杜紅兵 紀成光 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、高頻率設備關鍵部位功放器件上，在熱傳導、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（預粘結）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，成品具有導電和導熱功能；（3）Post-Bonding（黏結片粘結）工藝：利用粘結劑將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。

金屬基板結構與加工流程

1.1 結構設計

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設計的PCB與金屬基經(jīng)過壓合或焊接而成的復合型PCB。金屬基板設計圖（見圖1）。

1.2 流程設計

子板、母板工藝流程如下。

圖1 金屬基板設計圖

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→轉母板

1.2.2 母板流程

開料→銑或沖粘結片→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；（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)時這種電位差會導致金屬基被腐蝕，當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較弱，引起板邊沉不上鎳或金導致金屬基外露氧化，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）以及黏結材料特性等，經(jīng)過大量實驗確認根本原因是壓合面粗糙度?。ㄈ鐖D4）。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。由于盲槽設計，盲槽尺寸變化時，難以識別凹陷風險，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）設計導致：盲槽對應位置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，剛性不足導致凹陷；

（3）緩沖材料具有彈性，壓板時盲槽對應位置受壓變大而凹陷。

2.4.3 試驗方案

設計不同尺寸盲槽，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盲槽設計提供指引（見表2）。

表2 盲槽制作能力方案設計

2.5 壓合層間對準度改良

2.5.1 設計特點

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

表3 PCB和金屬基開槽設計

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)化設計銷釘直徑和長度；（3）設計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 研究過程及結果

3.1 槽孔位流膠改良

3.1.1 NO-Flow半固化片特性確認

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果

3.1.2 不同壓力條件對流膠影響

設計壓板程序高壓壓力200 psi、300 psi和400 psi，測試結果（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=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致半固化片局部高溫熱熔固化產(chǎn)生樹脂膠粒，導致槽位流膠；

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 不同排板疊層結構對金面變色影響

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。階梯槽設計（見圖10）。

圖10 階梯槽設計尺寸示意圖圖

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)層間對準度能力達0.10 mm。

3.6 量產(chǎn)合格率提升

對工藝難點技術攻克，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、實現(xiàn)了研究成果向生產(chǎn)力轉化。