Défis techniques dans la fabrication de circuits imprimés à base de 2 couches en aluminium: solutions pour une production fiable

Les PCB de base en aluminium à 2 couches (MCPCB) sont l'épine dorsale de l'électronique haute puissance - de l'éclairage LED aux modules de charge EV - grâce à leur conductivité thermique supérieure (1–5 W / m · K) par rapport aux PCB FR4 traditionnels (0,3 W / m · k). Cependant, leur structure unique - un noyau en aluminium lié à une couche diélectrique et à des traces de cuivre - introduit des obstacles techniques qui n'existent pas dans la fabrication standard des PCB. Le délaminage, les défauts de résine et la défaillance du masque de soudure ne sont que quelques problèmes qui peuvent faire dérailler la production, réduire le rendement et compromettre la fiabilité du produit final.

Pour les fabricants et les ingénieurs, la compréhension de ces défis est essentielle pour fournir des PCB de base en aluminium à 2 couches cohérentes et hautes performances. Ce guide décompose les difficultés techniques les plus courantes dans le traitement des PCB de base en aluminium à 2 couches, les compare à la fabrication FR4 standard et fournit des solutions exploitables - soutenues par les données et les meilleures pratiques de l'industrie. Que vous produisiez des pilotes LED ou des alimentations industrielles, ces informations vous aideront à surmonter les goulots d'étranglement de production et à construire des PCB qui résistent à la contrainte thermique et aux environnements difficiles.

Principaux à retenir
1. défaillances de liaison: le délaminage entre le noyau en aluminium et la couche diélectrique provoque 35% des défauts de PCB de base en aluminium à 2 couches - résolus par un contrôle de laminage précis (180–200 ° C, 300–400 psi) et des résines à haute adhérence.
2. défauts de résin: bouillonnement et fissuration dans la couche diélectrique réduisent la conductivité thermique de 40% - révenue en utilisant des résines TG élevées (TG ≥ 180 ° C) et un dégazage à l'aspirateur.
3. Problèmes de masque des élans: La surface lisse de l'aluminium entraîne des taux d'épaissage du masque de soudure 25% plus élevés - additionné avec un dynamitage de grain (RA 1,5 à 2,0 μm) et des masques de soudure de soudure UV.
4. Fiabilité du cycle thermique: les PCB de base en aluminium à 2 couches échouent 2x plus souvent que FR4 en -40 ° C à 125 ° C cycles - attiré par la correspondance du CTE (coefficient d'expansion thermique) entre les couches et en utilisant des diélectriques flexibles.
5. Efficacité du coût: le contrôle correct du processus de processus réduit les taux de défaut de 20% à 5%, ce qui réduit les coûts de reprise de 0,80 $ à 2,50 $ par PCB en production à haut volume.

Qu'est-ce qu'un PCB de base en aluminium à 2 couches?
Un PCB de base en aluminium à 2 couches se compose de trois composants centraux, empilés dans une structure «cuivre-diélectrique-aluminium-cuivre»:

1. CORE D'ALUMINUM: Fournit une rigidité mécanique et agit comme un épandeur de chaleur (généralement 0,5 à 3 mm d'épaisseur, 6061 ou 5052 alliages d'aluminium).
2.Courès dielectrique: un matériau isolant (par exemple, résine époxy, polyimide) qui lie le noyau en aluminium aux traces de cuivre - critique pour l'isolation électrique et le transfert thermique.
3. Traces de cuivre: Foil de cuivre de 1 à 3 oz des deux côtés de la pile diélectrique / en aluminium - CARRES SIGNAUX ÉLECTRIQUES ET PUISSANCE.

Contrairement aux PCB FR4 standard (qui utilisent la fibre de verre comme noyau), la conductivité thermique de la base en aluminium rend les MCPCB à 2 couches idéaux pour les applications de haute puissance (10W +). Cependant, cette structure crée également des défis de fabrication uniques, car les propriétés de l'aluminium (forte dilatation thermique, surface lisse) s'affrontent avec des méthodes de traitement des PCB traditionnelles.

PCB de base en aluminium à 2 couches vs PCB FR4 standard: Comparaison de fabrication

Pour contextualiser les difficultés techniques des PCB de base en aluminium à 2 couches, il est essentiel de les comparer aux PCB FR4 standard - le type de PCB le plus courant. Le tableau ci-dessous met en évidence les principales différences dans les matériaux, les processus et les défis:

Exemple: Un fabricant produisant 10 000 PCB de base en aluminium à 2 couches pour les conducteurs LED a connu un taux de défaut de 18% - VS. 7% pour les PCB FR4 de la même complexité.

Les principaux problèmes: délaminage (6%) et pelage du masque de soudure (5%).

Mostons techniques supérieurs dans le traitement des PCB de base en aluminium à 2 couches
La fabrication de PCB de base en aluminium à 2 couches implique plus de 5 étapes critiques, chacune avec des défis uniques. Voici les problèmes les plus courants et leurs causes profondes:

1. Échec de la liaison diélectrique-aluminium (délaminage)
Le délaminage - la séparation entre le noyau en aluminium et la couche diélectrique - est la difficulté technique n ° 1 dans le traitement des PCB de base en aluminium à 2 couches. Il se produit lorsque le diélectrique ne parvient pas à adhérer à la surface de l'aluminium, créant des écarts d'air qui réduisent la conductivité thermique et l'isolation électrique.

Causes profondes:
A. Préparation de surface inadéquate: la couche d'oxyde naturel de l'aluminium (10 à 20 nm d'épaisseur) agit comme une barrière à l'adhésion. Sans nettoyage ou rugueux approprié, le diélectrique ne peut pas se lier en toute sécurité.
B.Carmassement des paramètres de la résolution: température trop basse (≤170 ° C) empêche le durcissement de la résine; Trop haute pression (> 450 psi) serre l'excès de résine, créant des taches minces.
C.Moistation dans la résine: vapeur d'eau dans la résine diélectrique se vaporise pendant la stratification, formant des bulles qui affaiblissent la liaison.

Impact:
A. La conductivité thermique baisse de 50% (par exemple, de 3 W / m · K à 1,5 W / m · k), conduisant à une surchauffe des composants.
B. L'isolation électrique échoue à des tensions élevées (≥250 V), provoquant des courts-circuits.
Les PCB délaminés ont un taux de défaillance de 70% plus élevé en cyclisme thermique (-40 ° C à 125 ° C).

Données:

2. Défauts de résine diélectrique (bouillonnement, fissuration)
La couche diélectrique est la «colle» des PCB de base en aluminium à 2 couches, mais elle est sujette à deux défauts critiques: bouillonner (pendant la stratification) et fissuration (pendant le cyclisme thermique).

Causes profondes de bouillonnement:
a.moistation dans la résine: la résine stockée dans des conditions humides (> 60% RH) absorbe l'eau, qui se vaporise pendant la stratification (180 ° C +), créant des bulles.
B. Dedassage à vide inadéquat: l'air piégé dans la résine n'est pas retiré avant la plastification, formant des vides.
C. Problèmes de viscosité de la résine: la résine à faible viscosité s'écoule trop, laissant des zones minces; La résine à haute viscosité ne comble pas les lacunes, créant des poches d'air.

Causes profondes de la fissuration:
A. ROW-TG RÉSIN: Résines avec TG <150 ° C adoucissent à des températures élevées (≥125 ° C), conduisant à la fissuration lorsqu'elle est refroidie.
L'inadéquation B.CTE: le CTE de l'aluminium (23 ppm / ° C) est presque le double de celui de la résine époxy standard (12 ppm / ° C). Le cyclisme thermique fait que les couches se développent / se contractent à différents taux, soulignant la résine.

Impact:
A. les bandes réduisent la conductivité thermique de 40%, ce qui fait que les conducteurs LED surchauffent et échouent prématurément.
B.Cracks compromet l'isolation électrique, ce qui conduit à des taux de défaillance de champ 20% plus élevés dans les applications industrielles.

Données:

3. Problèmes d'adhésion et de couverture du masque de soudure
Le masque de soudure protège les traces de cuivre de la corrosion et des ponts de soudure - mais la surface lisse et non poreuse de l'aluminium rend difficile pour le masque de soudure. Cela conduit à deux défauts communs: les pelage et les trous d'épingle.

Causes profondes du pelage:
A. rugosité de surface insuffisante: la PR naturelle de l'aluminium (0,1 à 0,5 μm) est trop lisse pour que le masque de soudure soit adapté. Sans grondement, la résistance à l'adhésion baisse de 60%.
B. surface contaminée: l'huile, la poussière ou l'oxyde résiduel sur l'aluminium empêche la liaison du masque de soudure.
C. Masque à souder incompatible: les masques de soudure FR4 standard (formulés pour la fibre de verre) n'adhèrent pas à l'aluminium.

Causes profondes des trous d'épingle:
A. Épaisseur du masque de soudure de la porte: le masque de soudure trop mince (≤ 15 μm) développe des trous d'épingle pendant le durcissement.
B. Air attaché dans le masque de soudure: les bulles d'air dans le masque de soudure liquide éclatent pendant le durcissement UV, laissant de petits trous.

Impact:
A.Peling expose les traces de cuivre à la corrosion, augmentant les défaillances de champ de 25% dans des environnements humides.
B. Les étages provoquent des ponts de soudure entre les traces, conduisant à des circuits courts dans des conceptions à haute densité.

Données:

4. Défis d'usinage de base en aluminium
La douceur de l'aluminium (alliage 6061: 95 Ho) le rend sujette à la déformation pendant la coupe, le forage et le routage - étapes critiques dans le traitement de PCB de base en aluminium à 2 couches.

Causes profondes:
A. TOLLING DE SULL: Bits de forage terne ou lames de routeur déchire l'aluminium au lieu de le couper, créant des terrifiants (0,1 à 0,3 mm) qui court-circuités.
B. Vaxe de coupe excessive: Vitesses> 3 000 tr / min génèrent de la chaleur, faisant fondre la couche diélectrique et de l'aluminium de liaison à l'outillage.
C. Fixation inadéquate: la flexibilité de l'aluminium provoque des vibrations pendant l'usinage, conduisant à des bords inégaux et à des trous mal alignés.

Impact:
A.Burrs nécessite un déburricule manuel, ajoutant 0,20 $ à 0,50 $ par PCB en coûts de main-d'œuvre.
B. Les trous de dissaligne (± 0,1 mm) brisent les vias, réduisant le rendement de 8 à 10%.

Données:

5. Fiabilité du cyclisme thermique
Les PCB de base en aluminium à 2 couches sont conçus pour des applications de chaleur élevée - mais le cycle thermique (-40 ° C à 125 ° C) provoque toujours 30% des défaillances du champ. La cause profonde: décalage CTE entre l'aluminium, le diélectrique et le cuivre.

Causes profondes:
A. Créablecatte: L'aluminium (23 ppm / ° C) se dilate 2x plus rapidement que le cuivre (17 ppm / ° C) et 3x plus rapide que l'époxy (8 ppm / ° C). Cela crée un stress aux interfaces de couche.
B. Brittle Diélectrique: les résines à faible flexibilité se fissurent sous une expansion / contraction répétée.
C.Weak via les connexions: les vias reliant les deux couches de cuivre peuvent s'éloigner du diélectrique pendant le vélo.

Impact:
PCB de base en aluminium AA à 2 couches pour un module de charge EV a échoué après 500 cycles thermiques - VS. 1 000 cycles pour une planche correctement conçue.
Échecs liés au C.CTE COST COST DES Fabricants de 100 000 $ à 500 000 $ par an en réclamations de garantie.

Données:

Solutions pour surmonter les défis de traitement des PCB de base en aluminium à 2 couches
S'attaquer aux difficultés techniques ci-dessus nécessite une combinaison de sélection de matériaux, d'optimisation des processus et de contrôle de la qualité. Vous trouverez ci-dessous des solutions éprouvées, soutenues par les données de l'industrie:
1. Fixation de panne de liaison diélectrique-aluminium
A. Préparation de la surface: Utilisez le grain explosion (milieu d'oxyde d'aluminium, 80–120 grain) pour atteindre RA 1,5–2,0 μm - cela supprime la couche d'oxyde et crée une surface rugueuse pour l'adhésion en résine. Suivez avec un nettoyage à ultrasons (60 ° C, 10 minutes) pour éliminer les débris.
B. Optimisation de la résolution:
Température: 180–200 ° C (guérit la résine sans brûler).
Pression: 300–400 psi (assure un contact complet en résine avec l'aluminium).
Vacuum: -95 kPa (supprime les poches d'air).
C. Sélection de la résine: choisissez des résines époxy avec des agents de couplage de silane (par exemple, A-187) - ces produits chimiques lient la résine à l'oxyde d'aluminium, augmentant la résistance de la liaison de 50%.

Résultat: un fabricant utilisant le grain dynamitage + la résine couplée de silane a réduit la délamination de 12% à 2%.

2. Empêcher la résine bouillonnant et craquer
A. Contrôle de la masse: stocker la résine dans une pièce sèche (RH <30%) et pré-sécher à 80 ° C pendant 2 heures avant utilisation - cela enlève 90% d'humidité.
B.vacuum dégâts: résine degas à -90 kPa pendant 30 minutes pour éliminer l'air piégé - la vitesse de bulle de 18% à 5%.
C. résines flexibles High-TG: Utilisez des mélanges époxy-polyimide (TG ≥ 180 ° C, CTE 12–15 ppm / ° C) - Cela résiste à la fissuration pendant le cycle thermique et à maintenir la flexibilité.

Résultat: Un fabricant LED est passé à une résine époxy-polyimide à TG élevé, réduisant les défauts de résine de 22% à 4%.

3. Assurer l'adhérence du masque de soudure
A. Traitement de surface agressif: combiner le grain explosion (RA 1,5 μm) avec un nettoyage du plasma (plasma d'oxygène, 5 minutes) - Cela élimine l'huile résiduelle et active la surface de l'aluminium, augmentant l'adhésion du masque de soudure de 80%.
B. Masque de soudure spécifique à l'aluminium: Utilisez des masques de soudure prudents UV formulés pour l'aluminium (par exemple, DuPont PM-3300 AL) - Ce qui contiennent des promoteurs d'adhésion qui se lient à l'oxyde d'aluminium.
C. épaisseur optimale: appliquez un masque de soudure à 25–35 μm (2–3 couches) pour éviter les trous d'épingle - vireurs avec une lumière UV (365 nm, 500 mJ / cm²) pour une réticulation complète.

Résultat: un fournisseur de télécommunications utilisant un masque à soudure spécifique à l'aluminium a réduit le pelage de 18% à 3%.

4. Optimisation d'usinage en aluminium
A. outillage de sharp: Utilisez des bits de forage en carbure (angle de point de 135 °) et remplacez-les après 300 trous - cela réduit les terres à <50 μm.
B. Vitesse / alimentation contrôlée:
Forage: 2 000 à 2 500 tr / min, 0,1 mm / REV Taux d'alimentation.
Routing: 1 500 à 2 000 tr / min, 0,2 mm / REV Taux d'alimentation.
C. Fixturing Vacuum: fixer le noyau en aluminium avec une aspiration sous vide pendant l'usinage - élimine les vibrations et améliore l'alignement des trous à ± 30 μm.

Résultat: Un fabricant de contrats utilisant le fixation de vide a augmenté le rendement d'usinage de 82% à 98%.

5. Améliorer la fiabilité du cyclisme thermique

A.CTE Matching: Utilisez de l'aluminium cuivre en cuivre (CCA) au lieu de l'aluminium pur - CCA a un CTE de 18 ppm / ° C (plus proche de 17 ppm / ° C) de 23 ppm / ° de l'aluminium pur. Cela réduit la contrainte thermique entre les couches de 40%.
B. Intégration diélectrique inflexible: Incorporez une fine couche de polyimide (CTE 15 ppm / ° C) dans la pile diélectrique - sa flexibilité absorbe les forces d'expansion / contraction, réduisant les taux de fissure de 22% à 3%.
C. Renforcé via la conception: utilisez des vias thermiques (0,3–0,5 mm de diamètre, remplis de cuivre) autour de composants de chaleur élevée (par exemple, LED, régulateurs de tension). Space vias à 2 à 3 mm pour créer un chemin de chaleur qui réduit via 60%.

Étude de cas: Un fabricant de modules de charge EV est passé aux noyaux de l'ACC et aux diélectriques flexibles. La survie du cycle thermique est passée de 500 à 1 500 cycles, et les réclamations de garantie ont chuté de 75%, ce qui économise 300 000 $ par an.

Contrôle de la qualité: test pour la fiabilité des PCB de base en aluminium à 2 couches
Même avec l'optimisation des processus, des tests rigoureux sont essentiels pour saisir des défauts avant que les PCB n'atteignent les clients. Vous trouverez ci-dessous les tests les plus importants pour les PCB de base en aluminium à 2 couches, ainsi que les critères de passe / échec:

Meilleure pratique: pour la production à volume élevé (10k + unités / semaine), testez 1% de chaque lot. Pour les applications critiques (par exemple, l'automobile, médical), augmentez l'échantillonnage à 5% pour éviter les défaillances sur le terrain.

Application du monde réel: surmonter les défis dans les PCB d'éclairage LED
L'éclairage LED est le plus grand marché pour les PCB de base en aluminium à 2 couches, ce qui représente 45% de la demande mondiale de MCPCB (LeDInInside 2024). Un fabricant LED leader a été confronté à trois problèmes critiques avec ses PCB de base en aluminium à 2 couches: la délamination (taux de défaut de 15%), le bouillonnement de résine (12%) et le pelage du masque de soudure (8%). Voici comment ils les ont résolus:

1. Solution de délamination
A. Nettoyage chimique supposé avec un grain d'oxyde d'aluminium à 80 grains (RA 1,8 μm) suivi d'un nettoyage à ultrasons.
B.Switch à la résine époxy avec des agents de couplage de silane (A-187) et la stratification optimisée: 190 ° C, 350 psi, -95 kPa sous vide.
C.Result: La délamination est tombée à 2%.

2. Solution de bouillonnement en résine
A. implémenté une pièce sèche (Rh <25%) pour le stockage en résine et ajouté une étape de dégazage à l'aspirateur (-90 kPa, 30 minutes) avant la laminage.
B.Sproqué de l'époxy à faible TG (TG 130 ° C) à un époxy-polyimide à TG élevé (TG 190 ° C).
C.Result: le bouillonnement est tombé à 3%.

3. Solution de pelage du masque de soudure
A. Utilisé le nettoyage du plasma à l'oxygène (5 minutes, 100 W) après un grabuage pour activer la surface de l'aluminium.
B. Adopté un masque de soudure à UV-UV spécifique à l'aluminium (DuPont PM-3300 AL) appliqué à 30 μm d'épaisseur.
C. Result: peeling réduit à 1%.

Résultat final
A. Le taux de défaut de toute allure est passé de 35% à 6%.
B. Les coûts de réduction ont chuté de 1,20perpcb, sauvant 120k par an (100 000 unités / an).
La durée de vie du conducteur en C.Led est passée de 30 000 à 50 000 heures, ce qui concerne les normes de sécurité EN 62471 pour l'éclairage commercial.

Analyse coûts-avantages: investir dans l'optimisation des processus
De nombreux fabricants hésitent à investir dans un grain dynamitage, des résines TG élevés ou des tests spécialisés - sur les coûts initiaux. Cependant, les économies à long terme l'emportent de loin sur les dépenses initiales. Vous trouverez ci-dessous une ventilation coûts-avantages pour une ligne de production de PCB de base en aluminium PCB de 100 000 unités / an

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Insigne des clés: l'optimisation du processus est versé pour lui-même dans 2 à 3 mois pour les lignes à volume élevé. Pour la production à faible volume (10 000 unités / an), les économies sont plus petites (22,5 000 $ / an) mais justifient toujours des investissements, en particulier pour des applications critiques comme l'automobile ou le médical.

FAQ sur un traitement de base de base en aluminium à 2 couches
Q1: Quel est le meilleur alliage d'aluminium pour les MCPCB à 2 couches?
R: 6061 L'aluminium est la norme de l'industrie - il équilibre la conductivité thermique (167 W / m · k), la machinabilité et le coût. Pour les applications à haute température (≥150 ° C), utilisez 5052 aluminium (138 W / m · k), qui a une meilleure résistance à la corrosion. Évitez l'aluminium pur (alliage 1050) - il est trop doux et sujet à la déformation.

Q2: Les PCB de base en aluminium à 2 couches peuvent-ils utiliser une soudure sans plomb?
R: Oui, mais la soudure sans plomb (par exemple, SN-AG-Cu) a un point de fusion plus élevé (217 ° C) que la soudure au plomb (183 ° C). Pour éviter la délamination:
Utilisez un diélectrique TG élevé (TG ≥ 180 ° C) pour résister aux températures de reflux.
Préchauffer lentement le PCB (2 ° C / sec) pendant la reflux pour éviter les chocs thermiques.

Q3: Quelle est l'épaisseur de la couche diélectrique pour les PCB de base en aluminium à 2 couches?
R: 0,1 à 0,3 mm est idéal. Le diélectrique plus mince (<0,1 mm) réduit la résistance à l'isolation (risque de court-circuits), tandis que le diélectrique plus épais (> 0,3 mm) abaisse la conductivité thermique de 30%. Pour les applications à haute tension (≥500 V), utilisez 0,2 à 0,3 mm diélectrique pour répondre aux normes d'isolation CEI 60664.

Q4: Quelle est la densité de puissance maximale à 2 couches Les PCB de base en aluminium peuvent gérer?
R: Typiquement 5 à 10 W / cm² - 3x supérieur aux PCB FR4 (1–2 W / cm²). Pour une puissance plus élevée (10–20 W / cm²), ajoutez des vias thermiques ou un dissipateur thermique au noyau en aluminium. Par exemple, un MCPCB à 2 couches avec un noyau en aluminium de 2 mm et un diélectrique de 0,2 mm peut gérer 8 w / cm² pour les applications LED.

Q5: Comment choisir entre l'époxy et le polyimide diélectrique pour les PCB de base en aluminium à 2 couches?
R: Utilisez de l'époxy pour les applications à basse température sensibles au coût (≤125 ° C) comme les LED consommateurs. Utilisez des mélanges de polyimide ou époxy-polyimide pour des applications à haute température (≥150 ° C) ou à l'environnement dur (automobile, industrielle), où la flexibilité et la résistance thermique sont essentielles.

Conclusion
Les PCB de base en aluminium à 2 couches offrent des performances thermiques inégalées pour l'électronique haute puissance, mais leur structure unique introduit des défis techniques que la fabrication FR4 standard ne traite pas. La délamination, les défauts de résine, le pelage du masque de soudure et les défaillances du cyclisme thermique sont courants, mais ils ne sont pas insurmontables.

En investissant dans l'optimisation des processus - explosion de grille pour la préparation de surface, les résines flexibles à TG élevées, les masques de soudure spécifiques à l'aluminium et les tests rigoureux - les fabricants peuvent réduire les taux de défauts de 20% à 5% ou moins. Les coûts initiaux de ces améliorations sont rapidement compensés par des économies de reprise, de ferraille et de réclamations de garantie.

Pour les ingénieurs et les équipes de produits, la clé est de considérer ces défis non pas comme des obstacles, mais comme des opportunités de construire des produits plus fiables. Un PCB de base en aluminium à 2 couches bien transformé ne se contente pas de dissiper la chaleur mieux - il dure aussi plus longtemps, fonctionne de manière cohérente et répond aux normes strictes des industries comme l'automobile, l'éclairage LED et l'électronique industrielle.

À mesure que la demande d'électronique à haute puissance et miniaturisée augmente, la maîtrise du traitement des PCB de base en aluminium à 2 couches deviendra encore plus critique. Avec les bonnes solutions et les mesures de contrôle de la qualité, ces PCB continueront d'être le choix incontournable pour les applications où la gestion thermique et la fiabilité ne sont pas négociables.