金属基板在SMT贴片加工中的工艺要点与失效防控

一、为何选用金属基板

随着功率器件与高密度LED模组在工业、汽车、照明领域的普及，FR-4 已难以满足散热、热循环寿命与机械强度的综合需求。金属基板（Metal Core PCB，MCPCB）以铝或铜作为核心载体，导热系数可达 1.0–3.0 W/(m·K)，是普通 FR-4 的 5–10 倍，能够将热量快速横向扩散，再通过散热器纵向导出，延长器件寿命并降低光衰。

二、金属基板的三层结构

1. 铜箔线路层：常规 35 µm 或 70 µm，需与介质层保持可靠结合力。

2. 绝缘介质层：厚度 50–150 µm，兼顾击穿电压（>2 kV）与导热率（1–3 W/(m·K)）。

3. 金属基层：铝（1.0–2.0 mm）兼顾重量与成本；铜（0.5–1.0 mm）用于更高导热或电磁屏蔽场合。

三、设计阶段的注意点

1. 热路径规划：功率器件下方禁止走线，直接开窗至金属基层，减少热阻。

2. 拼板强度：铝基板较脆，V-cut 深度需控制在金属层 1/3 以内，拼板间加 3 mm 工艺边并布设双定位孔。

3. 焊盘补偿：铜箔与铝基热膨胀系数差异大，焊盘外扩 0.05–0.10 mm，可减少回流后铜箔起翘。

四、SMT 制程关键参数

1. 预热斜率：≤ 2 °C/s，避免介质层分层。

2. 峰值温度：235–245 °C（Sn–Ag–Cu 无铅体系），比 FR-4 低 5–10 °C，防止铝基层氧化膜增厚。

3. 回流时间：液相线以上 40–60 s，过长易导致介质层脆化。

4. 氮气回流：氧含量 < 1000 ppm，降低铝面氧化，提升焊料润湿。

五、印刷与贴片中的细节控制

1. 钢网开口：功率器件焊盘采用“田”字分割，减少空洞率；开口面积比 ≥ 0.66。

2. 锡膏选型：Type-4 无卤 Sn96.5/Ag3/Cu0.5，金属含量 88–90 %，防止热沉后焊料塌陷。

3. 贴片压力：降低 20–30 %，避免压裂介质层；需使用弹性吸嘴或分段压力模式。

4. 支撑治具：铝基板翘曲≥0.5 % 时必须使用真空吸附治具，回流炉入口加装压片轮，防止卡板。

六、常见失效模式与根因

1. 介质层分层：预热过快或峰值温度过高。

2. 铜箔起泡：板材含水率 > 0.15 %，需 125 °C/2 h 预烘。

3. 焊盘剥离：热冲击后铜箔与介质结合力下降，可通过等离子清洗提升表面能。

4. 金属基层变形：治具温差 > 3 °C 导致局部热膨胀不均，需分区温控。

七、检测与可靠性验证

1. 空洞率：X-ray 抽检，功率器件焊点空洞 ≤ 20 %。

2. 剥离强度：铜箔与介质 ≥ 1.2 N/mm（IPC-TM-650 2.4.8）。

3. 热循环：-40 °C↔125 °C，500 cycles 后阻值漂移 ≤ 10 %。

4. 高压测试：1500 V AC/60 s，漏电流 ≤ 1 mA。

八、总结

金属基板并非简单替换 FR-4，而是一次“散热-机械-电性能”综合再设计。从板材选型、热仿真、钢网开口，到回流曲线与治具支撑，每一步都要围绕“低热阻、低应力、高可靠”展开。1943科技在批量生产中总结出：只要在前端设计阶段把热路径与拼板强度锁定，后端严格控温、控湿、控压，就能把金属基板的失效率压到 <50 ppm，为高功率、长寿命电子产品提供扎实底座。