林 海

（梅州科捷電路有限公司，廣東 梅州 514000）

1 概述

眾所周知，鋁基印制板的制作工藝與傳統(tǒng)的FR-4有所不同，鋁基印制板翹曲度，在很大程度上依賴于成型工藝的控制，成型的質(zhì)量直接影響到成品板子的尺寸和翹曲度，也是鋁基板整個(gè)生產(chǎn)流程較難控制的工藝之一，我公司對于鋁基板的沖板工藝和反翹工藝控制的體會。

2 成型工藝

目前，在業(yè)界鋁基板成型的四種方法，分別為：銑外型、切割、剪外型、沖外型，其中批量生產(chǎn)最通用也是最快捷的方法是沖板的方式（即沖外型）。由于其具有精、準(zhǔn)、快的優(yōu)點(diǎn)，所以一直以來常被鋁基板生產(chǎn)廠家廣泛采用，但是沖模的設(shè)計(jì)方法會直接影響到?jīng)_板后的翹曲度，沖外型后，金屬基板平整度仍不符合要求，這些板子應(yīng)如何來處理呢？這就關(guān)系到一個(gè)反翹曲模具的設(shè)計(jì)了。

2.1 沖板設(shè)備的選擇

沖板設(shè)備一般采用較大噸位的機(jī)械沖床，為了解決由于印制板在預(yù)熱條件下沖切時(shí)其孔的徑向收縮率較大，而沖頭產(chǎn)生緊密咬合造成脫料困難的問題，現(xiàn)業(yè)界在60 T以上的沖床均裝有液壓卸料或機(jī)械輔助脫料裝置，其沖力及脫料力的計(jì)算方法如下：

沖切力P沖＝1.3StT0（N）

S——沖切周長（mm）；

t——板材厚度/mm；

T0 ——板材抗剪強(qiáng)度，N/mm2；

1.3 ——沖床安全系數(shù)。

脫料力P＝(0.2～0.3)P沖(N)

｛(0.2～0.3)——脫料系數(shù)｝。

沖床的種類按照沖次（即速度）可以分為三類：普通沖床（速度在100次以下）；小高速沖床（速度在200～400次左右）；高速沖床（速度在500次以上）。按照動(dòng)力方式分三類：氣壓沖床（氣壓驅(qū)動(dòng)，做小噸位，10T以下的）；液壓沖床（油壓驅(qū)動(dòng)，做大噸位的）機(jī)械沖床（電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，適合做任何噸位的）。在通常情況下沖鋁基板一般選擇小高速以上的液壓或機(jī)械沖床，生產(chǎn)鋁基板的沖床噸位包括45T、63T、100T、110T等，全是高速液壓和機(jī)械式類型，根據(jù)不同客戶不同大小的板子利用公式計(jì)算選擇相適應(yīng)噸位的沖床。

2.2 模具的設(shè)計(jì)

模具制作對于整個(gè)沖板過程起著決定性的作用，其制作方法與通常沖FR-4板料的工藝有所不同，在上世紀(jì)90年代由于當(dāng)時(shí)大家所用到的鋁基板只是起著一個(gè)散熱作用，而其它基材結(jié)構(gòu)因素未能考慮在內(nèi)，例如銅厚、介質(zhì)層厚度、介質(zhì)層材料耐壓等等，因此人們通常采用與FR-4相同模具沖板。隨著高頻技術(shù)的不斷發(fā)展，人們所需求的不單是高速散熱的性能，還講究具備高頻傳輸中所需要的大功率電源，并且具備了電絕緣性和耐電壓性、高溫及高濕可靠性、耐沖擊性和耐熱性等特點(diǎn)，因此對于鋁基板的介質(zhì)層材料有了一個(gè)更高更特殊的要求，而且介質(zhì)層厚度越來越薄，導(dǎo)致對于沖模的設(shè)計(jì)也是一個(gè)考驗(yàn)，如果按通常的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行沖板，那么會帶來壓傷線路、阻焊及介質(zhì)層（如下圖），造成高壓測試閃火被擊穿等問題：

（1）壓傷（圖1）：

圖1

（2）壓傷鋁基板在過高壓測試時(shí)被擊穿（圖2）：

圖2

原因分析：

由于傳統(tǒng)模具的制作上模是一個(gè)平整的表面，沖板時(shí)所有的沖力都作用于板面，沖板受力是上剪下拉，并且一般鋁基板的銅厚都比較厚，而銅厚越厚它與介質(zhì)層接觸的一面粗糙度越大，因此當(dāng)受到重力沖擊時(shí)容易刺穿介質(zhì)層造成同鋁基層短接（圖3）。

改善方案：

以上問題出現(xiàn)原因有兩點(diǎn)，一是模具設(shè)計(jì)合理性，另一是印制板的線路設(shè)計(jì)合理性，任何一方面設(shè)計(jì)上存在問題都有可能導(dǎo)致問題發(fā)生，因?yàn)榘遄邮艿綇?qiáng)大的機(jī)械壓力會引起很薄的絕緣層結(jié)構(gòu)（例如50μm、70μm）發(fā)生變化，也可能會導(dǎo)致絕緣層開裂。為此，需作如下兩方面的改進(jìn)：

（1）更改模具的設(shè)計(jì)

為避免板子線路接觸到強(qiáng)大的沖模壓力，必須在上模芯表面中間的位置掏空。掏空的方法是用電火花蝕去，四邊遺留一定的位置（如4圖），將其下沖壓力作用于無線路區(qū)域，從而減緩脫膜時(shí)鋁基板四周阻力大，力的作用點(diǎn)集中在中間，避免板中間凸起來的問題。注意不同銅厚所掏空的高度都不同，具體高度數(shù)值計(jì)算為線路銅厚加上0.13 mm（5 mil）的空間。

圖3

（2）更改板子的線路設(shè)計(jì)

由于掏空過的上模芯的力量在沖板時(shí)全部作用于板邊，因此對于板邊的遺留寬度尺寸具有一定的要求，不能太小，具體的尺寸與鋁基的厚度有直接的關(guān)系，尺寸遺留值為鋁基的厚度加0.5 mm，加0.5 mm的原因是考慮到線路邊阻焊油墨層厚度及沖床定位精度偏差（如圖5）。

圖4

圖5

2.3 沖模的調(diào)試

模具做好后安裝前調(diào)試也是做好鋁基板的關(guān)鍵步驟，鋁基板沖模的調(diào)試與FR-4、CEM3板子的沖模要求是不同的，沖模調(diào)試不好，帶來的問題是外形的孔邊毛刺、邊緣掉阻焊、公差超標(biāo)、翹曲度超標(biāo)、孔邊掉阻焊等（如圖6、圖7），因此在安裝調(diào)試前必須檢查沖床的沖裁力、剛性是否足夠；模具設(shè)計(jì)是否合理、剛性是否足夠；凸、凹模及導(dǎo)柱、導(dǎo)套的加工精度是否達(dá)到、安裝是否同心、垂直；凸、凹模刃口不允許圓角、倒角；凸模不允許有錐度、推料板和打料桿是否合理等也是鋁基板沖板缺陷分析時(shí)要考慮的因素。

圖6

圖7

沖模調(diào)試重要一環(huán)是找出上模與下模之間最佳配合間隙，而凸模與凹模刃口之間的間隙是影響沖裁件斷面質(zhì)量的重要因素。合理間隙的理論計(jì)算依據(jù)是在斷裂分離的起始階段，材料在凸模與凹模刃口處產(chǎn)生的裂紋成直線會合；配合間隙是否均勻、凸、凹的間隙過小或過大都會產(chǎn)生質(zhì)量缺陷，這幾項(xiàng)是模具設(shè)計(jì)、加工、調(diào)試、使用中需要綜合考慮的問題。此外，板厚問題同樣需要考慮，不同鋁基板的板厚具有不同相對應(yīng)的上下模之間的間隙，下面是一個(gè)板厚與上下模間隙的比例圖示（圖8）。

圖8 間隙與板厚的關(guān)系

3 壓板翹工藝

隨著通訊產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，對加工完成的鋁基印制板翹曲度要求很苛刻，通常要求0.5%，有的客戶要求0.2%，0.15%，甚至是+0-0.15 mm。翹曲方向只能線路面凹下去，而絕對不允許鋁基面呈凹型，因?yàn)橹挥袖X基面稍為凸起，熱量才能散發(fā)出去，若呈凹型，熱量會集中在凹處，會導(dǎo)致燒壞部分元器件。有些客戶對于鋁基板翹曲度有特定的要求，完全平整不可以，翹曲度太大同樣不允許，檢查平整度，若客戶要求翹曲度≤0.2%，且翹曲部位鋁基面積只許凸，不許凹，凡不合格的印制板判作報(bào)廢。

3.1 板翹原因

鋁基印制板PCB的彎曲、扭曲及平整性同所使用沖剪、切割等機(jī)械加工工具的結(jié)構(gòu)有關(guān)，同電路層、絕緣導(dǎo)熱層及金屬基層不同的膨脹系數(shù)有密切的關(guān)系，由導(dǎo)電層（銅箔）與金屬基層（鋁板）厚度的比率確定，比率越大，彎曲程度越大。因電路層（銅箔）與金屬基層之間的膨脹系數(shù)的差異，鋁基PCB板總有某種程度的彎曲。其彎曲程度也取決于保留在PCB板上銅的數(shù)量和線路的寬度，如果線路很窄，因膨脹系數(shù)引起的應(yīng)力就會消化在絕緣導(dǎo)熱層中。一般情況下銅的熱膨脹系數(shù)是17.2μm/m·℃，而鋁的熱膨脹系數(shù)是23μm/m·℃。

3.2 壓板翹方案

鋁基板板翹曲幾乎是所有生產(chǎn)廠家經(jīng)常遇到的一個(gè)難題，人們在尋找預(yù)防板翹措施的同時(shí)不斷地尋找一些補(bǔ)救方案，也就是鋁基板的壓板翹方法，用機(jī)器壓平客戶是不接受的，因?yàn)橐詮?qiáng)大的機(jī)械壓力壓平板子會引起很薄的絕緣層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，可能會引起絕緣層發(fā)生開裂，最終造成高壓測試失敗，我們通過不斷試驗(yàn)，總結(jié)出如下2種方法對翹曲度不合格的鋁基板作板翹處理。

3.2.1 滾輪壓翹板法

此方法是采用普通的壓板翹機(jī)（如圖9），具有方便、快捷的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過壓板翹的板還要將其模仿過回流焊檢測板翹效果。這種方法可以達(dá)到預(yù)定的效果，但是只能針對于一般的鋁基板。但這種方法具有一定的隱患,可能會對部分鋁基板的介質(zhì)層產(chǎn)生破壞作用，導(dǎo)致板面有裂開的現(xiàn)象（如圖10），后續(xù)的耐高壓測試通不過，而且在經(jīng)過回流焊后容易反彈。通常不建議使用此方法

圖9

圖10

3.2.2 模具整平法

對于一些較薄介質(zhì)層、厚銅及厚鋁的板子采用滾輪壓翹的方法是難以實(shí)現(xiàn)整平的效果的，需要采用一種特制的模具對已經(jīng)沖出的板進(jìn)行整平。這種模具的上模為一塊特殊的高彈力橡膠，帶有一定的弧度，凸形表面，該凸形的弧度根據(jù)不同客戶的不同要求而制定，下模是一層特殊的鋼材，帶有一定弧度，凹形表面，該凹形的弧度與上模凸形的弧度相同（如圖11）。

圖11

此方法經(jīng)過我們無數(shù)次的試驗(yàn)，雖然效率比滾輪法慢，但是它可以根據(jù)不同客戶的不同要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，而且整平效果穩(wěn)定，在貼裝后過回流焊仍能達(dá)到客戶的要求，我們認(rèn)為這是目前鋁基板整平最有效的一種方法。

4 小結(jié)

經(jīng)過多年的實(shí)踐，鋁基印制板的成型工藝，直接與板子線路和沖模的設(shè)計(jì)、模具的調(diào)節(jié)、壓板翹方法有著密切的關(guān)系，隨著電子產(chǎn)品的多元化不斷發(fā)展、鋁基板的應(yīng)用越來越廣，我們愿意和業(yè)內(nèi)的同行一道研究和探索新的解決方法，使國內(nèi)的金屬基印制板的工藝迅速走在世界前列！

[1]李乙翹, 陳長生. 印制電路機(jī)械加工[M]. 印制電路第4節(jié), 化學(xué)工業(yè)出版發(fā)行.

[2]梁志立. 特種印制板技術(shù)[M]. 現(xiàn)代印制電路先進(jìn)技術(shù)第六章, CPCA出版發(fā)行,2003,9.