CN109788667B - 一种复合材料汇流板及其制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合材料汇流板的制造工艺,包括在导电铜板上设置若干个镂空结构;制造用于回填镂空结构的回填料,将回填料回填安装到导电铜板的镂空结构中,制得导电铜板坯料;将若干个导电铜板坯料排版叠层,相邻两层导电铜板坯料之间根据层间厚度要求敷设发泡型环氧树脂粘接料;制得汇流板半成品;将汇流板半成品送入真空层压机内进行层压,层压结束后制得汇流板成品;通过本发明制造工艺制得的复合材料汇流板满足航空、航天等有严格限重或追求轻质小型化的设备仪器对汇流板的要求,在保证汇流板的高绝缘等级、高可靠性和局部大电流、长时间工作能力的质量要求前提下,有效减轻汇流板的整体重量,同时改善汇流板的整体平整性。
Description
技术领域
本发明涉及一种汇流板,尤其涉及一种复合材料汇流板及其制造工艺,属于多层印制电路板制造技术领域。
背景技术
汇流板是一种特殊类型的印制电路板,主要运用在高可靠性、大电流和长时间工作的电子设备上,如一些重要的通信设备,因其工作环境复杂、工作电流大、连续不间断工作;所以具备绝缘等级和可靠性高,电流分配路径多样化,且具备大电流的载流能力,是该类电子设备的重要保障;汇流板制作目前采用印制电路板的层压制作工艺,使用印制板的基板材料和粘接片材料,因其基板材料为玻璃纤维布增强的环氧树脂,简称玻纤环氧树脂,解决了现有汇流板采用涂胶或浸胶生产工艺制作时铜板之间的绝缘等级不够问题,绝缘等级不够的汇流板在高湿热环境中使用时,易出现正负极之间打火短路等导致绝缘失效的故障;但是由于目前汇流板采用的是玻璃纤维布增强的环氧树脂基板材料,其材料密度大,在目前汇流板组件中,各层导电铜板所占体积比在25-40%之间,其余的60-75%都为玻璃纤维布增强的环氧树脂基板材料,所以导致汇流板整体质量大,比较笨重,无法满足航空、航天等有严格限重或追求轻质小型化的设备仪器对汇流板的要求,在保证汇流板的高绝缘等级、高可靠性和局部大电流、长时间工作能力的质量要求前提下,如何减轻汇流板的整体重量,同时还能改善汇流板的整体平整性,是本发明的主要目的。
发明内容
为解决现有技术的不足,本发明提供一种复合材料汇流板及其制造工艺,通过本发明制造工艺制得的复合材料汇流板满足航空、航天等有严格限重或追求轻质小型化的设备仪器对汇流板的要求,在保证汇流板的高绝缘等级、高可靠性和局部大电流、长时间工作能力的质量要求前提下,有效减轻汇流板的整体重量,同时改善汇流板的整体平整性。
本发明所采用的技术方案为:
一种复合材料汇流板的制造工艺,包括以下步骤:
(1)在满足电流载流能力的基础上,在导电铜板上设置若干个镂空结构;
(2)利用镂空结构制造用于回填镂空结构的回填料,首先根据导电铜板上的镂空结构形状,制作相应规格尺寸的模具,将反应至粘稠膏状物状态的发泡型环氧树脂注于预热的模具中,待其冷却后制得半固化形态的回填料;
(3)将制得的半固化形态回填料浸涂环氧树脂胶液后回填安装到导电铜板的镂空结构中,制得导电铜板坯料;
(4)将若干个导电铜板坯料排版叠层,相邻两层导电铜板坯料之间根据层间厚度要求敷设发泡型环氧树脂粘接料;在排版叠层后的若干个导电铜板坯料的上面和下面分别设置上盖板和下盖板,位于最上层的导电铜板坯料与上盖板之间根据层间厚度要求敷设发泡型环氧树脂粘接料;位于最下层的导电铜板坯料与下盖板之间根据层间厚度要求敷设发泡型环氧树脂粘接料;制得汇流板半成品;
(5)将汇流板半成品送入真空层压机内进行层压,层压结束后制得汇流板成品。
作为本发明的进一步优选,所述的上盖板底部板面上形成有用于容纳位于最上层的导电铜板坯料的凹槽,所述的下盖板顶部板面上形成有用于容纳位于最下层的导电铜板坯料的凹槽,在排版叠层后的若干个导电铜板坯料的外围四周套有边框,所述边框位于上盖板和下盖板之间,且边框的厚度小于或等于层压后上盖板与下盖板之间的距离。
作为本发明的进一步优选,所述的上盖板、下盖板以及边框是玻璃纤维布增强的环氧树脂材料制造,上盖板和下盖板上还设置有与导电铜板坯料的柱状凸出结构配合的槽孔以及与导电铜板坯料的定位销配合的定位孔。
作为本发明的进一步优选,在步骤(5)所述的层压过程中还包括反向预变形层压校平工艺,反向预变形层压校平工艺包括在真空层压机的层压模具中增加单面凸面衬板和单面凹面衬板,其中上盖板与层压模具的上模之间加装单面凹面衬板,下盖板与层压模具的下模之间加装单面凸面衬板,单面凹面衬板和单面凸面衬板上分别形成有供导电铜板坯料的柱状凸出结构以及定位销穿过的通孔,单面凹面衬板的凹面与单面凸面衬板的凸面相配合,在层压过程中通过按照单面凹面衬板和单面凸面衬板的凹凸面限定的曲面给汇流板半成品一个设定的预变形量。
作为本发明的进一步优选,所述半固化形态的回填料的边角为圆弧过渡结构或斜角过渡结构。
作为本发明的进一步优选,所述半固化形态的回填料尺寸小于导电铜板的镂空结构尺寸,且半固化形态的回填料的边部与导电铜板的镂空结构的内壁之间形成有0.1-0.3mm的间隙。
作为本发明的进一步优选,步骤(5)所述的真空层压机对汇流板半成品进行层压的过程包括:在入料温度80-100℃时将汇流板半成品放入真空层压机,首先抽真空10min以上并保持,然后逐渐升温至150-170℃并进行层压,最大层压压力控制在10-20kg/cm3范围之间。
作为本发明的进一步优选,真空层压机对汇流板半成品进行层压的具体过程包括:在入料温度90℃时将汇流板半成品放入真空层压机,首先抽真空12min并保持真空度大于-0.09Mpa,然后第一步升温至100℃,层压压力控制在5kg/cm3,层压时间20min;第二步升温至120℃,层压压力控制在10kg/cm3,层压时间20min;第三步升温至150℃,层压压力控制在15kg/cm3,层压时间50min;第四步降温至120℃,释放真空,层压压力控制在10kg/cm3,层压时间10min;制得汇流板成品。
采用上述制造工艺制得的一种复合材料汇流板。
本发明的有益效果在于:通过本发明制造工艺制得的复合材料汇流板满足航空、航天等有严格限重或追求轻质小型化的设备仪器对汇流板的要求,在保证汇流板的高绝缘等级、高可靠性和局部大电流、长时间工作能力的质量要求前提下,有效的减轻了汇流板的整体重量,同时改善了汇流板的整体平整性。
附图说明
图1为复合材料汇流板结构示意图;
图2为单面凸面衬板和单面凹面衬板在真空层压机的层压模具中的位置关系结构示意图;
图中主要附图标记含义如下:
1-上盖板,2-下盖板,3-边框,4-导电铜板坯料,5-发泡型环氧树脂粘接料,6-回填料,7-柱状凸出结构,21-单面凸面衬板,22-单面凹面衬板,23-层压模具的上模,24-层压模具的下模,25-定位销,26-汇流板半成品。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做具体的介绍。
本实施例是一种复合材料汇流板的制造工艺,包括以下步骤:
(1)在满足电流载流能力的基础上,在导电铜板上设置若干个镂空结构;
(2)利用镂空结构制造用于回填镂空结构的回填料,首先根据导电铜板上的镂空结构形状,制作相应规格尺寸的模具,将反应至粘稠膏状物状态的发泡型环氧树脂注于预热的模具中,待其冷却后制得半固化形态的回填料;
(3)将制得的半固化形态回填料浸涂环氧树脂胶液后回填安装到导电铜板的镂空结构中,制得导电铜板坯料;浸涂环氧树脂胶液后的半固化形态回填料可使回填安装后不易松动移位,避免了回填的错位,也确保了回填料与导电铜板的镂空结构间隙之间具备足够的填胶能力;
(4)将若干个导电铜板坯料排版叠层,相邻两层导电铜板坯料之间根据层间厚度要求敷设发泡型环氧树脂粘接料;在排版叠层后的若干个导电铜板坯料的上面和下面分别设置上盖板和下盖板,位于最上层的导电铜板坯料与上盖板之间根据层间厚度要求敷设发泡型环氧树脂粘接料;位于最下层的导电铜板坯料与下盖板之间根据层间厚度要求敷设发泡型环氧树脂粘接料;制得汇流板半成品;
(5)将汇流板半成品送入真空层压机内进行层压,层压结束后制得汇流板成品。
本实施例在实际应用时,上盖板底部板面上形成有用于容纳位于最上层的导电铜板坯料的凹槽,下盖板顶部板面上形成有用于容纳位于最下层的导电铜板坯料的凹槽,在排版叠层后的若干个导电铜板坯料的外围四周套有边框,边框位于上盖板和下盖板之间,且边框的厚度等于层压后上盖板与下盖板之间的距离;当然,边框的厚度也可以小于层压后上盖板与下盖板之间的距离。
本实施例中,上盖板、下盖板以及边框是玻璃纤维布增强的环氧树脂材料制造,上盖板和下盖板上还设置有与导电铜板坯料的柱状凸出结构配合的槽孔以及与导电铜板坯料的定位销配合的定位孔;上盖板、下盖板和边框采用印制板基板材料,确保汇流板外表层材料硬度、机械强度达到印制板的标准要求,表面绝缘性能、电阻率等电性能符合印制板质量的标准等级,本实施例制作的复合材料汇流板,即保留了印制板良好的机械性能和电性能,又能达到减重的效果;导电铜板坯料四周边框使用印制板基板材料,利用层压模具固定,上下加压固化,层压过程中,汇流板的整体厚度受限于所有边框层以及上盖板和下盖板的总叠层厚度,通过控制边框总厚度,可有效的控制最终汇流板的层压厚度,汇流板的最终厚度尺寸一致性达到明显提高。
本实施例在步骤(5)所述的层压过程中还包括反向预变形层压校平工艺,反向预变形层压校平工艺包括在真空层压机的层压模具中增加单面凸面衬板和单面凹面衬板,其中上盖板与层压模具的上模之间加装单面凹面衬板,下盖板与层压模具的下模之间加装单面凸面衬板,单面凹面衬板和单面凸面衬板上分别形成有供导电铜板坯料的柱状凸出结构以及定位销穿过的通孔,单面凹面衬板的凹面与单面凸面衬板的凸面相配合,在层压过程中通过按照单面凹面衬板和单面凸面衬板的凹凸面限定的曲面给汇流板半成品一个设定的预变形量;在层压过程中,汇流板存在反向的翘曲,卸模冷却后汇流板的残留应力使其发生反向变形,层压的反向预变形刚好抵消冷却过程中汇流板的残留应力的变形,最终形成整体平整的产品,减少了后期的热烘烤校平流程,不仅节省了生产成本,提高了加工质量和生产效率,还缩短了加工周期;实际应用时,如图2所示,单面凸面衬板21和单面凹面衬板22在真空层压机的层压模具中的位置关系,汇流板半成品26的上盖板与层压模具的上模23之间加装单面凹面衬板22,汇流板半成品26的下盖板与层压模具的下模24之间加装单面凸面衬板21,柱状凸出结构7以及定位销25均有显示。
本实施例中,半固化形态的回填料的边角为圆弧过渡结构,在实际应用时,也可以将半固化形态的回填料的边角设计为斜角过渡结构;本实施例半固化形态的回填料尺寸小于导电铜板的镂空结构尺寸,且半固化形态的回填料的边部与导电铜板的镂空结构的内壁之间形成有0.1mm的间隙,在实际应用时,也可以设计为0.2mm或0.3mm的间隙。
根据真空层压机和树脂的配方以及固化曲线,优化设置最佳层压步骤,真空层压机对汇流板半成品进行层压的具体过程包括:在入料温度90℃时将汇流板半成品放入真空层压机,首先抽真空12min并保持真空度大于-0.09Mpa,然后第一步升温至100℃,层压压力控制在5kg/cm3,层压时间20min;第二步升温至120℃,层压压力控制在10kg/cm3,层压时间20min;第三步升温至150℃,层压压力控制在15kg/cm3,层压时间50min;第四步降温至120℃,释放真空,层压压力控制在10kg/cm3,层压时间10min;制得汇流板成品;如下表所示:
在实际应用时,也可以在入料温度80℃或100℃时将汇流板半成品放入真空层压机,抽真空10min以上并保持,然后逐渐升温至160℃或170℃并进行层压,最大层压压力控制在10-20kg/cm3范围之间;层压过程中始终保持真空度大于-0.09Mpa。
采用上述实施例所述的制造工艺制得的其中一种复合材料汇流板,结构如图1所示,该复合材料汇流板包括上盖板1、下盖板2、边框3以及中间的两个导电铜板坯料4,层与层之间敷设发泡型环氧树脂粘接料5;回填料6以及导电铜板坯料4的柱状凸出结构7均有显示。
在实际应用时,根据汇流板的各层导电铜板镂空区域的形状,制作相应规格尺寸的模具,按比例配置好的发泡型环氧树脂一边搅拌一边反应,待其反应至粘稠的膏状物时,通过刮涂等方式灌注于模具内,待其预反应结束,定型为半固化形态的回填料;为方便将回填料安装入导电铜板的镂空结构区域,回填料的各边角设计为圆弧过渡或斜角过渡,回填料尺寸小于镂空结构区域形成间隙配合;发泡型环氧树脂经过预固化,本身为半固化形态的状态,方便回填料的装填,且在后期层压过程中可再次熔化流动和发泡,有助于充分填充导电铜板的镂空结构区域;根据发泡型环氧树脂的后期固化要求,通过加温的方式,改进多层印制板的层压步骤,分步骤将汇流板升温至150-170℃,即能保证发泡型环氧树脂的充分固化,也使印制板基板材料部分的上盖板、下盖板和边框达到树脂的玻璃化转换温度,从而使发泡型环氧树脂和玻纤环氧树脂两种材料充分融合粘接;保持适当的入料温度,一般可设置在80-100℃的入料温度,可缩短固化周期,提高层压产能,避免温度过高对发泡型环氧树脂的发泡结构造成破坏,降低了发泡型环氧树脂的绝缘效果和机械强度。
层压前及层压过程中优选真空措施,叠好的汇流板进入真空层压机的腔炉后,可优先抽气10分钟以上,保证汇流板结构各间隙之间的气体得到彻底排空,层压过程中始终保持真空度大于-0.09Mpa,及时清除树脂固化过程中释放的挥发物等废气,良好的真空是确保汇流板各层导电铜板之间具备高绝缘等级的有效措施,保证了各层导电铜板之间的绝缘性能和高可靠性;层压过程施加适当的压力,既能控制汇流板的总厚度,还能确保各层导电铜板之间以及镂空结构区域中间无宏观空隙和分层的质量问题;树脂能充分填充和粘合,也不破坏发泡型环氧树脂发泡结构的微观空腔结构,最大层压压力控制在10-20kg/cm3范围之间;对平整性要求高的汇流板,在层压模具中增加单面凸面衬板和单面凹面衬板,单面凹面衬板和单面凸面衬板的凹凸面限定的曲面弧度等于汇流板的实际翘曲度的测量值;层压排版时,提前将单面凸面衬板和单面凹面衬板设置在汇流板与层压模具之间,进行反向预校平;在层压过程中,汇流板存在反向的翘曲,卸模冷却后汇流板的残留应力使其发生反向变形,层压的反向预变形刚好抵消冷却过程中汇流板的残留应力的变形,最终形成整体平整的产品,减少了后期的热烘烤校平流程,不仅节省了生产成本,提高了加工质量和生产效率,还缩短了加工周期。
目前汇流板的成品整体结构中,由于汇流板制作目前采用印制电路板的层压制作工艺,使用印制板PCB的基板材料和粘接片材料,基板材料为玻璃纤维布增强的环氧树脂,简称玻纤环氧树脂,玻纤环氧树脂和粘接片材料所占汇流板体积比在60-75%之间,导电铜板及其柱状凸出结构占汇流板体积25-40%,导电铜板材质为纯铜材质,按照铜和玻纤环氧树脂的密度分别为8.9g/cm3和2.4g/cm3计算,玻纤环氧树脂在汇流板整体重量比例为28.8-44.7%之间;本发明在满足电流载流能力的基础上,在导电铜板上设置若干个镂空结构,利用回填料填补导电铜板上的镂空结构,回填料以及粘接片材料采用轻质发泡型环氧树脂材料,轻质发泡型环氧树脂材料的密度在0.5-0.8g/cm3之间,保留上盖板、下盖板以及边框继续采用玻纤环氧树脂,玻纤环氧树脂和粘接片材料在汇流板整体结构中的体积比下降至10-15%,其余的50-65%基板材料和粘接片材料由轻质发泡型环氧树脂材料替代,最大减重幅度可达到31%的总重量比,减重效果明显;由于汇流板各层之间的结构一般不对称,层压过程中,在较高温度和压力的状态下,各部件一方面受到环氧树脂流动的推挤作用,同时,又受到基板材料中玻璃纤维的拉力约束,冷却后的汇流板内部形成强大的内应力,导致汇流板形成明显的翘曲度,无法达到平整性的尺寸要求;目前只能通过后期热压校平的工艺措施进行校平,而且本发明制造工艺制得的汇流板采用轻质发泡型环氧树脂与印制板的基板材料相结合的复合型结构,由于发泡型环氧树脂不含玻璃纤维布,且环氧树脂流动小,发泡型环氧树脂固化过程中产生的应力大幅下降,所以本发明制造工艺制得的汇流板的整体平整性得到明显改善。
通过本发明制造工艺制得的复合材料汇流板满足航空、航天等有严格限重或追求轻质小型化的设备仪器对汇流板的要求,在保证汇流板的高绝缘等级、高可靠性和局部大电流、长时间工作能力的质量要求前提下,有效的减轻了汇流板的整体重量;同时改善了汇流板的整体平整性。
以上所述仅是本发明专利的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明专利原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明专利的保护范围。
Claims (6)
1.一种复合材料汇流板的制造工艺,其特征在于,包括以下步骤:
(1)在满足电流载流能力的基础上,在导电铜板上设置若干个镂空结构;
(2)利用镂空结构制造用于回填镂空结构的回填料,首先根据导电铜板上的镂空结构形状,制作相应规格尺寸的模具,将反应至粘稠膏状物状态的发泡型环氧树脂注于预热的模具中,待其冷却后制得半固化形态的回填料;
(3)将制得的半固化形态回填料浸涂环氧树脂胶液后回填安装到导电铜板的镂空结构中,制得导电铜板坯料;
(4)将若干个导电铜板坯料排版叠层,相邻两层导电铜板坯料之间根据层间厚度要求敷设发泡型环氧树脂粘接料;在排版叠层后的若干个导电铜板坯料的上面和下面分别设置上盖板和下盖板,位于最上层的导电铜板坯料与上盖板之间根据层间厚度要求敷设发泡型环氧树脂粘接料;位于最下层的导电铜板坯料与下盖板之间根据层间厚度要求敷设发泡型环氧树脂粘接料;制得汇流板半成品;
所述的上盖板底部板面上形成有用于容纳位于最上层的导电铜板坯料的凹槽,所述的下盖板顶部板面上形成有用于容纳位于最下层的导电铜板坯料的凹槽,在排版叠层后的若干个导电铜板坯料的外围四周套有边框,所述边框位于上盖板和下盖板之间,且边框的厚度小于或等于层压后上盖板与下盖板之间的距离;
所述的上盖板、下盖板以及边框是玻璃纤维布增强的环氧树脂材料制造,上盖板和下盖板上还设置有与导电铜板坯料的柱状凸出结构配合的槽孔以及与定位销配合的定位孔;
(5)将汇流板半成品送入真空层压机内进行层压,层压结束后制得汇流板成品,层压过程中还包括反向预变形层压校平工艺,反向预变形层压校平工艺包括在真空层压机的层压模具中增加单面凸面衬板和单面凹面衬板,其中上盖板与层压模具的上模之间加装单面凹面衬板,下盖板与层压模具的下模之间加装单面凸面衬板,单面凹面衬板和单面凸面衬板上分别形成有供导电铜板坯料的柱状凸出结构以及定位销穿过的通孔,单面凹面衬板的凹面与单面凸面衬板的凸面相配合,在层压过程中通过按照单面凹面衬板和单面凸面衬板的凹凸面限定的曲面给汇流板半成品一个设定的预变形量。
2.根据权利要求1所述的一种复合材料汇流板的制造工艺,其特征在于,所述半固化形态的回填料的边角为圆弧过渡结构或斜角过渡结构。
3.根据权利要求1或2所述的一种复合材料汇流板的制造工艺,其特征在于,所述半固化形态的回填料尺寸小于导电铜板的镂空结构尺寸,且半固化形态的回填料的边部与导电铜板的镂空结构的内壁之间形成有0.1-0.3mm的间隙。
4.根据权利要求1所述的一种复合材料汇流板的制造工艺,其特征在于,步骤(5)所述的真空层压机对汇流板半成品进行层压的过程包括:在入料温度80-100℃时将汇流板半成品放入真空层压机,首先抽真空10min以上并保持,然后逐渐升温至150-170℃并进行层压,最大层压压力控制在10-20kg/cm3范围之间。
5.根据权利要求4所述的一种复合材料汇流板的制造工艺,其特征在于,真空层压机对汇流板半成品进行层压的具体过程包括:在入料温度90℃时将汇流板半成品放入真空层压机,首先抽真空12min并保持真空度大于-0.09Mpa,然后第一步升温至100℃,层压压力控制在5kg/cm3,层压时间20min;第二步升温至120℃,层压压力控制在10kg/cm3,层压时间20min;第三步升温至150℃,层压压力控制在15kg/cm3,层压时间50min;第四步降温至120℃,释放真空,层压压力控制在10kg/cm3,层压时间10min;制得汇流板成品。
6.一种复合材料汇流板,其特征在于,采用如权利要求1所述的制造工艺制得。
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