绝缘铝基板制作工艺及优化

程 静（广东成德电子科技股份有限公司，广东 佛山 528300）

绝缘铝基板制作工艺及优化

程 静
（广东成德电子科技股份有限公司，广东 佛山 528300）

文章详细地介绍了铝基板制作工艺流程，就其中重要的工序作了若干优化。

阳极氧化；绝缘铝基板；极化

1 前言

铝基覆铜板又称绝缘铝基板，它一般由铝基板，绝缘介质层和铜箔三位一体的制成的复合板材，作为一种特殊类型的PCB用基材，它具有如下特性。

1.1 优异的散热性能

铝基覆铜箔板具有优良的散热性能（表1），这是此类板材最突出的特点。用它制成的PCB，不仅能可以有效地防止在其上装载的元器件及基板的工作温度上升，还能将电源功放元件，大功率元器件，大电路电源开关等元器件产生的热量迅速地散发，除此之外还因其密度小、质轻（2.7 g/cm3），可防氧化，价格较便宜，因此它成为金属基覆铜板中用途最广、用量最大的一种复合板材。绝缘铝基板饱和热阻为1.1 ℃/W、热阻为2.8 ℃/W，这样大大提高了铜导线的熔断电流。

表1 三种基材的散热性对比表

1.2 良好的机械加工性能

铝基覆铜板具有高机械强度和韧性，此点大大优于刚性树脂类覆铜板和陶瓷基板。它可以在金属基板上实现大面积的印制板的制造，特别适合在此类基板上安装重量较大的元器件。另外铝基板还具有良好的平整度，可在基板上进行敲锤、铆接等方面的组装加工或在其制成PCB上沿非布线部分折曲、扭曲等，而传统的树脂类覆铜板则不能。

1.3 优异的尺寸稳定性

对于各种覆铜板来说都存在着热膨胀（尺寸稳定性）问题，特别是板的厚度方向（Z轴）的热膨胀，使金属化孔，线路的质量受到影响。其主要原因是板材的线膨胀系数有差异，如铜的1.7×10-4/℃，而环氧玻纤布基板的线膨胀系数为（1.7×10-4/℃） 。两者线膨胀相差很大，易造成基板受热膨胀变化的差异，致使铜线路和金属化孔断裂或遭到破坏。而铝基板的线膨胀系数在（4.0×10-5/℃）～（5.0×10-5/℃）之间，它比一般的树脂类基板小得多，而更接近于铜的线膨胀系数，这样有利于保证印制电路的质量和可靠性。

1.4 电磁屏蔽性

为了保证电子电路的性能，电子产品中的一些元器件需防止电磁波的辐射、干扰，金属基板可充当屏蔽板起到屏蔽电磁波的作用。

1.5 性能指标

绝缘铝基板的性能指标如表2。

表 2 绝缘铝基板的性能指标

2 绝缘铝基板制作工艺流程图（图1）

图1 工艺流程图

3 绝缘铝基板制作各主要工艺解读与优化

铝基板材料的表面处理。

3.1 去油

铝基板材表面在加工和运输过程中表面涂有油层保护，使用前必须将其清洗干净。其原理是利用汽油（一般用航空汽油）作为溶剂，可将其溶解，再用水溶性的清洗剂将油污除去。用流水冲其表面，使其表面干净，不挂水珠。

3.2 脱脂

经过上述处理过的铝基材，表面尚有未除净的油脂，为了将其彻底去除，用强碱氢氧化钠在50 ℃浸泡5 min，再用清水冲洗，整个脱脂过程控制参数如表3。

表3 脱脂工艺参数

3.3 碱蚀

作为基底材料的铝板表面，应具有一定的粗糙度。由于铝底材及其表面的氧化铝膜层均为两性材料，可利用酸性、碱性或复合碱性溶液体系对铝基底材料的腐蚀作用对其表面进行粗化处理。另外，粗化溶液中还需加入其他物质和助剂，使其达到：（1）加快腐蚀速度；（2）保证表面腐蚀均匀，生成均匀一致的粗化层；（3）保证粗化溶液均匀、稳定、可靠，其工艺要求如表4。

表4 碱蚀工艺参数

4 化学抛光（浸亮）

由于铝底基材料中含有其他杂质金属，在粗化过程中易形成无机化合物粘附在基板表面，因而要对表面形成的无机化合物进行分析。根据分析结果，配制相适应的浸亮溶液，将粗化后的铝基板置于此浸亮溶液中，保证一定的时间，从而使铝板的表面干净并发亮，工艺参数如表5。

表5 浸亮工艺参数

5 电氧化

高阻化学转化膜的形成，实际上是借助于电解作用，在铝板表面上形成一层氧化铝薄膜的方法，可提高铝板的表面硬度、耐磨性、抗腐蚀性和电气绝缘性，并用于铝板的染色和绝缘浸渍漆打底。铝板的阳极氧化可分为多种方法，常用的可分为硫酸法、铬酸法、草酸法。其中以硫酸法最优，应用最广泛。铝基板材在以硫酸为主的电解液中进行直流阳极氧化时，两极主要进行以下的反应：

阳极：

将表面粗化并浸亮的铝板作为阳极，铅板作为阴极，分别挂入以硫酸为主的电解液中，通入直流电，铝板表面即被氧化并形成多孔性氧化膜。在此电解液中还需加入一定量的特殊物质如添加剂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剂，增加溶液导电性的Al3+以及控制硫酸溶液的浓度、氧化时的电流密度、电压、时间、温度等，使其得到一定厚度的高阻化学转化膜，具体控制参数和过程控制如表6。

表6 电氧化工艺参数

5.1 电氧化与化学钝化的区别

典型的化学钝化速率如图2。

图2 膜厚与时间的关系

从图2中可以看出，在铝基板钝化中，如果采用化学钝化，其膜厚以典型负指数趋势增长，随着时间的延长，膜厚增长的越来越慢，近似于终止，而采用直流电电解钝化则不同，它的膜厚随时间成正比例增长，能够达到任意指定的厚膜，而化学钝化则不能，这就是我们为什么在铝基板钝化中采用电解的方式形成钝化膜的原因。

5.2 添加剂对绝缘强度的影响

本实验将铝基材裁成30 cm×45 cm切片若干，从中取9片，分别置于添加剂为10 g/L、15 g/L、20 g/L、25 g/L、30 g/L、35 g/L、……的槽液中，电氧化80 min后取出烘干，用CJ2671型耐压测试仪测得绝缘强度如表7。

从表7中可以看出，在30 g/L以下，基板的绝缘强度随着添加剂浓度的增加而增大，在30 g/L以上，基板的绝缘强度随着添加剂浓度的增加反而减小，这一现象表明，基板的绝缘强度在以30 g/L为分水岭，高于或低于趋于减小，也就是说添加剂的浓度最好控制在30 g/L左右。

表7 添加剂与绝缘强度的关系

5.3 温度对绝缘强度的影响

本实验将从上述裁成切片中取15片放入电解槽液中，分别将温度设定为5.0 ℃、7.5 ℃、10.0 ℃、12.5 ℃、15.0 ℃、17.5 ℃……，再电氧化80 min后取出烘干，用CJ2671型耐压测试仪测得绝缘强度如表8。

表8 温度与绝缘强度的关系

从表8中可以看出，基板的绝缘强度随着温度的升高经历了一个从高到低再到高的过程，这个过程以（20 ℃，2250 V）为分界线，低于20 ℃或高于20 ℃时，基板的绝缘强度都将变低，有鉴如此，我们把温度设定在18 ℃ ～ 24 ℃之间。

5.4 电流密度对绝缘强度的影响

本实验将从上述裁成切片中取15片放入电解槽液中，分别将电流密度设定为1.0 A、1.5 A、2.0 A、2.5 A、3.0 A、3.5 A……，再电氧化80 min后取出烘干，用CJ2671型耐压测试仪测得绝缘强度如表9。

从表9中可以看出，基板的绝缘强度随着电流密度的升高而降低，为了得到较高绝缘强度的基板，最好将电流强度控制在1.5 A ～ 3.0 A之间。

表9 电流密度与绝缘强度的关系

5.5 电解时间对绝缘强度的影响

本实验将从上述裁成切片中取15片放入电解槽液中，将电流设定2.0A，然后依次电解氧化20 min、30 min、40 min、50 min、60 min、70 min…… 后取出烘干，用CJ2671型耐压测试仪测得绝缘强度如表10。

从表10中可以看出电解氧化的时间越长，基板的绝缘强度越大；反之，电解氧化的时间越短，基板的绝缘强度越小，为了和添加剂、温度、电流密度等匹配，我司把电解时间设定在40 min ～ 120 min之间。

表10 电解时间与绝缘强度的关系

5.6 膜厚对绝缘强度的影响

本实验将已电解氧化的铝基板一批，用E110B型涡流测厚仪逐一测试，从中挑出膜厚为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铝基板，用CJ2671型耐压测试仪测得绝缘强度如表11。

表11 膜厚与绝缘强度的关系

从表11中可以看出氧化膜越厚，基板的绝缘强度越大；反之，氧化膜越薄，基板的绝缘强度越小，这样我司把氧化膜设定在18 µm ～ 22 µm之间，设定在18 µm ～ 22 µm之间是否夸张点？！其实不夸张，因为基板在搬运、加工过程中，存在这样或那样人为和非人为的磨损，导致膜厚降低而影响其性能，这样在膜厚度预先做点补偿是应该的。

5.7 电解时间对膜厚的影响

本实验将从上述裁成切片中取15片放入电解槽液中，将电流设定2.0 A，然后依次电解氧化20 min、30 min、40 min、50 min、60 min、70 min……后取出烘干，用E110B型涡流测厚仪测得膜厚如表12。

从表12中可以看出氧化膜与电解氧化时间呈线性增长，时间越长，氧化膜越厚，也是基于人为或非人为的磨损，我司把电解氧化时间定在40 min ～120 min之间。

表12 时间与膜厚的关系

5.8 电解电压对铝基板孔隙率的影响

本实验将从上述裁成切片中取10片放入电解槽液中，将电流设定2.0 A，然后依次电解将电解电压与自排序电压的比例调制成0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30…… 电解80 min后取出烘干，用封孔度测试仪测得孔隙率如表13。

从表13中可以看出，铝基板氧化膜孔隙率跟电解氧化电压与自排序电压的比值呈反比，当硫酸型铝电解液的自排序电压一定时，孔隙率随着电解氧化电压的增加而减小，当孔隙率为0.1时，从机械的角度来看，这样的形貌是最稳定的，可见，我司把电解氧化电压定10 V ～ 30 V是合理的。

表13 孔隙率与电解氧化电压及自排序电压的关系

5.9 电流密度对铝基板占空率的影响

本实验将从上述裁成切片中取15片放入电解槽液中，将电流设定2.0A，然后依次电解氧化20 min、30 min、40 min、50 min、60 min、70 min……后取出烘干，用封孔度测试仪测占空率分布如图3所示。

图3 铝基板占空率与电流密度的关系

从图3中可以看出，铝基板占空率跟电流密度的对数成正比，电流越大，占空率越高。

5.10 离子电流密度对铝基板膜厚的影响

本实验将从上述裁成切片中取30片，依次放入硫酸浓度为120 g/L、125 g/L、130 g/L、135 g/L、140 g/L、145 g/L……电解槽液中，将电流设定2.0 A，电氧化80 min后取出烘干，用E110B型涡流测厚仪测得膜厚，然后通过硫酸浓度反演，计算出离子电流密度与膜厚关系如图4所示。

图4 铝基板氧化膜厚度与离子电流密度的关系

从图4中可以看出，铝基板的膜厚随着离子电流密度的升高而降低，为了得到良好一致的膜厚，就必须降低离子电流密度的密度，而离子电流密度大小取决于硫酸浓度，在其他条件一定时，离子电流密度随着硫酸的浓度而降低，通过提高硫酸浓度来间接降低离子电流密度而达到增膜的目的。

5.11 电压、电流密度对铝基板膜厚的协同效应

本实验将从上述裁成切片中取15片放入电解槽液中，分别将电流密度设定为1.0 A/dm2、1.5 A/dm2、2.0 A/dm2、2.5 A/dm2、3.0 A/dm2、3.5 A/dm2、……，将电压设定为10V，并严格控制其他条件后，再电氧化80 min后取出烘干，用E110B型涡流测厚仪测得膜厚，作为第一组；在同样的条件下，将电压设定为20 V，在将从上述裁成切片中取15片放入电解槽液中，分别将电流密度设定为1.0 A/dm2、1.5 A/dm2、2.0 A/dm2、2.5 A/dm2、3.0 A/dm2、3.5 A/dm2、……，电解电氧化80 min后取出烘干用E110B型涡流测厚仪测得膜厚，作为第二组；在同样的条件下，将电压设定为30 V，在将从上述裁成切片中取15片放入电解槽液中，分别将电流密度设定为1.0 A/dm2、1.5 A/dm2、2.0 A/dm2、2.5 A/dm2、3.0 A/dm2、3.5 A/dm2、……，电解电氧化80 min后取出烘干用E110B型涡流测厚仪测得膜厚，作为第三组，根据三组数据拟合曲线图如下所示。

图5 铝基板氧化膜厚度与电压、电流密度的关系

从图5中可以看出，铝基板的膜厚与电压/电流密度的对数成正比，为了得到良好一致的氧化膜层，就必须控制电压和电流密度，方能满足客户需要。

5.12 铝基板氧化线（极化对过电位的响应）

从图6中可以看出，真实铝基板氧化线位于理想阳极氧化线和阴极还原线之间，在坐标轴上方把氧化线往下拉，在坐标轴下方还原线往上提，共同维持氧化的正常进行。

图6 铝基板氧化线（实线）

6 封闭

铝板经阳极氧化后，在其表面形成多孔性氧化膜，呈蜂窝状（如图7）且为路易斯酸。

图7 为电氧化处理后的铝基板在高分辨率下SEM电镜下拍摄的照片

若不对其表面进行封闭处理，将会吸附大量的水分、尘埃、气体等杂质，对铝基覆铜板的耐热性、耐浸焊性、击穿强度等会有很大的影响。因此，必须对此进行封闭处理。一般采用封闭溶液或小分子量的绝缘浸渍漆对其进行封孔处理，具体工艺参数控制如表14。

表14 封孔工艺参数

7 后处理

后处理是清除附在铝基板上杂物，获得良好一致的氧化层（表15）。

表15 后处理工艺参数

试验中，我们用E110B型涡流测厚仪测量预先电解过的铝基板，从中挑选出有代表性17.5 µm、20.0 µm、22.5 µm厚度的基板，然后按下列要求进行封闭和后处理，用CJ2671型耐压测试仪测得比击穿强度如表16。

从表16中看出，不同的封闭条件和后处理条件，对铝基板的比击穿强度影响很大，从这点来看，3#最好。

表16 三种不同封孔+后处理工艺比击穿强度对照实验

8 干燥

将铝基板置于烤箱中，烘烤60 min，以除去残存于氧化层中的水汽，便于保存，具体参数如表17。总之，我们在硫酸电解液中加了适量的添加剂，改善绝缘铝基板氧化膜的性能和结构的同时对硫酸含量、电流密度、电压进行了优化组合，从而适应客户的需求，在封段采用低温加封闭剂的策略，进一步提高了氧化膜的绝缘强度。

表17 干燥工艺参数

［1］傅献彩主编. 物理化学（下册）［J］. 北京：高等教育出版社， 2006，1：1-150.

［2］周敏主编. 最新印制电路设计制作工艺与故障诊断、排除技术实用手册［M］. 吉林音像出版社：965-981.

［3］胡传主编. 表面处理技术手册［M］. 北京：北京工业大学出版，1997.

程静，理学硕士，已获得9个国家发明专利，发表数学论文、物理论文、化学论文多篇。

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