鋁基板陽極氧化膜工藝及影響其絕緣性的因素

黃凱齡 陳冠剛 麥東廠 郭 文

（廣東成德電子科技股份有限公司，廣東 佛山 528300）

1 鋁基印制板特點

鋁基覆銅板又稱絕緣鋁基板，它是由鋁基板（鋁板）、絕緣介質(zhì)層和銅箔組成的一類復(fù)合型板材，作為一種特殊類型PCB板，它具有幾個方面的優(yōu)點。

1.1 優(yōu)異的散熱性能

鋁基覆銅箔板具有優(yōu)良的散熱性能，這是此類板材最突出的優(yōu)點。用它制成的PCB不僅可以有效防止其上裝載元器件及基板的溫升，而且還能將電源功放元件、大功率元器件、大電路電源開關(guān)等元器件產(chǎn)生的熱量迅速地散發(fā)掉。除此之外還因其密度小、質(zhì)輕、可防氧化、價格較便宜而成為了金屬基覆銅板中用途最廣、用量最大的一類復(fù)合型板材。

1.2 良好的機械加工性能

鋁基覆銅板具有很高的機械強度和韌性，可以在其上進行敲錘、鉚接或者沿非布線部分進行折曲、扭曲等操作而不影響電氣性能，而傳統(tǒng)的樹脂類覆銅板和陶瓷基板則不能。

1.3 優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性

對于各類覆銅板來說都存在著熱膨脹問題，特別是厚度方向的熱膨脹，基板受熱后存在膨脹變化上的差異，從而使得銅線路和金屬化孔斷裂或遭到破壞。而鋁基板的線膨脹系數(shù)接近于銅的線膨脹系數(shù)，這對于確保印制電路的質(zhì)量和可靠性顯然是有利的。

1.4 良好的電磁屏蔽性

電子產(chǎn)品中的一些元器件需防止電磁波的輻射、干擾，而金屬基板本身就充當(dāng)屏蔽板起到屏蔽電磁波的作用。

正因為鋁基板具備了上述4個方面的優(yōu)點，才在大功率、高發(fā)熱的元器件線路板中大顯身手，但我們卻認為中間絕緣介質(zhì)層（氧化膜）所起的作用功不可沒！所謂絕緣介質(zhì)層，就是鋁基板經(jīng)陽極氧化后在其表面形成一層耐磨、耐腐蝕、電絕緣的氧化膜，這層膜的優(yōu)劣直接決定了后續(xù)板子的質(zhì)量。我們將詳細地分析鋁基板陽極氧化膜的工藝流程及影響其絕緣性能的因素。

2 鋁基板的陽極氧化工藝

2.1 陽極氧化工藝流程

陽極氧化膜（即絕緣介質(zhì)層）是鋁基板與銅箔之間的中間層。

2.2 工序解讀及其工藝參數(shù)的控制范圍

（1）去油 。

鋁基板在加工和運輸過程中表面涂有油層保護，使用前必須將油層清洗干凈方可，而去油就是用汽油作為溶劑將其溶解，然后再用水溶性的清洗劑將油污去除掉。

（2）脫脂。

為了將油脂徹底去除，可把去油后的板子直接放入濃氫氧化鈉溶液中浸泡，然后用清水進行沖洗，相關(guān)參數(shù)的控制范圍如表1。

（3）堿蝕。

鋁基板表面應(yīng)具有一定的粗糙度，由于鋁及其表面的氧化鋁膜層均為兩性材料，可以利用酸性、堿性或復(fù)合堿性溶液體系對鋁基底材料進行腐蝕作用而達到粗化目的，其工藝參數(shù)（見表2）。

影響堿蝕速率的因素：

（1）游離氫氧根離子：提高堿蝕液中的游離氫氧根離子含量，堿蝕速率會隨之增大。為了便于控制蝕刻速度將堿蝕液中游離氫氧化鈉的含量在40～60 g/L之間。

（2）鋁離子：堿蝕液中維持一定量的鋁離子才能正常工作，若堿蝕液中鋁離子含量過低，堿蝕速率過快而不易控制；反之，堿蝕液中鋁離子含量過高，堿蝕速率變得異常緩慢。要維持穩(wěn)定的堿蝕速率，將堿蝕液中鋁離子濃度控制在30～45 g/L之間。

（3）溫度：堿蝕速率隨溫度上升呈指數(shù)上升，有可能出現(xiàn)局部溫升過快而導(dǎo)致局部咬蝕不均勻，此點是可以借助溶液攪拌或者循環(huán)系統(tǒng)加以克服的。

（4）時間：時間與堿蝕速率近似成正比，控制時間可較容易地控制蝕刻量。假如堿蝕時間過短，一些經(jīng)過熱加工或經(jīng)過熱處理鋁基板會因為局部氧化膜過厚而處理不干凈；假如堿蝕時間過長，又容易產(chǎn)生過蝕，形成雪花或者霜狀外表而影響到鋁基板的外觀。

表1 脫脂工藝參數(shù)

表2 堿蝕工藝參數(shù)

（4）浸亮。

由于鋁材中含有其他雜質(zhì)金屬，在粗化過程中難免會有一些無機化合物粘附于基板的表面，因而在電解氧化前就有必要對其表面形成的無機化合物進行分析，然后根據(jù)分析結(jié)果配制相適應(yīng)的浸亮溶液，最后才將粗化后的鋁基板置于此浸亮溶液中浸漬一段時間，以確保在陽極氧化前鋁板的表面干凈并發(fā)亮，其工藝參數(shù)（見表3）。

（5）陽極氧化。

借助于電解作用在鋁板表面上形成一層氧化鋁薄膜，藉此來提高鋁基板的表面硬度、耐磨性、抗腐蝕性和電氣絕緣性，以便進一步進行染色或者用絕緣浸漬漆進行打底。

鋁基板陽極電氧化一般有硫酸法、鉻酸法、草酸法等多種方法，其中以硫酸法最優(yōu)。這樣一來，鋁基板在以硫酸為主的電解液中進行直流陽極氧化時，兩極主要進行以下的化學(xué)反應(yīng)：

陽極氧化過程是將表面粗化并浸亮的鋁板作為陽極，鉛板作為陰極，然后分別掛入以硫酸為主的電解液中，通入直流電電氧化數(shù)分鐘后就在鋁板表面形成一層多孔性氧化膜。在此電解液中還需加入一定量的特殊物質(zhì)如添加劑，這樣既可以提高氧化膜的致密性，使之形成高阻氧化膜，并借助于其中的表面活性劑，又可以增加溶液導(dǎo)電性的Al3+以及控制硫酸溶液的濃度、氧化時的電流密度、電壓、時間、溫度等，使其得到一定厚度的絕緣介質(zhì)層，其工藝參數(shù)（見表4）。

（6）封閉。

鋁基板經(jīng)陽極氧化后在其表面形成了一層氧化膜，但這層膜多孔且呈蜂窩狀，若不對其表面進行封閉處理的話，就會吸附大量的水分、塵埃、氣體等雜質(zhì)而影響到基板的耐熱性、耐浸焊性、擊穿強度等。因而在最終形成導(dǎo)電線路之前，很有必要對其進行封閉處理了。它是將電氧化的鋁基板直接放入封閉溶液或小分子量的絕緣浸漬漆浸漬數(shù)分鐘，其工藝參數(shù)（見表5）。

（7）干燥。

干燥就是將上述處理過的鋁基板置于烤箱中烘烤，以除去殘存于氧化層中的水汽，便于保存，其工藝參數(shù)（見表6）。

3 影響氧化膜絕緣性能的因素

本實驗將鋁基板裁成30 cm×45 cm若干塊，按去油→水洗→脫脂→水洗→堿蝕→水洗→浸亮→水洗的順序進行處理，處理完畢后作為試樣板按以下項目分別進行試驗。

表3 浸亮工藝參數(shù)及其參數(shù)的控制范圍

表4 電氧化工藝參數(shù)及其參數(shù)的控制范圍

表5 封孔工藝參數(shù)

表6 干燥工藝參數(shù)

3.1 添加劑

任取試樣板9塊，分別置于添加劑濃度為10 g/L、15 g/L至50 g/L的陽極氧化槽液中，在固定條件下陽極氧化80 min，取出后進行封閉、烘干處理。處理完畢后用CJ2671型耐壓測試儀測得絕緣強度（見表7）。

實驗固定條件：溫度設(shè)定為20 ℃，電流密度為2.0 A/dm2， H2SO4濃度=150 g/L

從表7中可以看出基板的絕緣強度是以添加劑30 g/L為分水嶺的，高于或低于此濃度時均會出現(xiàn)減小的趨勢，也就是說添加劑的濃度最好控制在30 g/L左右。

3.2 溫度

任取試樣板15塊，放入電解槽液中，并將溫度依次調(diào)整從5.0 ℃、7.5 ℃至40.0 ℃，在固定條件下陽極氧化80 min，此后取出進行封閉、烘干處理，處理完畢后用CJ2671型耐壓測試儀測得絕緣強度（見表8）。

實驗固定條件：添加劑濃度為30 g/L，電流密度為2.0 A/dm2， H2SO4濃度=150 g/L

從表8中可以看出基板的絕緣強度以20.0℃為分界線的。當(dāng)陽極氧化溫度低于或高于20.0℃時，基板的絕緣強度都將變低，有鑒如此才將陽極氧化溫度設(shè)定在18～24 ℃之間。

3.3 電流密度

任取試樣板15塊放入電解槽液中，電流密度依次調(diào)整從1.0 A/dm2、1.5 A/dm2至8.0 A/dm2，在固定條件下電氧化80 min，取出進行封閉、烘干處理，處理完畢后用CJ2671型耐壓測試儀測得絕緣強度（見表9）。

實驗固定條件：溫度設(shè)定為20 ℃，添加劑濃度為30g/L，H2SO4濃度=150 g/L

從表9中可以看出鋁基板的絕緣強度隨著電流密度的升高而降低，為了得到較高絕緣強度的基板，最好將電流密度控制在1.5A/dm2～3.0A/dm2之間。

3.4 陽極氧化時間

任取試樣板15塊，放入固定條件的電解槽液中，然后依次電解氧化從20 min、30 min、至160 min，取出進行封閉、烘干處理，處理完畢后用CJ2671型耐壓測試儀測得絕緣強度（見表10）。

表7 添加劑含量與絕緣強度之間的關(guān)系

表8 溫度與絕緣強度的關(guān)系

表9 電流密度與絕緣強度之間的關(guān)系

表10 陽極氧化時間與絕緣強度的關(guān)系

實驗固定條件：溫度設(shè)定為20 ℃，添加劑濃度為30 g/L，H2SO4濃度=150 g/L

從表10中可以看出電解氧化的時間越長，基板的絕緣強度越大。為了和添加劑、溫度、電流密度等匹配，把電解時間設(shè)定在80～120 min之間。

表11 膜厚與絕緣強度的關(guān)系

3.5 膜厚

本實驗從已陽極氧化的鋁基樣品板中選出一批，用E110B型渦流測厚儀逐一進行測試，挑出膜厚從4.0 μm、4.5 μm至14.0 μm的樣品板，用CJ2671型耐壓測試儀測得絕緣強度（見表11）。

從表11中可以看出氧化膜越厚，鋁基板的絕緣強度越大。把氧化膜設(shè)定在18～22 μm之間，這是因為鋁基板在搬運、加工過程中，存在這樣或那樣人為和非人為的磨損，導(dǎo)致膜厚降低而影響其絕緣性能，這樣在膜厚度上預(yù)先做出點補償是應(yīng)該的。

4 結(jié)論

以上實驗數(shù)據(jù)表明，鋁基板的絕緣強度除了與氧化膜的厚度有關(guān)外，它還與電流密度、硫酸濃度、添加劑濃度、溫度及電解時間有關(guān)，在此陽極氧化過程中，只有將這些參數(shù)控制在合理的水平，才能陽極氧化出高絕緣強度的板子。但這并不意味著陽極氧化之前和之后的那些工序不重要，而是因為這些工序與氧化膜厚度及其絕緣強度之間不存在定量的關(guān)系罷了！