CN111586993B - 一种回流焊接孔金属化的铝基微带板生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种回流焊接孔金属化的铝基微带板生产工艺，生产工艺的流程依次包括：下料、钻金属化孔、铜箔面丝印阻焊油墨、三次浸锌和退锌、化学镀多元镍合金、印制板酸性镀铜、去除丝印阻焊油墨、等离子处理、孔金属化和全板镀铜、图形转移、图形电镀铜/镍金、蚀刻、丝印阻焊和字符、贴保护胶膜、二次钻孔、外形加工、去除保护胶膜；铜箔面丝印阻焊油墨采用180目的丝网。采用了三次浸锌、退锌的前处理工艺，提高了化学镀镍合金层与铝基层的接合力用化学镀多元镍合金工艺代替传统的浸锌工艺，增强了镀层间的接合力，提高微带板的耐高温性能，耐温度可达300℃，满足了铝基微带板回流焊接的要求。

Description

一种回流焊接孔金属化的铝基微带板生产工艺

技术领域：

本发明属于印制电路板制造领域，具体涉及一种回流焊接孔金属化的铝基微带板生产工艺。

背景技术：

(一)在铝基微带板在90年代初开始应用于军工电子行业，其结构如图1所示，在电路设计上要求部分正面微带导线(即铜箔层)与底面的铝基层(即金属基层)导通，如图2，即铝基微带板上的导通孔要求孔金属化加工。但由于铝基微带板的铝基层不同于普通FR-4的环氧玻璃布基材，金属铝的化学活性导致常规的孔金属化技术无法直接在铝基层上进行，所以铝基微带板的孔金属化加工技术难度非常大。当时国内还没有铝基微带板孔金属化的生产技术，为了达到正面微带导线与铝基层的导通，整机厂家在单面不孔金属化铝基微带板的基础上，用铆柱、焊接接线柱的补充工艺完成微带导线与铝基层的导通功能，具体见图3。

随着微波技术的发展，铝基微带板导通孔的密度日益增加，原铆装和焊接的工艺已不能满足技术发展的需要，同时由于铝基微带板孔金属化生产技术难度大等多种原因，铝基微带板孔金属化生产技术发展不大，国内铝基微带板孔金属化的工艺技术仍不能完全满足电子技术发展的需求，只有少数印制板生产企业开展孔金属化铝基微带板技术的研发，但行业内仍没有成熟的生产典范工艺。

2010年我公司研制出孔金属化铝基微带板新工艺，其主要技术是采用铝件浸锌镀铜工艺解决铝基微带板孔金属化前铝基层的防护问题。目前国内少数从事孔金属化铝基微带板生产的企业，也均采用铝件浸锌镀铜工艺对铝基层进行保护，然后再按特种微带板的生产工艺进行其它工序的生产加工。此工艺虽然解决了铝基微带板孔金属化的技术难关，但由于铝件浸锌工艺的耐高温性能相对较差，当温度高于200℃时易出现浸锌层起泡的质量问题，故用此工艺加工的铝基微带板仅适用手工焊接，不能用于高精度的表面贴装，从而限制了设计人员选用高精密电子元件，影响了产品小型化的发展。

(二)现有孔金属化铝基微带板生产工艺流程如下：

下料→钻金属化孔→化学浸锌→氰化镀铜→印制板酸性镀铜→等离子处理→孔金属化、全板镀铜→图形转移→图形电镀铜/镍/金→蚀刻→丝印阻焊、字符→贴保护胶带→二次钻孔→外形加工→去除保护胶带→检验。

在孔金属化铝基微带板工艺流程中，化学浸锌和氰化镀铜(也有采用焦磷酸盐镀铜)这两个工序是针对孔金属铝基微带板而设计的关键工序，其余均是印制板生产的中常规工艺。由于金属铝为活泼的两性金属，按常规印制板生产工艺直接进行孔金属化加工时，工序中的酸、碱溶液会对铝基微带板的铝基层产生腐蚀作用，为了防止铝基材被酸、碱腐蚀，在钻孔后增加了浸锌、镀铜工序，通过浸锌镀铜工艺处理后，基材的铝基材表面被镀铜层保护。由于一次浸锌时，置换反应的速度相对较快，沉积的锌层较厚且粗糙多孔，导致锌与铝基材的粘合力较差，为了提高浸锌层的接合力，一般常采取二次浸锌镍合金的方法，同时为了提高镀层的接合力，浸锌后应采用氰化镀铜。二次浸锌工序的主要生产工艺如下：

刷板→脱脂→热水洗→二级水洗→酸洗→二级水洗→浸锌合金(50～60s)→二级水洗→浸50％硝酸退锌合金→二级水洗→二次浸锌合金(35～45s)→二级水洗→氰化镀铜→二级水洗→印制板酸性镀铜。

其中：浸锌镍合金工艺配方：氢氧化钠100g/L、氧化锌5g/L、酒石酸钾钠15g/L、氯化镍15g/L、三氯化铁2g/L、硝酸钠1g/L、氰化钠3g/L。

由于化学浸锌和氰化镀铜溶液中均有氰化物，所以现用的孔金属化铝基板生产工艺的环保性较差。

铝件浸锌电镀工艺耐高温性相对较差一直是电镀行业的一个难题，虽然对浸锌工艺的配方和工艺过程进行了不同程度的改进和完善，使产品的耐高温性有一定的提高，但由于铝基材与浸锌层的热膨胀系数相差较大，此工艺加工的孔金属化铝基板仍不能满足电子产品回流焊接时温度的要求，微带板在回流焊接时铝基面镀层有起泡的质量问题。

(三)化学镀多元镍合金是在铝基材表面通过化学反应沉积镍磷钨钼合金的一种新工艺技术，是近年来铝基材料表面处理研发的新技术，正逐步在电子、机械、航天、航空等领域推广应用。化学镀多元镍合金与铝基层的接合力强，镀层具有优异的耐磨性、耐温性和耐腐蚀性，特别是耐温性，镀层耐温在300℃以上。本发明采用化学镀多元镍合金的工艺代替现有的化学浸锌工艺，由于多元镍合金和铝基材的热膨胀系数接近，从而提高微带板铝基镀的高温稳定性，提高微带板的热稳定性，避免微带板在回流焊接出现镀层起泡的质量问题。

按上述的现有生产工艺进行微带板化学浸锌作业时，由于金属活性排序的原因，锌离子只在铝基层表面进行置换反应沉积生成锌层，不会与铜箔层发生化学反应，而化学镀多元镍合金是一种自摧化的氧化还原反应，溶液与铜箔和铝基均会发生化学反应，在箔铜表面和铝基表面均生成多元镍合金层，铝基层的多元镍合金层提高了产品的高温性能，但铜箔层的多元镍合金将阻止后序铜箔层的腐蚀，导致微带板的导电图形的不能精准制作。

为了杜绝铜箔层与化学镀多元镍合金溶液的发生化学反应，化学镀多元镍合金时必须对微带板铜箔层进行防护，但化学镀多元镍合金操作要经过强酸、强碱和95℃化学镀多元镍合金溶液的浸泡，一般的防护层均难满足要求，同时防护层在化学镀多元镍合金后要求方便退除，故铜箔层在化学镀多元镍合金过程的防护是新工艺技术实施的一个技术难点。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种回流焊接孔金属化的铝基微带板生产工艺，生产的孔金属化铝基微带板的耐高温性能强，可达300℃，解决了孔金属化铝基微带板镀层接合力差的质量问题，满足回流焊接的工艺要求。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：一种回流焊接孔金属化的铝基微带板生产工艺，生产工艺的流程依次包括：下料、钻金属化孔、铜箔面丝印阻焊油墨、三次浸锌和退锌、化学镀多元镍合金、印制板酸性镀铜、去除丝印阻焊油墨、等离子处理、孔金属化和全板镀铜、图形转移、图形电镀铜/镍金、蚀刻、丝印阻焊和字符、贴保护胶膜、二次钻孔、外形加工、去除保护胶膜；所述铜箔面丝印阻焊油墨采用180目的丝网；所述化学镀多元镍合金的工艺配方为：硫酸镍35g/L、次亚磷酸钠40g/L、醋酸钠6g/L、乳酸8g/L、丁二酸6g/L、DL苹果酸13g/L、稳定剂0.1ml/L、络合剂0.2ml/L、光亮剂0.3ml/L，化学镀多元镍合金的工艺参数为：工作温度95±2℃，沉积时间40分钟，空气搅拌，镀层厚度为1-2微米。

本发明的有益效果在于：

本发明针对现行生产技术耐温性差的问题，引入了化学镀多元镍合金的新技术，并且为了保障化学镀镍合金时铝基层有一个良好的接触界面，采用了三次浸锌、退锌的前处理工艺，提高了化学镀镍合金层与铝基层的接合力。用化学镀多元镍合金工艺代替传统的浸锌工艺，增强了镀层间的接合力，提高微带板的耐高温性能，耐温度可达300℃，满足了铝基微带板回流焊接的要求。

本发明生产的孔金属铝基印制板不但有良好的散热性，而且适应于批量生产的回流焊接工艺，在军工领域和高技术民品领域的铝基微带板生产中有较好的应用价值。

附图说明：

图1为铝基微带板结构图。

图2为铝基微带板设计需求图，铝基微带板上的导通孔要求孔金属化加工。

图3为铝基微带板铆接图，用铆接、焊接接线柱的补充工艺完成微带导线与铝基层的导通功能。

图4为回流焊接温度参数曲线。

其中，1-铜箔层、2-绝缘层、3-金属基层、4-金属化孔、5-铆柱。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细说明：

如图2所示，孔金属化铝基微带板的生产用基材是铝基覆铜板，其正面为制作导电图形的铜箔层1，底面为导热的铝基层，中间为绝缘层2。本发明的铝基微带板生产工艺流程为：下料、钻金属化孔、铜箔面丝印阻焊油墨、三次浸锌和退锌、化学镀多元镍合金、印制板酸性镀铜、去除丝印阻焊油墨、等离子处理、孔金属化和全板镀铜、图形转移、图形电镀铜/镍/金、蚀刻、丝印阻焊和字符、贴保护胶膜、二次钻孔、外形加工、去除保护胶膜，具体工艺为：

(1)下料

由于铝基微带板的原材料成本较高，采购的基材(铝基覆铜板)外形尺寸一般不是很大，为了节约成本，建议按整张料进行拼版加工，拼版间距不小于3mm，四周工艺边常规为10mm，特殊情况非电镀装夹边可减至6mm，此情况钻孔时应仔细作业，钻孔应尽量居中。

(2)钻金属化孔

常规印制板钻孔加工时，叠板顺序为铝箔、基板(铝基覆铜板)和垫板，由于铝基微带板的特殊性，为了减少铝基微带板铜箔面的钻孔毛刺，应在铝箔和基板之间增一层厚度为0.5mm左右的环氧玻璃布板，叠板顺序应为铝箔、环氧玻璃布板、基板(铜箔面向上)、垫板。

钻孔作业采用新钻咀，钻孔数量应不大于1500个孔。钻孔操作时应适当降低转速和进刀量，控制转速6000～8000rpm，进刀量0.3～0.4m/min，建议采取分次钻孔的工艺方式，每次钻孔深度不大于0.5mm。钻孔作业时注意观察吸尘情况，如有不良情况应及时清理铝屑。

(3)铜箔面丝印阻焊油墨

在铜箔面丝印阻焊油墨，用于后序化学镀多元镍合金时铜箔层的防护。为了减少丝印时油墨进孔问题，此工序作业应采用180目的丝网，丝印预烘后可直接高温固化。

作业完后应检查，铝基层的孔内不能有阻焊油墨，如油墨污染铝基层的孔壁，后序化学镀多元镍合金时将不能沉积多元镍合金，从而影响孔金属化的质量，后续去除阻焊油墨层后，污染处铝层曝露，在后序孔金属化加工时铝层腐蚀，影响产品的加工质量。

(4)三次浸锌和退锌

为了保障化学镀镍合金时铝基层有一个良好的接触面，化学镀多元镍合金前除了采用常规的脱脂、酸洗等前处理步骤外，还增加了三次浸锌、退锌的特殊预处理工序，具体工艺流程依次为：脱脂、热水洗、二级水洗、酸洗、二级水洗、第一次浸锌合金、二级水洗、浸50％硝酸退锌合金、二级水洗、第二次浸锌合金、二级水洗、浸50％硝酸退锌合金、二级水洗、第三次浸锌合金、二级水洗、浸50％硝酸退锌合金、二级水洗，其中第一次浸锌合金的时间为50～60s，第二次浸锌合金的时间为35～45s，第三次浸锌合金的时间为35～40s。

此工序中三次浸锌、退锌的的主要目的是为了获取良好的铝基表面层，提高化学镀镍合金层与铝基层的接合力，故可采用无氰浸锌的工艺配方：氢氧化钠120g/L、氧化锌20g/L、酒石酸钾钠50g/L、三氯化铁2g/L、硝酸钠1g/L，也可用市面配好的环保型浸锌溶液。

(5)化学镀多元镍合金

化学镀多元镍合金工艺参数：工作温度95±2℃，沉积时间40分钟，空气搅拌，镀层厚度1-2微米。化学镀多元镍合金工艺代替传统的浸锌工艺，增强了镀层间的接合力，提高微带板的耐高温性能。

(6)印制板酸性镀铜

由于化学镀多元镍合金有良好的稳定性，所以化学镀后可用印制板硫酸镀铜工艺加厚，镀铜电流2.0A/dm²，时间30min，镀层厚度12um左右。

为了减少铜箔层孔边缘在电镀时产生铜圈，镀铜时应在铝基板的铜箔面夹点处垫宽约10mm左右的绝缘玻璃布板(主要起到绝缘作用)，从而使镀铜反应只在铝基表面上进行，镀铜的受镀面积按铝基层的面积计算。

(7)去除丝印阻焊油墨

采用10％的氢氧化钠溶液，去除丝印阻焊油墨的温度80℃，时间5分钟。

(8)等离子处理

由于铝基微带板的高频介质属于聚四氟乙烯材料，难于孔金属化，为了提高孔金属化的一次合格率，沉铜前应进行等离子处理。

(9)孔金属化和全板镀铜

按印制板常规工艺进行铝基微带板孔金属化和全板电镀的加工。

(10)图形转移

图形转移如采用贴干膜工艺，应注意贴膜速率的控制，因为铝基板传热较快，如贴膜速率过快，会出现贴膜不紧，导致后序工序掉膜的质量问题。

如表面镀金涂层厚度≥1微米时，则采用湿膜工艺，并在电镀前在110℃烘板10分钟，防止镀金时渗镀的质量问题。

(11)图形电镀铜/镍/金

图形电镀铜、镀镍金工序的加工和常规印制板的加工相同。

铝基微带板的铝基层也是接地层，为了接地可靠，要求铝基层表面涂覆层应平整，故铝基微带板表面涂镀工艺优选镍金镀层，如微带板的高频特性要求严格时，可采用铜上镀纯金的特殊工艺。

(12)蚀刻

铝基微带板一般采用镀镍金工艺，蚀刻时应注意蚀刻液对镀镍层微蚀，蚀刻液的PH值控制在工艺要求的中上限，以保证镀层的外观质量。

(13)丝印阻焊和字符

由于阻焊层会影响铝基微带板高频电性能，故铝基微带板一般不要求丝印焊阻层，但为了保证回流焊接时焊点的质量，可根据具体情况在焊盘连线处设计少量的阻焊隔离桥，建议阻焊桥宽度为0.25mm。

阻焊桥、文字加工和常规印制板加工基本相同。

(14)贴保护胶膜

由于铝基微带板后序机械加工工序较多，为了保护微带板的外观质量，建议在微带板的两面贴保护胶膜，小批量生产可用手工贴膜，批量生产用贴膜机加工。

(15)二次钻孔

以工艺孔为基准，钻非孔金属孔(包括设计的螺纹底孔)。

(16)外形加工

批量板采用模冲或机械加工中心进行加工。小批量生产时可用印制板铣床，选用双刃铣刀或键槽铣刀，为提高外形精度，铣床加工应分次加工，每次进刀量应小于0.4mm，加工过程应用酒精适当进行冷却。如有螺纹加工要求的铝基印制板，铣好外形后进行螺纹攻丝加工。

(17)去除保护胶膜

去除保护胶膜和毛刺，提交检验。

铝基微带板验证试样：

(1)表面镀层厚度检测

技术要求：镀镍层厚度3μm～5μm；金层≥0.05μm。

检测数据：镍层厚度为3.65μm～5.00μm，具体如表1所示；金层厚度为0.050μm～0.165μm，具体如表2所示。检测结果：表面镀层厚度均满足工艺设计要求。

表1镍层厚度测试数(单位：μm)

测试点	1	2	3	4	5	6	7	8	9
										厚度	5.00	4.63	4.08	3.65	4.14	4.85	4.05	3.85	3.72

表2金层厚度测试数(单位：μm)

测试点	1	2	3	4	5	6	7	8	9
										厚度	0.064	0.056	0.055	0.142	0.050	0.163	0.060	0.165	0.056

(2)微带板热冲击试验：

试验条件：按GJB 362B-2009标准第4.8.5.8.1条的试验要求，温度287±5℃，时间10-11秒，进行热应力试验三次。

检验标准：按GJB 362B-2009标准第3.5.3.4.8.1条检验要求，目检镀层(包括导线、焊盘和铝基接地层)无分离、裂缝、起泡和分层等问题。

试验外观检查：样件散热铝基面的铝基层、四元合金层、镀铜层、镀镍金层等镀层间的接合力优异，各镀层间无分离、裂缝、起泡和分层等异常问题。

试验结论：合格。

(3)微带板可焊性试验

试验条件：按GJB 362B-2009《刚性印制板通用规范》标准第4.8.5.5.2条件的试验要求：温度

时间5±1秒。

检验标准：按GJB 362B-2009《刚性印制板通用规范》标准第3.5.3.4.5的要求,表面安装焊盘至少有95％的面积湿润。

试验检查：表面安装焊盘100％润湿。

试验结论：合格。

(4)微带板回流焊接试验：

试验条件：铝基微带板常规为有铅回流焊接，为了验证微带板的耐高温性能，本试验按无铅回流焊接的工艺参数(最高温度245℃±2℃)，空板进行回流焊接四次，回流焊接设备参数如表3所示，回流焊接温度参数曲线如图4所示。

检验标准：目检镀层无氧化、变色、分层和起泡等质量问题。

试验检查：样件镀镍金层无氧化、变色现象；所有镀层均无起泡和分层等异常问题。试验结论：铝基微带板满足回流焊接工艺的要求。

表3回流焊接设备参数

设备设置参数	参数值	备注
			链条速度(cm/min)	75/70	两种不同的焊接温度
预热时间(s)	60～100
			预热温度(℃)	140～170
焊接时间(s)	30～60
			焊接区最高温(℃)	245

(5)微带板湿热试验：

试验条件：按照GJB 150.9A-2009《军用装备实验室环境试验方法第9部分：湿热试验》进行交变湿热试验，24h为一个循环周期，共进行10个周期试验。

检验标准：目检镀层无腐蚀、分层和起泡等质量问题；微带导线间、导线对地绝缘电阻≥5×108欧姆

试验检查：样件镀镍金层无腐蚀、变色，所有镀层均无起泡和分层等异常问题。

绝缘检测：工艺要求测试点的绝缘电阻均≥5×108欧，测试数据如下表4所示，绝缘电阻满足工艺要求

试验结论：合格。

表4绝缘电阻测试数据(单位：×10⁸欧姆)

测试点	1	2	3	4	5	6	7	8	9
										绝缘电阻	60	70	70	65	60	70	65	65	70

(6)产品生产验证

将用新工艺生产的孔金属化铝基微带板回流焊接，装配合拢成电子产品，对产品电性能指标进行测试，均符合设计要求，在工厂某型号重点产品上已经批量使用。

产品生产验证结论：用本发明工艺加工的孔金属化铝基微带板能满足回流焊接高温的要求，焊接后的微带板电性能稳定，散热性能优异，孔金属化铝基微带板装配调试后，各项技术指标满足设计要求。

Claims (2)

1.一种回流焊接孔金属化的铝基微带板生产工艺，其特征在于：生产工艺的流程依次包括：下料、钻金属化孔、铜箔面丝印阻焊油墨、三次浸锌和退锌、化学镀多元镍合金、印制板酸性镀铜、去除丝印阻焊油墨、等离子处理、孔金属化和全板镀铜、图形转移、图形电镀铜/镍/金、蚀刻、丝印阻焊和字符、贴保护胶膜、二次钻孔、外形加工、去除保护胶膜；在铜箔面丝印阻焊油墨，用于后序化学镀多元镍合金时铜箔层的防护，减少丝印时油墨进孔，所述铜箔面丝印阻焊油墨采用180目的丝网；所述化学镀多元镍合金的工艺配方为：硫酸镍35g/L、次亚磷酸钠40g/L、醋酸钠6g/L、乳酸8g/L、丁二酸6g/L、DL苹果酸13g/L、稳定剂0.1ml/L、络合剂0.2ml/L、光亮剂0.3ml/L，化学镀多元镍合金的工艺参数为：工作温度95±2℃，沉积时间40分钟，空气搅拌，镀层厚度为1-2微米；所述三次浸锌和退锌的工艺流程依次为：脱脂、热水洗、二级水洗、酸洗、二级水洗、第一次浸锌合金、二级水洗、浸50％硝酸退锌合金、二级水洗、第二次浸锌合金、二级水洗、浸50％硝酸退锌合金、二级水洗、第三次浸锌合金、二级水洗、浸50％硝酸退锌合金、二级水洗，其中第一次浸锌合金的时间为50～60s，第二次浸锌合金的时间为35～45s，第三次浸锌合金的时间为35～40s。

2.根据权利要求1所述的一种回流焊接孔金属化的铝基微带板生产工艺，其特征在于：三次浸锌采用无氰浸锌的工艺，无氰浸锌的工艺配方为：氢氧化钠120g/L、氧化锌20g/L、酒石酸钾钠50g/L、三氯化铁2g/L、硝酸钠1g/L。

Images