铝是用途广泛的金属，自法国拿破仑三世统治时期发现了该元素以来，铝已经被应用到了无数种产品中。拿破仑三世在位期间，铝比金更贵重。国王在宴请宾客时，只有他本人和贵宾才能用铝制餐具，其他人则只能用金制餐具。

科学家花了很长时间才计算出铝是迄今为止地壳中含量最丰富的金属元素，占到了8.3%，同时也是地壳中含量第三高的元素，仅排在氧(46%)和硅(26%)之后。

如今，铝已经成为了最经济实惠的金属之一，可能也是用处最广泛的金属之一。它具有很多令人满意的属性：质量轻、导电性和导热性极佳，易加工，易于冲压、化学研磨和成型。而且铝作为一种金属，其天然具备尺寸稳定性，能实现各向同性延展(与那些在X、Y、Z方向上延展率不一致的复合材料不同)。铝可以阳极化，使其表面形成氧化铝(Al2O3)，氧化铝陶瓷是一种以氧化铝(Al₂O₃)为主体的陶瓷材料，因此有可能形成原位分布电容层。

这种金属还可以通过聚合物以及搪瓷绝缘材料均匀地电泳涂覆(例如汽车漆的均匀性)。其CTE和铜的CTE接近(铝的CTE为22×10-6/℃，铜的CTE为18×10-6/℃)，且无毒性(未列入《危害性物质限制指令》)。目前，铝价已经跌倒了史上最低水平，约为每磅1美元。多年来，铝在PCB制造业一直属于工艺耗材，作为钻孔时的盖板材料，在钻孔时可减缓铜毛刺的形成。按质量来计算，一般层压板(除铜箔以外)的成本是铝制层压板成本的2~3倍，而且制造成本也更高。

铝有这么多优势，似乎是生产印制电路(包括刚挠性结合电路)的理想替代材料，但美中不足的是铝有很大的缺点：对于焊接元件，铝作为优质导热体，存在形成冷焊点的高风险；同时焊接时过多热量会对元件造成热损伤。

 

倘若不需要焊接？

下文将介绍一种使用铝制基板且无需焊料构建刚挠结合组件的实验性构想。最初设计刚挠结合电路主要应用于军事应用中，因此使用铝芯。虽然黄铜、青铜和钢等金属载体都可以用来构成组件，但由于上文列举的多个优点，铝可能是首选材料。 

本文介绍的工艺与传统制造工艺正相反，也就是说，不再是刚挠结合电路板生产后再将元件焊接到成品上，而是先加工支撑元件的铝芯，元件从金属芯单侧或双侧的铝主体向外露出端子，随后再电镀铜实现与这些端子的互连。在板上形成固定元件的腔穴后，可以用适用的介质通过阳极氧化或电泳涂覆处理组件，使表面绝缘，然后用挠性介质涂覆“元件板”。元件最好具有相同的厚度，但这一要求并不是强制性的，还可以用其他方式来处理元件的高度差。更重要的是，要对元件做全面的测试和高温加速老化测试，当然也可以选择测试裸芯片。

此时，要在金属芯单侧或双侧添加挠性绝缘层(图1)。之后组件的加工方式就可以与刚性印制电路一样使用积层法。可以用钻孔和电镀通孔的方式来实现面与面之间的连接，但需要多加一个工艺工序，涂覆暴露在外面的铝，并二次钻孔穿过介质，以完成化学镀铜和电解镀铜。

 

图1:一种铝芯刚挠结合 PCB 制造工艺示例(来源:美国专利10,285,270)

 

不使用焊接就能形成连接的优势在于可以把元件焊盘位置当作微通孔，多余的空间可以用来增加布线。添加完所有必须的互连和电路之后，在金属载体变薄到足以让剩余金属轻易弯折的区域内进行局部加工。若有剩余，可以将剩余金属当作组件的接地层。若希望隔离，可以用化学品蚀刻剩余金属。稀释后的氢氧化钠和葡萄糖酸钠溶液等碱性化学药水适用于铝，但三氯化铁等其他化学药水就更适用于其潜在应用。还有很多专用化学药水也可以使用。图1图示了该专有工艺概念。

建议挠性电路设计中，通过弯折区域的理想电路层数应该为1~2层金属层。除此之外，本文介绍的工艺具有增加可靠性、减少总成本的潜在优势。

总结电子组装要使用无铅焊料，必定会面临不断涌现的挑战。可通过能够避免使用焊料及其导致无数问题的方法来研发电路组装和制造的新方式。读者能从这篇文章中了解到的信息也只是冰山一角。我每天都在思考(或许你现在也是)用什么创意和方式将封装芯片与所需的互连集成到一起。例如使用Occam工艺让原不可能的产品成为可能，这样独立设计师和OEM都可以用新的方式生产出可靠性强、性价比高的产品。如此，十年间困扰制造商的无数问题也迎刃而解了。

目前，无焊料挠性电路组装技术使用打印油墨和导电粘合剂来替代铜走线和焊料，已取得了一定进展。这些是朝着新领域迈出的重要步骤，目前还不确定这些油墨能否与金属铜相媲美，但努力付出会让行业迎来光明的未来。这类研发成果能扩大可用材料范围，大幅拓宽电子互连设计的范围。一旦从事互连工作的技术专家和产品设计师用开阔的思路攀爬“Occam技术之树”，他们就会发现这棵大树上有很多枝丫引领着他们发现新的工艺技术、加工方法和产品结构，而这些都是他们了解这项工艺之前未预料到。本文列举的特定结构和工艺示例还未在实践中运用，但未来是有可能的。现在欠缺的就是敢于尝试的勇气，但这种尝试不像建造一座新的半导体加工厂，需要花费几十亿美元，相反，只要有一群人接受20年前的史蒂夫•乔布斯在苹果公司发布的挑战：拥有“不同凡想”的思维方式。

 

更多内容可点击这里查看，文章发表于《PCB007中国线上杂志》22年7月号，更多精彩原创内容，欢迎关注“PCB007中文线上杂志”公众号。

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