Technische uitdagingen bij de vervaardiging van PCB's op basis van twee lagen aluminium: oplossingen voor een betrouwbare productie

2-layer aluminum base PCBs (MCPCBs) are the backbone of high-power electronics—from LED lighting to EV charging modules—thanks to their superior thermal conductivity (1–5 W/m·K) compared to traditional FR4 PCBs (0De unieke structuur van de PCB's – een aluminiumkern die aan een dielectrische laag is gebonden en kopersporen – brengt echter technische hindernissen met zich mee die niet bestaan bij de standaard PCB-fabricage.Harsdefecten, en het falen van het soldeermasker zijn slechts enkele problemen die de productie kunnen ontwrichten, de opbrengst kunnen verminderen en de betrouwbaarheid van het eindproduct in gevaar kunnen brengen.

Voor fabrikanten en ingenieurs is het begrijpen van deze uitdagingen van cruciaal belang om consistente, hoogwaardige PCB's met een aluminiumbasis van twee lagen te leveren.In deze gids worden de meest voorkomende technische moeilijkheden bij de verwerking van PCB's op basis van aluminium met twee lagen uiteengezet., vergelijkt ze met de standaard FR4-productie en biedt bruikbare oplossingen die worden ondersteund door gegevens en beste praktijken in de industrie.Deze inzichten zullen u helpen productie knelpunten te overwinnen en PCB's te bouwen die bestand zijn tegen thermische stress en harde omgevingen.

Belangrijkste lessen
1.Bindingsfouten: Delaminatie tussen de aluminiumkern en de dielectrische laag veroorzaakt 35% van de defecten van de tweelagige aluminiumbasis PCB's die worden opgelost door nauwkeurige laminatiebeheersing (180~200°C,300­400 psi) en hooghaarharsen.
2.harsdefecten: bollen en kraken in de dielectrische laag verminderen de warmtegeleidbaarheid met 40% – dit wordt voorkomen door harsen met een hoge Tg-waarde (Tg ≥ 180°C) en vacuümontgassing.
3.Soldermaskerproblemen: het gladde oppervlak van aluminium leidt tot 25% hogere peelingpercentages van het soldeermasker, die worden aangepakt met gritblasting (Ra 1,5 ∼2,0 μm) en UV-hardbare soldeermaskers.
4.Thermische cyclus betrouwbaarheid:PCB's op basis van aluminium met twee lagen falen 2x vaker dan FR4 in cycli van -40 °C tot 125 °C – geminimaliseerd door CTE (coëfficiënt van thermische uitbreiding) tussen lagen te matchen en flexibele dielectrieken te gebruiken.
5Kostenefficiëntie: Een goede procescontrole vermindert de gebreken van 20% tot 5%, waardoor de herwerkingskosten in de productie van grote hoeveelheden met 0,80 tot 2,50 dollar per PCB dalen.

Wat is een PCB met twee lagen aluminium?
Een 2-lagig aluminium-PCB bestaat uit drie kerncomponenten, gestapeld in een “koper-diëlektrisch-aluminium-koper” structuur:

1Aluminiumkern: zorgt voor mechanische stijfheid en fungeert als een warmteverspreider (meestal 0,5 mm dik, 6061 of 5052 aluminiumlegering).
2.Dielectrische laag: een isolatiemateriaal (bijv. epoxyhars, polyimide) dat de aluminiumkern bindt aan kopersporen die essentieel zijn voor elektrische isolatie en warmteoverdracht.
3.Kopersporen: 1 3 oz koperen folie aan beide zijden van de dielectrische/aluminiumstapel draagt elektrische signalen en stroom.

In tegenstelling tot standaard FR4-PCB's (die glasvezel als kern gebruiken), maakt de thermische geleidbaarheid van de aluminiumbasis 2-laag MCPCB's ideaal voor toepassingen met een hoog vermogen (10W+).Deze structuur creëert ook unieke productie-uitdagingen, omdat de eigenschappen van aluminium (hoge thermische expansie, glad oppervlak) in strijd zijn met traditionele PCB-bewerkingsmethoden.

2-lagen aluminiumbasis-PCB versus standaard FR4-PCB: fabricagevergelijking

Om de technische moeilijkheden van PCB's met een aluminiumbasis van twee lagen in een context te plaatsen, is het van cruciaal belang deze te vergelijken met standaard FR4 PCB's, het meest voorkomende PCB-type.De onderstaande tabel toont de belangrijkste verschillen in materialen, processen en uitdagingen:

Voorbeeld: bij een fabrikant die 10.000 PCB's met een aluminiumbasis van twee lagen voor LED-drivers produceert, is het gebrek met 18% vergeleken met 7% voor FR4-PCB's van dezelfde complexiteit.

De voornaamste problemen zijn: delaminatie (6%) en peeling van het soldeermasker (5%).

Toptechnische moeilijkheden bij het verwerken van tweelagen aluminiumbasis-PCB's
Bij de productie van tweelagen PCB's op basis van aluminium zijn er 5+ kritieke stappen, elk met unieke uitdagingen.

1. Dielectro-aluminiumbindingsfalen (delaminatie)
Delaminatie – de scheiding tussen de aluminiumkern en de dielectrische laag – is de belangrijkste technische moeilijkheid bij de verwerking van PCB's op basis van twee lagen aluminium.Het komt voor als de dielektrische niet aan het aluminiumoppervlak hecht., waardoor luchtgaten ontstaan die de thermische geleidbaarheid en de elektrische isolatie verminderen.

De oorzaken:
a.Onvoldoende oppervlaktevoorbereiding: de natuurlijke oxidelaag van aluminium (10-20 nm dik) fungeert als een barrière tegen hechting.
b. Mismatch van de lamineerparameters: Te lage temperatuur (≤ 170°C) verhindert dat hars hard wordt; te hoge druk (> 450 psi) persen overtollige hars uit, waardoor dunne vlekken ontstaan.
c. Vocht in hars: waterdamp in de dielektrische hars verdampt tijdens het lamineeren en vormt bubbels die de binding verzwakken.

Gevolgen:
a. thermische geleidbaarheid daalt met 50% (bijv. van 3 W/m·K tot 1,5 W/m·K), wat leidt tot oververhitting van onderdelen.
b. Bij hoge spanningen (≥ 250 V) valt de elektrische isolatie uit, waardoor kortsluitingen optreden.
c.Delaminated PCB's hebben een 70% hoger falen bij thermische cyclus (-40 °C tot 125 °C).

Gegevens:

2. Defecten van dielektrische hars (bollen, kraken)
De dielectrische laag is de "lijm" van 2-lagige PCB's op basis van aluminium, maar het is gevoelig voor twee kritieke defecten: bollen (tijdens laminatie) en kraken (tijdens thermische cyclus).

De oorzaken van het bollen:
a.Vocht in hars: hars die onder vochtige omstandigheden (> 60% RH) wordt opgeslagen, absorbeert water, dat tijdens het lamineeren (180°C+) verdampt en bollen vormt.
b.Onvoldoende ontgassing onder vacuüm: de in de hars opgesloten lucht wordt niet verwijderd voordat de hars wordt gelamineerd, waardoor er leegtes ontstaan.
c.Viscositeitsproblemen van hars: hars met een lage viscositeit stroomt te veel, waardoor dunne gebieden achterblijven; hars met een hoge viscositeit vult geen gaten, waardoor luchtzakken ontstaan.

De oorzaken van kraken:
a.Low-Tg-hars: harsen met een Tg < 150°C verzachten bij hoge temperaturen (≥ 125°C), wat leidt tot barsten bij afkoeling.
b.CTE Mismatch: de CTE van aluminium (23 ppm/°C) is bijna het dubbele van die van standaard epoxyhars (12 ppm/°C).

Gevolgen:
a.Bolletjes verminderen de thermische geleidbaarheid met 40%, waardoor LED-drivers oververhit raken en voortijdig uitvallen.
b.Raken brengen de elektrische isolatie in gevaar, wat in industriële toepassingen leidt tot 20% hogere veldfalen.

Gegevens:

3Problemen met de hechting en de dekking van het soldeermask
Een soldeermasker beschermt kopersporen tegen corrosie en soldeerbruggen, maar het gladde, niet-poreuze oppervlak van aluminium maakt het lasmasker moeilijk vast te houden.schilpen en speldgaten.

Oorzaken van schillen:
a.Onvoldoende oppervlakkrapheid: de natuurlijke Ra (0,1 ∼0,5 μm) van aluminium is te glad om door het soldeermasker te worden vastgeplakt.
b.Verontreinigd oppervlak: olie, stof of residuele oxide op aluminium voorkomt dat het soldeermasker bindt.
c. Onverenigbaar soldeermasker: standaard FR4-soldeermasken (voor glasvezel) hechten zich niet aan aluminium.

De oorzaken van speldgaten:
a. Slechte lasmaskerdikte: een te dun lasmasker (≤ 15 μm) veroorzaakt naaldgaten tijdens het hoeden.
b. Gevangen lucht in het soldeermasker: Luchtbellen in het vloeibare soldeermasker barsten tijdens UV-harding en laten kleine gaten achter.

Gevolgen:
a.De schildering brengt kopersporen bloot aan corrosie, waardoor de veldfalen in vochtige omgevingen met 25% toenemen.
b.Pinholes veroorzaken soldeerbruggen tussen sporen, wat leidt tot kortsluitingen bij ontwerpen met een hoge dichtheid.

Gegevens:

4. Uitdagingen voor de bewerking van aluminiumkernen
Aluminium's zachtheid (6061 legering: 95 HB) maakt het gevoelig voor vervorming tijdens het snijden, boren en routen.

De oorzaken:
a.Dull Tooling: Saai boorstukken of routerbladen scheuren aluminium in plaats van het te snijden, waardoor er buizen (0,1 ∼0,3 mm) ontstaan die kortsluitingen maken.
b. Overmatige snij snelheid: bij snelheden van meer dan 3.000 RPM ontstaat warmte, waardoor de dielectrische laag smelt en aluminium aan het gereedschap wordt gebonden.
c.Onvoldoende bevestiging: Aluminium's flexibiliteit veroorzaakt trillingen tijdens de bewerking, wat leidt tot ongelijke randen en verkeerd uitgelijnde gaten.

Gevolgen:
a.Burrs vereisen handmatig ontborren, wat $0,20$0,50 per PCB aan arbeidskosten toevoegt.
b. Verkeerde gaten (± 0,1 mm) breken de via's, waardoor de opbrengst met 8·10% wordt verminderd.

Gegevens:

5. Betrouwbaarheid van de thermische cyclus
PCB's met een aluminiumbasis van twee lagen zijn ontworpen voor toepassingen bij hoge temperaturen, maar de thermische cyclus (-40°C tot 125°C) veroorzaakt nog steeds 30% van de veldfalen.en koper.

De oorzaken:
a.CTE Mismatch: Aluminium (23 ppm/°C) breidt zich 2x sneller uit dan koper (17 ppm/°C) en 3x sneller dan epoxy (8 ppm/°C).
b.Brekbare dielectricum: harsen met een lage flexibiliteit barsten door herhaalde uitbreiding/contractie.
c. Zwakke viaverbindingen: via die de twee koperschichten verbinden kunnen zich tijdens de cyclus van de dielectric aftrekken.

Gevolgen:
a.Een 2-lagig aluminium-PCB-basis voor een EV-oplaadmodule is na 500 thermische cycli vervallen, in vergelijking met 1000 cycli voor een goed ontworpen board.
b.CTE-gerelateerde storingen kosten fabrikanten jaarlijks 100 000$/500 000$ aan garantieclaims.

Gegevens:

Oplossingen voor het overwinnen van de uitdagingen van het verwerken van PCB's op basis van twee lagen aluminium
Het aanpakken van de bovenstaande technische problemen vereist een combinatie van materiaalkeuze, procesoptimalisatie en kwaliteitscontrole.
1. Het oplossen van dielektrische-aluminium binding mislukking
a.Oppervlaktevoorbereiding: Gebruik granafblazen (aluminiumoxide media, 80×120 granafblazen) om Ra 1,5×2,0μm te bereiken. Hierdoor wordt de oxidelaag verwijderd en ontstaat een ruw oppervlak voor harsaderingen.Volgt een ultrasone reiniging (60°C), 10 minuten) om puin te verwijderen.
b.Laminatie-optimalisatie:
Temperatuur: 180~200°C (hardt hars zonder te branden).
Druk: 300-400 psi (zeker voor volledig harscontact met aluminium).
Vacuüm: -95 kPa (verwijdert luchtzakken).
c.Selectie van harsen: kies voor epoxyharsen met silane koppelingsmiddelen (bijv. A-187)  deze chemicaliën binden hars aan aluminiumoxide, waardoor de bindsterkte met 50% toeneemt.

Het resultaat: een fabrikant die gebruik maakt van korrelblazen + silane-gekoppelde hars verminderde de delaminatie van 12% tot 2%.

2. Voorkoming van harsborrel en kraken
a.Vochtbeheersing: bewaren van hars in een droge ruimte (RH < 30%) en voordrogen bij 80°C gedurende 2 uur voordat het wordt gebruikt.
b.Vacuümontgassing: Degashars bij -90 kPa gedurende 30 minuten om de bubbelvermogen van de opgesloten lucht te verminderen van 18% tot 5%.
c.Hoog Tg-flexibele harsen: gebruik epoxy-polyimide mengsels (Tg ≥ 180°C, CTE 1215 ppm/°C) – deze weerstaan scheuren tijdens thermische cyclussen en behouden hun flexibiliteit.

Resultaten: Een LED-fabrikant is overgestapt op epoxy-polyimidehars met een hoge Tg-waarde, waardoor de harsdefecten van 22% tot 4% zijn afgenomen.

3. Zorg voor de hechting van het soldeermasker
a.Aggressieve oppervlaktebehandeling: combineren van granafblazen (Ra 1,5 μm) met plasmamodellen (zuurstofplasma, 5 minuten) dit verwijdert restoliën en activeert het aluminiumoppervlak,verhoging van de hechting van het soldeermasker met 80%.
b.Aluminium-specifiek soldeermasker: gebruik UV-bestendige soldeermaskers die zijn samengesteld voor aluminium (bijv. DuPont PM-3300 AL). Deze bevatten adhesiepromotoren die aan aluminiumoxide binden.
c.Optimale dikte: soldeermasker op 25 ‰ 35 μm (2 ‰ 3 lagen) aanbrengen om te voorkomen dat naaldgaten worden behandeld met UV-licht (365 nm, 500 mJ/cm2) voor volledige kruisverbinding.

Resultaat: Een telecomleverancier die gebruik maakte van een met aluminium gespecificeerd soldeermasker verminderde de peeling van 18% tot 3%.

4Optimalisatie van het bewerken van aluminium
a.Sharp Tooling: Gebruik boorstukken van carbide (punthoek van 135°) en vervang ze na 300 gaten.
b.Gerelateerde snelheid/toevoer:
Boren: 2000 ∼ 2500 RPM, 0,1 mm/omwenteling voedingssnelheid.
Routing: 1.500 ∼ 2.000 RPM, 0.2 mm/rpm voertempo.
c. Vacuümbevestiging: Bevestiging van de aluminiumkern met vacuümzuiging tijdens het bewerken – verwijdert trillingen en verbetert de oriëntatie van de gaten tot ± 30 μm.

Resultaat: Een contractfabrikant die vacuümbevestigingen gebruikt, verhoogde de bewerkingsopbrengst van 82% tot 98%.

5Verbetering van de betrouwbaarheid van de thermische cyclus

a.CTE-matching: in plaats van puur aluminium gebruik kopergecoat aluminium (CCA) CCA heeft een CTE van 18 ppm/°C (bijna gelijk aan koper 17 ppm/°C) versus puur aluminium 23 ppm/°C.Dit vermindert de thermische spanning tussen de lagen met 40%- Wat is er?
b.Flexibele dielectrische integratie: een dunne laag polyimide (CTE 15 ppm/°C) wordt in de dielectrische stapel opgenomen, die door zijn flexibiliteit uitbreidings-/contractiekrachten absorbeert.vermindering van de krakingspercentages van 22% tot 3%- Wat is er?
c. Versterkt via-ontwerp: gebruik thermische via's (0,3 ∼ 0,5 mm in diameter, met koper gevuld) rond hoogwarmtecomponenten (bijv. LED's, spanningsregulatoren).Ruimte vias 2 ∼3 mm uit elkaar om een warmtepad dat via pull-away met 60% vermindert te creëren- Wat is er?

Een gevalstudie: Een fabrikant van elektrische laadmodules is overgestapt op CCA-kernen en flexibele dielectrieken.en garantie claims daalden met 75%, wat jaarlijks $300.000 bespaart.- Wat is er?

Kwaliteitscontrole: Beproeving van de betrouwbaarheid van tweelagige aluminiumbasis-PCB's
Zelfs bij procesoptimalisatie is rigoureus testen van cruciaal belang om defecten te vangen voordat PCB's klanten bereiken.samen met pass/fail criteria- Ik weet het niet.

Beste praktijk: bij productie in grote hoeveelheden (10k+ eenheden per week) moet 1% van elke partij worden getest. Bij kritieke toepassingen (bijv. automotive, medische toepassingen) moet de bemonstering worden verhoogd tot 5% om veldfouten te voorkomen.

Echte toepassing: uitdagingen in LED-PCB's
LED-verlichting is de grootste markt voor PCB's op basis van twee lagen aluminium, met 45% van de wereldwijde vraag naar MCPCB's (LED's in 2024).Een toonaangevende LED-fabrikant werd geconfronteerd met drie kritieke problemen met zijn PCB's op basis van twee lagen aluminiumDe volgende problemen werden opgelost: delaminatie (15% gebrekpercentage), harsborrelendheid (12%), en soldeermaskerpeeling (8%).

1Delaminatieoplossing
a. chemische reiniging vervangen door het blazen van 80-grit aluminiumoxide (Ra 1,8 μm) gevolgd door een ultrasone reiniging.
b. overgeschakeld naar epoxyhars met silane koppelingsmiddelen (A-187) en geoptimaliseerde laminatie: 190°C, 350 psi, -95 kPa vacuüm.
c.Resultaat: Delaminatie daalde tot 2%.

2Resin Bubbling Solution
a.Er is een droge ruimte (RH < 25%) voor de harsopslag geïmplementeerd en vóór het lamineeren is een vacuümontgassingsstap (-90 kPa, 30 minuten) toegevoegd.
b.Veranderd van epoxy met een lage Tg (Tg 130°C) naar epoxy-polyimide met een hoge Tg (Tg 190°C).
c.Resultaat: Bubbeling daalde tot 3%.

3Soldeermasker Peeling Solution
a. Gebruikt zuurstofplasma reiniging (5 minuten, 100 W) na granafblazen om het aluminiumoppervlak te activeren.
b.Een aluminium-specifiek, UV-hardbaar soldeermask (DuPont PM-3300 AL) met een dikte van 30 μm.
c.Resultaat: Schilfering tot 1%.

Eindresultaat
a.Het totale gebrekcijfer daalde van 35% naar 6%.
b.De herwerkingskosten daalden met 1,20 per pcb, waardoor jaarlijks 120 000 (100 000 eenheden/jaar) bespaard werden.
c.De levensduur van de LED-bestuurder is verlengd van 30 tot 50 000 uur, met inachtneming van de veiligheidsnormen EN 62471 voor commerciële verlichting.

Kosten-batenanalyse: investeren in procesoptimalisatie
Veel fabrikanten aarzelen om te investeren in grindblaaswerkzaamheden, harsen met een hoge TG-waarde of gespecialiseerde tests, omdat ze zich zorgen maken over de aanvankelijke kosten.Hieronder vindt u een kosten-batenverdeling voor een productielijn met een aluminiumbasis van 100k eenheden per jaar- Ik weet het niet.

- Ik weet het niet.
Belangrijkste inzichten: procesoptimalisatie betaalt zich in 2 ¢ 3 maanden voor lijnen met een hoog volume.5k/jaar) maar toch investeringen rechtvaardigen, met name voor kritieke toepassingen zoals automotive of medische toepassingen- Wat is er?

Veelgestelde vragen over het verwerken van PCB's op basis van twee lagen aluminium
V1: Wat is de beste aluminiumlegering voor 2-lagen MCPCB's?
A: 6061 aluminium is de industriestandaard – het combineert thermische geleidbaarheid (167 W/m·K), bewerkbaarheid en kosten.met een vermogen van niet meer dan 10 WVermijd puur aluminium (1050 legering) – het is te zacht en vatbaar voor vervorming.

V2: Kunnen PCB's met een aluminiumbasis van 2 lagen loodvrij solderen?
A: Ja, maar loodvrije soldeer (bijv. Sn-Ag-Cu) heeft een hoger smeltpunt (217°C) dan loodhoudende soldeer (183°C).
Gebruik een dielectricum met een hoge Tg (Tg ≥ 180°C) om weerstand te bieden aan terugstroomtemperaturen.
Verhit het PCB langzaam (2°C/sec) tijdens de herstroom om thermische schok te voorkomen.

V3: Hoe dik moet de diëlektrische laag zijn voor PCB's met een aluminiumbasis van twee lagen?
Een dunner dielectricum (< 0,1 mm) vermindert de isolatieweerstand (risico van kortsluitingen), terwijl een dikker dielectricum (> 0, 3 mm) de thermische geleidbaarheid met 30% verlaagt.Voor hoogspanningstoepassingen (≥ 500 V), gebruik maken van een dielektrische 0,2-0,3 mm die aan de IEC 60664-isolatie normen voldoet.

V4: Wat is de maximale vermogendichtheid die tweelagen PCB's op basis van aluminium kunnen verwerken?
A: Typisch 5 ̊10 W/cm2 ̊3x hoger dan FR4 PCB's (1 ̊2 W/cm2).een 2-laag MCPCB met een aluminium kern van 2 mm en 0.2 mm dielectric kan 8 W/cm2 verwerken voor LED toepassingen.

V5: Hoe kies ik tussen epoxy- en polyimide-dielectric voor 2-lagige PCB's op basis van aluminium?
A: Gebruik epoxy voor kosteneffectieve toepassingen bij lage temperaturen (≤ 125°C), zoals bij LED's voor consumenten.Gebruik polyimide of epoxy-polyimide mengsels voor toepassingen bij hoge temperaturen (≥ 150°C) of bij moeilijke omstandigheden (automotive)In de industriële sector is flexibiliteit en thermische weerstand van cruciaal belang.

Conclusie
PCB's op basis van twee lagen aluminium bieden een ongeëvenaarde thermische prestatie voor elektronica met een hoog vermogen, maar hun unieke structuur brengt technische uitdagingen met zich mee die de standaard FR4-productie niet aanpakt.DelaminatieHet is echter niet onoverkomelijk dat er in de meeste landen een aantal problemen zijn met de verwarming van de hars, het afvallen van het soldeermasker en thermische cyclus.

Door te investeren in optimalisatie van het proces, gritblazen voor oppervlaktevoorbereiding, flexibele harsen met een hoge Tg-waarde, aluminiumspecifieke soldeermassen,en rigoureuze tests kunnen de fabrikanten de gebrekcijfers van 20% naar 5% of lager verlagenDe aanvankelijke kosten van deze verbeteringen worden snel gecompenseerd door besparingen op het gebied van herbewerking, schroot en garantieclaims.

Voor ingenieurs en productteams is het belangrijk om deze uitdagingen niet als barrières te zien, maar als kansen om betrouwbaarder producten te bouwen.Een goed bewerkte tweelagige aluminium-PCB spreidt niet alleen de warmte beter uit, maar is ook langer houdbaar., heeft een consistente prestatie en voldoet aan de strenge normen van industrieën zoals automotive, LED-verlichting en industriële elektronica.

Naarmate de vraag naar krachtige, geminiaturiseerde elektronica toeneemt, wordt het beheersen van de PCB-verwerking op basis van twee lagen aluminium nog belangrijker.Deze PCB's blijven de keuze voor toepassingen waarbij thermisch beheer en betrouwbaarheid niet onderhandelbaar zijn.- Wat is er?