一、為何選用金屬基板
隨著功率器件與高密度LED模組在工業、汽車、照明領域的普及，FR-4 已難以滿足散熱、熱循環壽命與機械強度的綜合需求。金屬基板（Metal Core PCB，MCPCB）以鋁或銅作為核心載體，導熱系數可達 1.0–3.0 W/(m·K)，是普通 FR-4 的 5–10 倍，能夠將熱量快速橫向擴散，再通過散熱器縱向導出，延長器件壽命并降低光衰。
二、金屬基板的三層結構
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銅箔線路層：常規 35 µm 或 70 µm，需與介質層保持可靠結合力。
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絕緣介質層：厚度 50–150 µm，兼顧擊穿電壓（>2 kV）與導熱率（1–3 W/(m·K)）。
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金屬基層：鋁（1.0–2.0 mm）兼顧重量與成本；銅（0.5–1.0 mm）用于更高導熱或電磁屏蔽場合。
三、設計階段的注意點
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熱路徑規劃：功率器件下方禁止走線，直接開窗至金屬基層，減少熱阻。
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拼板強度：鋁基板較脆，V-cut 深度需控制在金屬層 1/3 以內，拼板間加 3 mm 工藝邊并布設雙定位孔。
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焊盤補償：銅箔與鋁基熱膨脹系數差異大，焊盤外擴 0.05–0.10 mm，可減少回流后銅箔起翹。
四、SMT 制程關鍵參數
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預熱斜率：≤ 2 °C/s，避免介質層分層。
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峰值溫度：235–245 °C（Sn–Ag–Cu 無鉛體系），比 FR-4 低 5–10 °C，防止鋁基層氧化膜增厚。
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回流時間：液相線以上 40–60 s，過長易導致介質層脆化。
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氮氣回流：氧含量 < 1000 ppm，降低鋁面氧化，提升焊料潤濕。
五、印刷與貼片中的細節控制
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鋼網開口：功率器件焊盤采用“田”字分割，減少空洞率；開口面積比 ≥ 0.66。
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錫膏選型：Type-4 無鹵 Sn96.5/Ag3/Cu0.5，金屬含量 88–90 %，防止熱沉后焊料塌陷。
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貼片壓力：降低 20–30 %，避免壓裂介質層；需使用彈性吸嘴或分段壓力模式。
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支撐治具：鋁基板翹曲≥0.5 % 時必須使用真空吸附治具，回流爐入口加裝壓片輪，防止卡板。
六、常見失效模式與根因
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介質層分層：預熱過快或峰值溫度過高。
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銅箔起泡：板材含水率 > 0.15 %，需 125 °C/2 h 預烘。
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焊盤剝離：熱沖擊后銅箔與介質結合力下降，可通過等離子清洗提升表面能。
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金屬基層變形：治具溫差 > 3 °C 導致局部熱膨脹不均，需分區溫控。
七、檢測與可靠性驗證
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空洞率：X-ray 抽檢，功率器件焊點空洞 ≤ 20 %。
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剝離強度：銅箔與介質 ≥ 1.2 N/mm（IPC-TM-650 2.4.8）。
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熱循環：-40 °C↔125 °C，500 cycles 后阻值漂移 ≤ 10 %。
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高壓測試：1500 V AC/60 s，漏電流 ≤ 1 mA。
八、總結
金屬基板并非簡單替換 FR-4，而是一次“散熱-機械-電性能”綜合再設計。從板材選型、熱仿真、鋼網開口，到回流曲線與治具支撐，每一步都要圍繞“低熱阻、低應力、高可靠”展開。1943科技在批量生產中總結出：只要在前端設計階段把熱路徑與拼板強度鎖定，后端嚴格控溫、控濕、控壓，就能把金屬基板的失效率壓到 <50 ppm，為高功率、長壽命電子產品提供扎實底座。
2024-04-26
