為2.5～6.0 mm，重量為1.0～2.0 kg，全流程為單元板生產(chǎn)，在沉金、表面處理、壓合、機械加工等環(huán)節(jié)常見問題為：（1）金屬基沉金后板邊氧化及壓合后金面發(fā)紅；（2）壓合后成品槽孔位流膠超標(biāo)；（3）壓合后超聲波掃描出現(xiàn)壓合面空洞，影響產(chǎn)品信號；（4）壓合后板面凹陷影響SMT貼裝；（5）壓合后層間對準(zhǔn)度不合格，影響SMT組裝；

這些缺陷影響表觀和產(chǎn)品性能，本文將對這些缺陷進行全方位徹底改良，實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。

2 研究方案

2.1 槽孔位流膠改良

2.1.1 流膠現(xiàn)狀

壓合前金屬基、PCB、半固化片均已圖形制作且單元板壓合；壓合后槽位及板邊有樹脂膠（見圖2）。

圖2 金屬基板槽位流膠缺陷圖

2.1.2 原因分析

對槽位流膠影響因素做魚骨圖分析（見圖3）。

圖3 槽位流膠影響魚骨圖

2.1.3 改善方案

通過過程排查并結(jié)合魚骨圖分析，從以下幾個方面改善槽位流膠：（1）研究不同壓力條件下No-Flow 半固化片流膠量大小，確認(rèn)合適半固化片開槽補償；（2）研究半固化片不同加工方法品質(zhì)差異，得出合適半固化片加工方法，確保其無樹脂膠粒殘留；（3）通過設(shè)定不同壓板壓力，測定槽位/板邊流膠量大小及有無壓合空洞，得出適合壓合壓力；（4）優(yōu)化排板定位方式，采用四孔定位排板預(yù)防半固化片偏位。

2.2 金面變色氧化改良

2.2.1 原因分析

根據(jù)金鍍層腐蝕機理研究[1]可知：金屬基表面鍍金后，金層與金屬基之間存在電位差，在遇到腐蝕介質(zhì)時這種電位差會導(dǎo)致金屬基被腐蝕，當(dāng)腐蝕物富集在金層表面時金層就會改變顏色。特別是在高溫（層壓）、高濕（季節(jié)變化）環(huán)境下，金屬通過鎳、金鍍層的空隙很快的鍍層表面遷移，在空氣中氧化造成鍍層表面變色，因此金面變色主要是金面接觸腐蝕介質(zhì)所引起。板邊氧化由于金屬基板邊接觸吊籠底部，接觸區(qū)域不與藥水接觸或接觸但反應(yīng)較弱，引起板邊沉不上鎳或金導(dǎo)致金屬基外露氧化，需改進金屬基沉金工裝夾具和沉金方式。

2.2.2 改善方案

（1）更改排板疊層（不同緩沖材料＋金屬基＋半固化片＋PCB＋緩沖材料），避免含油脂緩沖材料接觸金屬基；（2）優(yōu)化金屬基棕化參數(shù)，增強棕化線水洗和烘干能力，避免金屬基棕化后藥水殘留；（3）規(guī)范員工操作，佩戴干凈手套或防汗手套拿放金屬基板，并手持板邊；（4）改進金屬基沉金夾具及運輸夾具，避免金屬基接觸吊籠底部而缺鍍金或板邊碰撞而銅面外露氧化。

其中，不同緩沖材料對金面變色影響不同，設(shè)計排板疊層如下：底板+鋼板+（①緩沖材料＋牛皮紙；②緩沖材料＋銅箔；③牛皮紙＋銅箔；④牛皮紙＋鋁片；⑤緩沖材料＋鋁片）＋金屬基＋半固化片＋PCB＋緩沖材料＋鋼板＋蓋板

2.3 壓合面空洞改良

2.3.1 問題現(xiàn)狀

采用壓合面“雙面沉金”工藝制作的金屬基板信號測試有駐波回損，引起射頻信號傳輸損耗。模擬SMT焊接條件將產(chǎn)品過無鉛回流焊處理，經(jīng)超聲波掃描檢測到板內(nèi)大量空洞。

2.3.2 原因分析

壓合空洞影響因素有壓合參數(shù)、壓合條件（緩沖材料、層數(shù)等）、壓合面表面狀態(tài)（即表面粗糙度）以及黏結(jié)材料特性等，經(jīng)過大量實驗確認(rèn)根本原因是壓合面粗糙度小（如圖4）。研究壓合面棕化、黑化、超粗化等粗化處理對壓合空洞改善效果，同時評估各種粗化處理藥水對金鎳層的攻擊是否影響其可靠性、可焊性、潤濕性等。

圖4 各種粗化處理表面粗糙度

表1 金屬基板壓合面空洞改善方案

2.3.3 改善方案

壓合面空洞改善方案（見表1）。單面沉金單面粗化工藝流程（“粗化→沉金”還是“沉金→粗化”）。

2.4 PCB板面凹陷改良

2.4.1 問題現(xiàn)狀

盲槽位置層壓后凹陷深度0.25 mm（如圖5）（客戶要求0.1 mm），取消壓合PCB面緩沖材料改善PCB凹陷深度至0.05 mm。由于盲槽設(shè)計，盲槽尺寸變化時，難以識別凹陷風(fēng)險，需對盲槽能力研究。

圖5 金屬基板板面凹陷圖

2.4.2 原因分析

（1）設(shè)計導(dǎo)致：盲槽對應(yīng)位置PCB懸空無金屬基支撐，壓合后板面凹陷，且盲槽尺寸越大，板面越凹陷；

（2）PCB板材材質(zhì)柔軟，剛性不足導(dǎo)致凹陷；

（3）緩沖材料具有彈性，壓板時盲槽對應(yīng)位置受壓變大而凹陷。

2.4.3 試驗方案

設(shè)計不同尺寸盲槽，不同PCB材料（高射頻材料），添加不同厚度和類型緩沖材料試驗，研究不同條件下板面凹陷深度，為PCB盲槽設(shè)計提供指引（見表2）。

表2 盲槽制作能力方案設(shè)計

2.5 壓合層間對準(zhǔn)度改良

2.5.1 設(shè)計特點

PCB和金屬基均有開槽設(shè)計，壓合采用銷釘定位，易發(fā)生PCB和金屬基偏位。槽尺寸設(shè)計見表3。

表3 PCB和金屬基開槽設(shè)計

2.5.2 原因分析

層間偏位影響因素：（1） PCB 3個NPTH定位孔和金屬基定位孔的位置精度；（2）PCB 3個NPTH定位孔和金屬基定位孔的孔徑精度；（3）銷釘?shù)闹睆胶烷L度；（4）PCB開槽尺寸精度。

2.5.3 改善方法

（1）改進PCB 3個NPTH定位孔位置精度與孔徑精度和金屬基定位孔位置精度與孔徑精度；（2）優(yōu)化設(shè)計銷釘直徑和長度；（3）設(shè)計PCB板邊卡槽單邊加大0.10 mm（4 mil），保持金屬基尺寸不變；（4）重點探討PCB開槽尺寸精度控制；PCB開槽尺寸精度不但影響金屬基板層間對準(zhǔn)度，而且影響元器件裝配（如圖6）。

圖6 PCB開槽位置元器件裝配圖

PCB槽尺寸精度影響因素：銑槽孔尺寸精度、電鍍銅厚影響、銑階梯槽銅皮剝離影響、母板層壓水平拉伸影響等。下面重點通過PCB槽孔尺寸補償和工藝優(yōu)化兩方面控制PCB功放槽尺寸精度（見表4）。

表4 金屬基板PCB開槽補償

3 研究過程及結(jié)果

3.1 槽孔位流膠改良

3.1.1 NO-Flow半固化片特性確認(rèn)

流動度測試-NO-FLOW半固化片為丙烯酸樹脂類型，屬于偏熱塑性物質(zhì)，該物質(zhì)高溫不融化僅變軟，流動度低，可有效控制流膠 （見表5）。

表5 NO-Flow半固化片流動度測試結(jié)果

3.1.2 不同壓力條件對流膠影響

設(shè)計壓板程序高壓壓力200 psi、300 psi和400 psi，測試結(jié)果（見表6）。

表6 不同壓力下NO-Flow半固化片流膠量大小

另外半固化片加工過程影響半固化片位置公差因素：

（1）半固化片加工公差H=0.1 mm；

（2）半固化片定位公差F=0.1 mm由定位孔孔徑S與定位銷釘直徑S′決定；即S=S′+0.1 mm；

（3）PCB定位孔孔位公差I(lǐng)=0.08 mm；

（4）不同壓力下半固化片流膠最大值MAX。

因此為保證金屬基板壓合后半固化片流膠不超出PCB開窗，需使半固化片開槽內(nèi)縮補償。在不同壓力條件下壓合對應(yīng)半固化片開槽補償（見表7）。

3.1.3 不同壓力條件對可靠性影響

在1.38 MPa壓力條件下壓合制作的金屬基板經(jīng)超聲波掃描檢測無空洞。理論分析壓合壓力擠壓半固化片、拉扯變形引起流膠，設(shè)定層壓壓力1.38 MPa比較合適。

3.1.4 半固化片加工方式對流膠影響

目前壓合半固化片加工方法有兩種，如下。

（1）機械銑。銑切由于銑刀與半固化片的機械摩擦作用導(dǎo)致半固化片局部高溫?zé)崛酃袒a(chǎn)生樹脂膠粒，導(dǎo)致槽位流膠；

表7 半固化片開槽內(nèi)縮補償值

（2）模具沖。采用模具沖床沖切工藝加工的半固化片邊緣齊整，無膠粒殘留，壓合后無流膠。

3.1.5 半固化片定位方式對流膠影響

N0-Flow半固化片較軟，不具備三孔定位的剛性要求，排板時半固化片易發(fā)生滑動偏位導(dǎo)致金屬基板槽位半固化片外露。排板定位更改為半固化片四角四孔定位，可有效防止壓合過程中半固化片滑動偏位。

3.1.6 流膠改良效果

通過優(yōu)化層壓參數(shù)和半固化片內(nèi)縮開槽補償，更改為沖切半固化片，可有效避免半固化片膠粒殘留以及壓力過大導(dǎo)致的流膠和半固化片拉扯變形外露。通過優(yōu)化排板定位方式，采用四孔定位可有效避免半固化片滑動偏位和半固化片皺褶導(dǎo)致的流膠。大批量生產(chǎn)驗證金屬基板槽位無流膠和半固化片外露。

3.2 金面變色氧化改良

3.2.1 不同排板疊層結(jié)構(gòu)對金面變色影響

采用e種方式排板，鋼板+緩沖材料+鋁片+金屬基+半固化片+PCB+緩沖材料+鋼板，拆板后金屬基板金面光亮，無存在變色，該方法有效。

3.2.2 棕化生產(chǎn)參數(shù)對金面變色影響

金屬基壓合面朝下放置（盲孔和盲槽向下），烘干溫度設(shè)定125℃，可有效改善金面藥水殘留和水漬印。

3.2.3 沉金夾具及掛板方式對板邊氧化影響

優(yōu)化金屬基板沉金夾具（倒V字型），利用尼龍線將金屬基懸掛吊籠中沉金，有效防止金屬基掉落接觸吊籠底部，金屬基邊沉不上金導(dǎo)致的板邊氧化產(chǎn)生。

3.2.4 手汗污染

員工手指出汗油脂接觸到金面，為金面變色提供腐蝕介質(zhì)，員工佩戴防汗手套可有效杜絕污染。

3.2.5 改良效果

徹底解決了金屬基板金面變色和板邊氧化缺陷，并經(jīng)批量驗證改善措施有效。

3.3 壓合面空洞改良

3.3.1 試驗結(jié)果

（1）沉金后過粗化處理，表面金鎳層厚度無變化；仍具有良好的潤濕性和焊接性能；

（2）SEM掃描電鏡分析，棕化金面腐蝕程度最小，焊接可靠性最佳（見圖7），則壓合面棕化處理；

圖7 粗化處理后金面表觀

（3）金屬基/PCB選擇性印油實現(xiàn)單面沉金單面粗化，確定流程為選擇性印油→沉金→棕化；

（4）粗化處理后金面有不同程度裂紋，由電鏡分析，不同粗化處理對金面腐蝕程度為棕化＜黑化＜超粗化。

3.3.2 改良效果

（1）對壓合面進行不同粗化處理，并SEM微觀形貌分析不同粗化處理效果及粗化藥水對金面攻擊程度，確立選擇性印油工藝實現(xiàn)單面沉金/單面粗化；

（2）通過超聲波掃描空洞，確認(rèn)了對壓合面進行棕化處理可有效改善壓合空洞問題。

（3）改善后金屬基板經(jīng)無鉛回流3次后超聲波掃描圖正常，批量驗證有效。

3.4 PCB板面凹陷改良

3.4.1 緩沖材料對板面凹陷的影響

以C（0.76 mm）板材為例，取三種緩沖材料厚度壓合條件下凹陷深度對比（見圖8）。板面凹陷深度與緩沖材料厚度成正比；盲槽尺寸≤30 mm時，板面凹陷深度與盲槽尺寸成正比。

圖8 緩沖材料對凹陷深度影響

3.4.2 PCB材質(zhì)對板面凹陷影響

取1.6 mm厚度緩沖材料為例，對不同材質(zhì)PCB壓板后板面凹陷對比（見圖9）。

壓板后板面凹陷與PCB板材材質(zhì)成反比；盲槽尺寸≤30 mm時，板面凹陷深度與盲槽尺寸成正比。

圖9 PCB材質(zhì)對凹陷深度影響

3.4.3 盲槽尺寸制作能力界定

根據(jù)客戶凹陷深度小于0.1 mm的要求，建議盲槽設(shè)計尺寸（見表8）。

表8 凹陷深度小于0.1mm的盲槽最大尺寸

3.4.4 改良效果

對盲槽尺寸設(shè)計能力和壓板方式界定，量產(chǎn)驗證無板面凹陷。

3.5 壓合層間對準(zhǔn)度改良

3.5.1 銑階梯槽不同走刀方式對槽尺寸影響對比

方案一：更改落刀點法-槽位只銑一次，先銑關(guān)鍵尺寸位置（槽長方向），銑槽位采取分段走刀方式。

方案二：槽位采用“粗銑+精銑”加工方式，留0.25 mm 余量，精銑受力狀態(tài)一致，滿足尺寸要求。

3.5.2 階梯槽銅皮剝離對槽尺寸影響

（1）階梯槽深度對銅皮剝離影響。銑階梯槽深度大、階梯槽寬，對銅皮拉裂作用相對大。（2）階梯槽銅皮剝離修理對槽尺寸影響

階梯槽修理前寬邊50%超下限，修理后寬邊合格率為100%，離散性很好，Cp為2.9和2.2，整體表現(xiàn)好，說明修理階梯槽對槽寬尺寸影響大。階梯槽設(shè)計（見圖10）。

圖10 階梯槽設(shè)計尺寸示意圖圖

3.5.3 改良效果

采用“粗銑+精銑”并控制銑板疊層數(shù)，提高PCB階梯槽尺寸精度；通過對PCB開槽補償，優(yōu)化定位銷釘直徑、長度及金屬基和PCB定位孔孔徑和孔位精度，量產(chǎn)層間對準(zhǔn)度能力達0.10 mm。

3.6 量產(chǎn)合格率提升

對工藝難點技術(shù)攻克，對量產(chǎn)合格率提升起到立竿見影效果（如圖11），量產(chǎn)合格率達95%。

圖11 工藝改良前后的合格率變化

4 結(jié)論

（1）通過優(yōu)化壓板參數(shù)和開槽補償，采用模具沖方式加工，優(yōu)化排板定位方式，解決槽孔位流膠問題；

（2）通過優(yōu)化排板緩沖材料、沉金夾具和沉金方式及制定拿持規(guī)范，徹底解決金面變色和板邊氧化問題；

（3）通過對壓合面進行粗化處理，徹底解決壓合面空洞問題，并確保終端產(chǎn)品可靠性和信號質(zhì)量；

（4）通過對金屬基盲槽尺寸設(shè)計能力和壓板方式進行界定，量產(chǎn)驗證無PCB板面凹陷，滿足SMT貼裝要求；

（5）通過采用“粗銑+精銑”方式，PCB開槽補償，優(yōu)化定位銷釘直徑、長度及金屬基和PCB定位孔孔徑和孔位精度，使壓合層間對準(zhǔn)度能力達0.10 mm；

（6）解決所有工藝難點，輔助以配套工裝夾具、人員培訓(xùn)、實現(xiàn)了研究成果向生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化。