電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊鋁基混壓板翹控制技術(shù)研究

唐宏華 黃雙雙 徐得剛 王 斌 樊廷慧

（1.惠州市金百澤電路科技有限公司，廣東 惠州 516083；2.深圳市金百澤電子科技股份有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

隨著汽車電子市場(chǎng)需求的增長(zhǎng)，車載雷達(dá)及新能源電控組件等關(guān)鍵部件成為汽車電子用印制電路板（printed circuit board，PCB）增長(zhǎng)的核心。在新能源汽車中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)是“三電”核心部件之一，也是電動(dòng)汽車的動(dòng)力來(lái)源。在電機(jī)系統(tǒng)中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是必不可少的組件，考慮到加速時(shí)的瞬間電流，驅(qū)動(dòng)模塊需承載300 A以上大電流并有良好的散熱性能，使電機(jī)保持在理想溫度下工作。

因此，客戶對(duì)產(chǎn)品的散熱性能及可靠性要求較高。目前新能源汽車應(yīng)用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，一般以厚銅芯板壓合鋁基結(jié)構(gòu)為主。由于金屬鋁基與FR-4 芯板是2 種不同物性的材料，壓合后極易出現(xiàn)板翹超標(biāo)的現(xiàn)象，此缺陷會(huì)給PCB 后制程加工及印制電路板組裝（printed circuit board assembling，PCBA）貼片帶來(lái)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn).本文將針對(duì)這些挑戰(zhàn)提出具體的應(yīng)對(duì)方案，以滿足客戶翹曲度≤0.75%的加工要求。

1 鋁基混壓PCB結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的鋁基混壓PCB 產(chǎn)品，采用厚銅芯板壓合鋁基結(jié)構(gòu)，底層為金屬鋁基，頂層為雙面厚銅芯板，中間為高導(dǎo)熱黏結(jié)片，整體板厚需控制在2.3 mm（1±10%），如圖1所示。

圖1 鋁基混壓PCB結(jié)構(gòu)

由于PCB 頂層與底層結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，且鋁基板與FR-4 芯板是2 種不同物性的材料，造成壓合翹曲度不可控，因此需要對(duì)影響鋁基混壓板翹的關(guān)鍵流程及相關(guān)加工參數(shù)進(jìn)行技術(shù)研究，以解決鋁基混壓帶來(lái)的板翹問(wèn)題，如圖2所示。

圖2 鋁基混壓PCB板翹（3.3%）超標(biāo)

2 鋁基混壓PCB板翹測(cè)試方案

2.1 影響因素分析

根據(jù)鋁基混壓PCB 結(jié)構(gòu)，分別對(duì)涉及結(jié)構(gòu)的各組成要素進(jìn)行對(duì)比分析，并擬訂測(cè)試方案，見(jiàn)表1。

表1 鋁基混壓PCB測(cè)試方案

2.2 DOE正交試驗(yàn)因素和試驗(yàn)表

按電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊產(chǎn)品（M267670）工程資料進(jìn)行設(shè)計(jì)，見(jiàn)表2和表3。

表2 因素與水平

表3 DOE正交試驗(yàn)表（9組）

3 鋁基混壓PCB板翹工藝測(cè)試

3.1 測(cè)試板準(zhǔn)備

參考電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊鋁基混壓板結(jié)構(gòu)進(jìn)行工藝測(cè)試，投產(chǎn)數(shù)量18塊在制板（panel，PNL）。

3.2 試板工藝流程

試板工藝流程如圖3所示。

圖3 試板工藝流程

3.3 板翹DOE測(cè)試數(shù)據(jù)

（1）DOE 試驗(yàn)（固定PP 結(jié)構(gòu)106×3，測(cè)試鋁基混壓PCB層壓翹曲度），板翹數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 板翹DOE測(cè)試數(shù)據(jù)

（2）數(shù)據(jù)分析。①經(jīng)DOE 測(cè)試，固定PP 結(jié)構(gòu)情況下，影響鋁基混壓板翹的主要因素為銅厚與介質(zhì)厚度，次要因素為鋁基厚度與鋁基熱處理方式；② 從芯板介質(zhì)厚度對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)看，介質(zhì)厚度越薄，其層壓翹曲度越?。虎蹚匿X基材質(zhì)看，1060 與5052 無(wú)明顯差異，但厚度對(duì)板翹有一定影響，鋁基越厚，越有利于板翹控制；④ 從鋁基熱處理方式看，預(yù)先熱壓對(duì)控制板翹略有幫助；⑤ 從銅厚對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)看，銅厚越薄，其層壓翹曲度越小，但考慮產(chǎn)品需承受330 A 大電流的特點(diǎn)，銅厚不能小于140 μm，需優(yōu)先滿足其載流能力。

因此，最優(yōu)方案為A1、B3、C3、D3（芯板介質(zhì)厚度0.1 mm、銅厚140 μm、鋁基5052-1.5 mm、熱壓處理）。

3.4 DOE方案驗(yàn)證

按DOE 最優(yōu)方案A1、B3、C3、D3，用在線小批量生產(chǎn)M267670 產(chǎn)品進(jìn)行工藝驗(yàn)證。加工參數(shù)見(jiàn)表5，壓合后板翹測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

表5 鋁基混壓加工參數(shù)表

表6 鋁基混壓板翹測(cè)試數(shù)據(jù)

按DOE 最優(yōu)方案A1、B3、C3、D3 加工，測(cè)試鋁基混壓板M267670 的翹曲度為1.34%～1.89%，比結(jié)構(gòu)優(yōu)化前（翹曲度2.5%～3.3%）有明顯改善，但未達(dá)成客戶翹曲度≤0.75%的管控要求，需繼續(xù)對(duì)鋁基混壓板翹進(jìn)行工藝改善。

4 鋁基混壓PCB板翹整平工藝

經(jīng)對(duì)鋁基混壓結(jié)構(gòu)進(jìn)行DOE 優(yōu)化后，可適度降低鋁基混壓板翹，但無(wú)法達(dá)到翹曲度≤0.75%的要求，且結(jié)構(gòu)上已無(wú)大的改善空間，為此在層壓后增加板翹整平處理工藝。

4.1 整平機(jī)加工設(shè)備

整平機(jī)設(shè)備如圖4 所示。試板M267670 在整平機(jī)上的加工參數(shù)及板翹測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。

表7 板翹整平參數(shù)及測(cè)試數(shù)據(jù)

圖4 板翹整平機(jī)

4.2 整平機(jī)測(cè)試小結(jié)

壓合后采用板翹整平機(jī)進(jìn)行整平處理，整平速度按20～30 HZ，放板時(shí)翹曲的一面朝上，壓轆間隙根據(jù)加工板厚及整平效果調(diào)整，X/Y方向各整平1 次；按此方式整平后，其鋁基PCB 翹曲度由1.34%～1.89%降低至0.40%～0.67%，改善效果明顯（翹曲度0.58%)，如圖5 所示，可滿足翹曲度≤0.75%的控制目標(biāo)。

圖5 整平后翹曲度

5 工藝總結(jié)

針對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊產(chǎn)品均為厚銅的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，同時(shí)考慮產(chǎn)品整體性能指標(biāo)，按A1B3C3D3+層壓后板翹整平處理的組合方案進(jìn)行加工，實(shí)現(xiàn)鋁基混壓PCB 成品翹曲度如圖6 所示?？傊?，測(cè)量產(chǎn)品翹曲度為0.40%～0.67%，可以滿足翹曲度≤0.75%的管控要求，同時(shí)測(cè)量產(chǎn)品耐壓值及絕緣性能均合格，驗(yàn)證了方案有效。

圖6 成品翹曲度

6 結(jié)語(yǔ)

以上簡(jiǎn)單介紹了一種鋁基混壓PCB 的板翹控制方法，采用鋁基預(yù)壓+鋁基混壓結(jié)構(gòu)優(yōu)化+專用整平機(jī)處理，可以大幅改善鋁基混壓PCB 層壓板翹，滿足翹曲度≤0.75%的管控要求，且不影響產(chǎn)品的耐壓及絕緣性能，對(duì)后制程加工及產(chǎn)品良率提升均有積極的促進(jìn)作用。