程 靜（廣東成德電子科技股份有限公司，廣東 佛山 528300）

絕緣鋁基板制作工藝及優(yōu)化

程 靜
（廣東成德電子科技股份有限公司，廣東 佛山 528300）

文章詳細(xì)地介紹了鋁基板制作工藝流程，就其中重要的工序作了若干優(yōu)化。

陽極氧化；絕緣鋁基板；極化

1 前言

鋁基覆銅板又稱絕緣鋁基板，它一般由鋁基板，絕緣介質(zhì)層和銅箔三位一體的制成的復(fù)合板材，作為一種特殊類型的PCB用基材，它具有如下特性。

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（表1），這是此類板材最突出的特點(diǎn)。用它制成的PCB，不僅能可以有效地防止在其上裝載的元器件及基板的工作溫度上升，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)，除此之外還因其密度小、質(zhì)輕（2.7 g/cm3），可防氧化，價(jià)格較便宜，因此它成為金屬基覆銅板中用途最廣、用量最大的一種復(fù)合板材。絕緣鋁基板飽和熱阻為1.1 ℃/W、熱阻為2.8 ℃/W，這樣大大提高了銅導(dǎo)線的熔斷電流。

表1 三種基材的散熱性對(duì)比表

1.2 良好的機(jī)械加工性能

鋁基覆銅板具有高機(jī)械強(qiáng)度和韌性，此點(diǎn)大大優(yōu)于剛性樹脂類覆銅板和陶瓷基板。它可以在金屬基板上實(shí)現(xiàn)大面積的印制板的制造，特別適合在此類基板上安裝重量較大的元器件。另外鋁基板還具有良好的平整度，可在基板上進(jìn)行敲錘、鉚接等方面的組裝加工或在其制成PCB上沿非布線部分折曲、扭曲等，而傳統(tǒng)的樹脂類覆銅板則不能。

1.3 優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性

對(duì)于各種覆銅板來說都存在著熱膨脹（尺寸穩(wěn)定性）問題，特別是板的厚度方向（Z軸）的熱膨脹，使金屬化孔，線路的質(zhì)量受到影響。其主要原因是板材的線膨脹系數(shù)有差異，如銅的1.7×10-4/℃，而環(huán)氧玻纖布基板的線膨脹系數(shù)為（1.7×10-4/℃） 。兩者線膨脹相差很大，易造成基板受熱膨脹變化的差異，致使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)在（4.0×10-5/℃）～（5.0×10-5/℃）之間，它比一般的樹脂類基板小得多，而更接近于銅的線膨脹系數(shù)，這樣有利于保證印制電路的質(zhì)量和可靠性。

1.4 電磁屏蔽性

為了保證電子電路的性能，電子產(chǎn)品中的一些元器件需防止電磁波的輻射、干擾，金屬基板可充當(dāng)屏蔽板起到屏蔽電磁波的作用。

1.5 性能指標(biāo)

絕緣鋁基板的性能指標(biāo)如表2。

表 2 絕緣鋁基板的性能指標(biāo)

2 絕緣鋁基板制作工藝流程圖（圖1）

圖1 工藝流程圖

3 絕緣鋁基板制作各主要工藝解讀與優(yōu)化

鋁基板材料的表面處理。

3.1 去油

鋁基板材表面在加工和運(yùn)輸過程中表面涂有油層保護(hù)，使用前必須將其清洗干凈。其原理是利用汽油（一般用航空汽油）作為溶劑，可將其溶解，再用水溶性的清洗劑將油污除去。用流水沖其表面，使其表面干凈，不掛水珠。

3.2 脫脂

經(jīng)過上述處理過的鋁基材，表面尚有未除凈的油脂，為了將其徹底去除，用強(qiáng)堿氫氧化鈉在50 ℃浸泡5 min，再用清水沖洗，整個(gè)脫脂過程控制參數(shù)如表3。

表3 脫脂工藝參數(shù)

3.3 堿蝕

作為基底材料的鋁板表面，應(yīng)具有一定的粗糙度。由于鋁底材及其表面的氧化鋁膜層均為兩性材料，可利用酸性、堿性或復(fù)合堿性溶液體系對(duì)鋁基底材料的腐蝕作用對(duì)其表面進(jìn)行粗化處理。另外，粗化溶液中還需加入其他物質(zhì)和助劑，使其達(dá)到：（1）加快腐蝕速度；（2）保證表面腐蝕均勻，生成均勻一致的粗化層；（3）保證粗化溶液均勻、穩(wěn)定、可靠，其工藝要求如表4。

表4 堿蝕工藝參數(shù)

4 化學(xué)拋光（浸亮）

由于鋁底基材料中含有其他雜質(zhì)金屬，在粗化過程中易形成無機(jī)化合物粘附在基板表面，因而要對(duì)表面形成的無機(jī)化合物進(jìn)行分析。根據(jù)分析結(jié)果，配制相適應(yīng)的浸亮溶液，將粗化后的鋁基板置于此浸亮溶液中，保證一定的時(shí)間，從而使鋁板的表面干凈并發(fā)亮，工藝參數(shù)如表5。

表5 浸亮工藝參數(shù)

5 電氧化

高阻化學(xué)轉(zhuǎn)化膜的形成，實(shí)際上是借助于電解作用，在鋁板表面上形成一層氧化鋁薄膜的方法，可提高鋁板的表面硬度、耐磨性、抗腐蝕性和電氣絕緣性，并用于鋁板的染色和絕緣浸漬漆打底。鋁板的陽極氧化可分為多種方法，常用的可分為硫酸法、鉻酸法、草酸法。其中以硫酸法最優(yōu)，應(yīng)用最廣泛。鋁基板材在以硫酸為主的電解液中進(jìn)行直流陽極氧化時(shí)，兩極主要進(jìn)行以下的反應(yīng)：

陽極：

將表面粗化并浸亮的鋁板作為陽極，鉛板作為陰極，分別掛入以硫酸為主的電解液中，通入直流電，鋁板表面即被氧化并形成多孔性氧化膜。在此電解液中還需加入一定量的特殊物質(zhì)如添加劑B，可提高氧化膜的致密性，使之形成高阻氧化膜，并借助于加入的表面活性劑，增加溶液導(dǎo)電性的Al3+以及控制硫酸溶液的濃度、氧化時(shí)的電流密度、電壓、時(shí)間、溫度等，使其得到一定厚度的高阻化學(xué)轉(zhuǎn)化膜，具體控制參數(shù)和過程控制如表6。

表6 電氧化工藝參數(shù)

5.1 電氧化與化學(xué)鈍化的區(qū)別

典型的化學(xué)鈍化速率如圖2。

圖2 膜厚與時(shí)間的關(guān)系

從圖2中可以看出，在鋁基板鈍化中，如果采用化學(xué)鈍化，其膜厚以典型負(fù)指數(shù)趨勢(shì)增長(zhǎng)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，膜厚增長(zhǎng)的越來越慢，近似于終止，而采用直流電電解鈍化則不同，它的膜厚隨時(shí)間成正比例增長(zhǎng)，能夠達(dá)到任意指定的厚膜，而化學(xué)鈍化則不能，這就是我們?yōu)槭裁丛阡X基板鈍化中采用電解的方式形成鈍化膜的原因。

5.2 添加劑對(duì)絕緣強(qiáng)度的影響

本實(shí)驗(yàn)將鋁基材裁成30 cm×45 cm切片若干，從中取9片，分別置于添加劑為10 g/L、15 g/L、20 g/L、25 g/L、30 g/L、35 g/L、……的槽液中，電氧化80 min后取出烘干，用CJ2671型耐壓測(cè)試儀測(cè)得絕緣強(qiáng)度如表7。

從表7中可以看出，在30 g/L以下，基板的絕緣強(qiáng)度隨著添加劑濃度的增加而增大，在30 g/L以上，基板的絕緣強(qiáng)度隨著添加劑濃度的增加反而減小，這一現(xiàn)象表明，基板的絕緣強(qiáng)度在以30 g/L為分水嶺，高于或低于趨于減小，也就是說添加劑的濃度最好控制在30 g/L左右。

表7 添加劑與絕緣強(qiáng)度的關(guān)系

5.3 溫度對(duì)絕緣強(qiáng)度的影響

本實(shí)驗(yàn)將從上述裁成切片中取15片放入電解槽液中，分別將溫度設(shè)定為5.0 ℃、7.5 ℃、10.0 ℃、12.5 ℃、15.0 ℃、17.5 ℃……，再電氧化80 min后取出烘干，用CJ2671型耐壓測(cè)試儀測(cè)得絕緣強(qiáng)度如表8。

表8 溫度與絕緣強(qiáng)度的關(guān)系

從表8中可以看出，基板的絕緣強(qiáng)度隨著溫度的升高經(jīng)歷了一個(gè)從高到低再到高的過程，這個(gè)過程以（20 ℃，2250 V）為分界線，低于20 ℃或高于20 ℃時(shí)，基板的絕緣強(qiáng)度都將變低，有鑒如此，我們把溫度設(shè)定在18 ℃ ～ 24 ℃之間。

5.4 電流密度對(duì)絕緣強(qiáng)度的影響

本實(shí)驗(yàn)將從上述裁成切片中取15片放入電解槽液中，分別將電流密度設(shè)定為1.0 A、1.5 A、2.0 A、2.5 A、3.0 A、3.5 A……，再電氧化80 min后取出烘干，用CJ2671型耐壓測(cè)試儀測(cè)得絕緣強(qiáng)度如表9。

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

表9 電流密度與絕緣強(qiáng)度的關(guān)系

5.5 電解時(shí)間對(duì)絕緣強(qiáng)度的影響

本實(shí)驗(yàn)將從上述裁成切片中取15片放入電解槽液中，將電流設(shè)定2.0A，然后依次電解氧化20 min、30 min、40 min、50 min、60 min、70 min…… 后取出烘干，用CJ2671型耐壓測(cè)試儀測(cè)得絕緣強(qiáng)度如表10。

從表10中可以看出電解氧化的時(shí)間越長(zhǎng)，基板的絕緣強(qiáng)度越大；反之，電解氧化的時(shí)間越短，基板的絕緣強(qiáng)度越小，為了和添加劑、溫度、電流密度等匹配，我司把電解時(shí)間設(shè)定在40 min ～ 120 min之間。

表10 電解時(shí)間與絕緣強(qiáng)度的關(guān)系

5.6 膜厚對(duì)絕緣強(qiáng)度的影響

本實(shí)驗(yàn)將已電解氧化的鋁基板一批，用E110B型渦流測(cè)厚儀逐一測(cè)試，從中挑出膜厚為4.0 μm、4.5 μm、5.0 μm、5.5 μm、6.0 μm、6.5 μm、7.0 μm、7.5 μm、8.0 μm、8.5 μm、9.0 μm、9.5 μm、10.0 μm、10.5 μm、11.0 μm、11.5 μm、12.0 μm、12.5 μm、13.0 μm、13.5 μm、14.0 μm鋁基板，用CJ2671型耐壓測(cè)試儀測(cè)得絕緣強(qiáng)度如表11。

表11 膜厚與絕緣強(qiáng)度的關(guān)系

從表11中可以看出氧化膜越厚，基板的絕緣強(qiáng)度越大；反之，氧化膜越薄，基板的絕緣強(qiáng)度越小，這樣我司把氧化膜設(shè)定在18 μm ～ 22 μm之間，設(shè)定在18 μm ～ 22 μm之間是否夸張點(diǎn)？！其實(shí)不夸張，因?yàn)榛逶诎徇\(yùn)、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性能，這樣在膜厚度預(yù)先做點(diǎn)補(bǔ)償是應(yīng)該的。

5.7 電解時(shí)間對(duì)膜厚的影響

本實(shí)驗(yàn)將從上述裁成切片中取15片放入電解槽液中，將電流設(shè)定2.0 A，然后依次電解氧化20 min、30 min、40 min、50 min、60 min、70 min……后取出烘干，用E110B型渦流測(cè)厚儀測(cè)得膜厚如表12。

從表12中可以看出氧化膜與電解氧化時(shí)間呈線性增長(zhǎng)，時(shí)間越長(zhǎng)，氧化膜越厚，也是基于人為或非人為的磨損，我司把電解氧化時(shí)間定在40 min ～120 min之間。

表12 時(shí)間與膜厚的關(guān)系

5.8 電解電壓對(duì)鋁基板孔隙率的影響

本實(shí)驗(yàn)將從上述裁成切片中取10片放入電解槽液中，將電流設(shè)定2.0 A，然后依次電解將電解電壓與自排序電壓的比例調(diào)制成0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30…… 電解80 min后取出烘干，用封孔度測(cè)試儀測(cè)得孔隙率如表13。

從表13中可以看出，鋁基板氧化膜孔隙率跟電解氧化電壓與自排序電壓的比值呈反比，當(dāng)硫酸型鋁電解液的自排序電壓一定時(shí)，孔隙率隨著電解氧化電壓的增加而減小，當(dāng)孔隙率為0.1時(shí)，從機(jī)械的角度來看，這樣的形貌是最穩(wěn)定的，可見，我司把電解氧化電壓定10 V ～ 30 V是合理的。

表13 孔隙率與電解氧化電壓及自排序電壓的關(guān)系

5.9 電流密度對(duì)鋁基板占空率的影響

本實(shí)驗(yàn)將從上述裁成切片中取15片放入電解槽液中，將電流設(shè)定2.0A，然后依次電解氧化20 min、30 min、40 min、50 min、60 min、70 min……后取出烘干，用封孔度測(cè)試儀測(cè)占空率分布如圖3所示。

圖3 鋁基板占空率與電流密度的關(guān)系

從圖3中可以看出，鋁基板占空率跟電流密度的對(duì)數(shù)成正比，電流越大，占空率越高。

5.10 離子電流密度對(duì)鋁基板膜厚的影響

本實(shí)驗(yàn)將從上述裁成切片中取30片，依次放入硫酸濃度為120 g/L、125 g/L、130 g/L、135 g/L、140 g/L、145 g/L……電解槽液中，將電流設(shè)定2.0 A，電氧化80 min后取出烘干，用E110B型渦流測(cè)厚儀測(cè)得膜厚，然后通過硫酸濃度反演，計(jì)算出離子電流密度與膜厚關(guān)系如圖4所示。

圖4 鋁基板氧化膜厚度與離子電流密度的關(guān)系

從圖4中可以看出，鋁基板的膜厚隨著離子電流密度的升高而降低，為了得到良好一致的膜厚，就必須降低離子電流密度的密度，而離子電流密度大小取決于硫酸濃度，在其他條件一定時(shí)，離子電流密度隨著硫酸的濃度而降低，通過提高硫酸濃度來間接降低離子電流密度而達(dá)到增膜的目的。

5.11 電壓、電流密度對(duì)鋁基板膜厚的協(xié)同效應(yīng)

本實(shí)驗(yàn)將從上述裁成切片中取15片放入電解槽液中，分別將電流密度設(shè)定為1.0 A/dm2、1.5 A/dm2、2.0 A/dm2、2.5 A/dm2、3.0 A/dm2、3.5 A/dm2、……，將電壓設(shè)定為10V，并嚴(yán)格控制其他條件后，再電氧化80 min后取出烘干，用E110B型渦流測(cè)厚儀測(cè)得膜厚，作為第一組；在同樣的條件下，將電壓設(shè)定為20 V，在將從上述裁成切片中取15片放入電解槽液中，分別將電流密度設(shè)定為1.0 A/dm2、1.5 A/dm2、2.0 A/dm2、2.5 A/dm2、3.0 A/dm2、3.5 A/dm2、……，電解電氧化80 min后取出烘干用E110B型渦流測(cè)厚儀測(cè)得膜厚，作為第二組；在同樣的條件下，將電壓設(shè)定為30 V，在將從上述裁成切片中取15片放入電解槽液中，分別將電流密度設(shè)定為1.0 A/dm2、1.5 A/dm2、2.0 A/dm2、2.5 A/dm2、3.0 A/dm2、3.5 A/dm2、……，電解電氧化80 min后取出烘干用E110B型渦流測(cè)厚儀測(cè)得膜厚，作為第三組，根據(jù)三組數(shù)據(jù)擬合曲線圖如下所示。

圖5 鋁基板氧化膜厚度與電壓、電流密度的關(guān)系

從圖5中可以看出，鋁基板的膜厚與電壓/電流密度的對(duì)數(shù)成正比，為了得到良好一致的氧化膜層，就必須控制電壓和電流密度，方能滿足客戶需要。

5.12 鋁基板氧化線（極化對(duì)過電位的響應(yīng)）

從圖6中可以看出，真實(shí)鋁基板氧化線位于理想陽極氧化線和陰極還原線之間，在坐標(biāo)軸上方把氧化線往下拉，在坐標(biāo)軸下方還原線往上提，共同維持氧化的正常進(jìn)行。

圖6 鋁基板氧化線（實(shí)線）

6 封閉

鋁板經(jīng)陽極氧化后，在其表面形成多孔性氧化膜，呈蜂窩狀（如圖7）且為路易斯酸。

圖7 為電氧化處理后的鋁基板在高分辨率下SEM電鏡下拍攝的照片

若不對(duì)其表面進(jìn)行封閉處理，將會(huì)吸附大量的水分、塵埃、氣體等雜質(zhì)，對(duì)鋁基覆銅板的耐熱性、耐浸焊性、擊穿強(qiáng)度等會(huì)有很大的影響。因此，必須對(duì)此進(jìn)行封閉處理。一般采用封閉溶液或小分子量的絕緣浸漬漆對(duì)其進(jìn)行封孔處理，具體工藝參數(shù)控制如表14。

表14 封孔工藝參數(shù)

7 后處理

后處理是清除附在鋁基板上雜物，獲得良好一致的氧化層（表15）。

表15 后處理工藝參數(shù)

試驗(yàn)中，我們用E110B型渦流測(cè)厚儀測(cè)量預(yù)先電解過的鋁基板，從中挑選出有代表性17.5 μm、20.0 μm、22.5 μm厚度的基板，然后按下列要求進(jìn)行封閉和后處理，用CJ2671型耐壓測(cè)試儀測(cè)得比擊穿強(qiáng)度如表16。

從表16中看出，不同的封閉條件和后處理?xiàng)l件，對(duì)鋁基板的比擊穿強(qiáng)度影響很大，從這點(diǎn)來看，3#最好。

表16 三種不同封孔+后處理工藝比擊穿強(qiáng)度對(duì)照實(shí)驗(yàn)

8 干燥

將鋁基板置于烤箱中，烘烤60 min，以除去殘存于氧化層中的水汽，便于保存，具體參數(shù)如表17?？傊覀?cè)诹蛩犭娊庖褐屑恿诉m量的添加劑，改善絕緣鋁基板氧化膜的性能和結(jié)構(gòu)的同時(shí)對(duì)硫酸含量、電流密度、電壓進(jìn)行了優(yōu)化組合，從而適應(yīng)客戶的需求，在封段采用低溫加封閉劑的策略，進(jìn)一步提高了氧化膜的絕緣強(qiáng)度。

表17 干燥工藝參數(shù)

［1］傅獻(xiàn)彩主編. 物理化學(xué)（下冊(cè)）［J］. 北京：高等教育出版社， 2006，1：1-150.

［2］周敏主編. 最新印制電路設(shè)計(jì)制作工藝與故障診斷、排除技術(shù)實(shí)用手冊(cè)［M］. 吉林音像出版社：965-981.

［3］胡傳主編. 表面處理技術(shù)手冊(cè)［M］. 北京：北京工業(yè)大學(xué)出版，1997.

程靜，理學(xué)碩士，已獲得9個(gè)國(guó)家發(fā)明專利，發(fā)表數(shù)學(xué)論文、物理論文、化學(xué)論文多篇。

Manufacturing techniques and optimization methods for aluminum based plate

CHEN Jing

This text in detail introduced technical flow of the manufacturing insulated aluminum based plate and the important procedure. We made a plenty of amelioration and optimization about the important procedures.

Anodizing； Insulated Aluminum Based Plate； Polarity

TN41

：A

：1009-0096（2015）10-0027-07