大功率LED散熱器基覆銅箔印制電路層壓板的研制開(kāi)發(fā)

施朝陽(yáng)袁 鋒

（1.常州市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所 江蘇 常州 213164；2.常州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 常州 213164）

0 前言

金屬基覆銅箔層壓板(Metal Base Copper Clad Laminates)是由金屬層(鋁、銅等金屬薄板)、絕緣介質(zhì)層(環(huán)氧樹(shù)脂,陶瓷粉等)和銅箔(電解銅箔、壓延銅箔等)三位一體復(fù)合制成的印制電路板(PCB)用特殊基板材料。

1963年美國(guó)Ves Ierm Electrico公司首創(chuàng)了鐵基夾芯印制板及基板材料，并在繼電器上得到應(yīng)用。美國(guó)貝格斯公司(Bergquist)在上世紀(jì)60年代初成為了世界最早制作鋁基覆銅板的企業(yè)。1969年日本三洋公司開(kāi)始自主開(kāi)發(fā)了鋁基覆銅板，1974年應(yīng)用于STK系列功率放大混合集成電路上。隨后，日本的住友金屬、松下電工等公司也推出了商品化的金屬基覆銅板。

近幾年LED技術(shù)發(fā)展迅速，從發(fā)光效率到單顆LED的光通量，都有大幅度的提升，由于LED體積小、耗電低、響應(yīng)快、抗震性好，使其從指示、顯示領(lǐng)域，開(kāi)始進(jìn)入路燈、照明、汽車燈具和家電等領(lǐng)域。但在大功率LED電路應(yīng)用中，需要用集成的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，造成電路產(chǎn)生高溫，需加裝散熱器以散發(fā)電路工作產(chǎn)生的熱量，確保整個(gè)電路可靠工作。目前，LED散熱技術(shù)的成熟度是影響其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。

目前，國(guó)內(nèi)外LED功率器散熱及電子線路板散熱普遍采用鋁基覆銅箔層壓板作為線路板基材，由于用鋁板替代了普通的印制線路板中的非金屬增強(qiáng)材料，使得整個(gè)線路板成為一個(gè)巨大的散熱器，這樣既加快了電路工作產(chǎn)生的熱量的散發(fā)，又免去了在電路中加裝散熱器，減小了印制電路組裝板的安裝空間。同時(shí)，鋁具有比重小、導(dǎo)熱性高、良好的延展性等特性，因此，鋁基覆銅箔層壓板的研制成功是印制線路板發(fā)展的一次重大革命，成為大功率電源板（模塊）、LED光電板（模塊）的搶手材料，一問(wèn)世就贏得了廣泛的市場(chǎng)需求。

1 鋁基覆銅箔層壓板的工作原理

金屬基覆銅箔層壓板結(jié)構(gòu)一般是由金屬基層(鋁、銅等金屬薄板)、絕緣導(dǎo)熱層(環(huán)氧樹(shù)脂,陶瓷粉等)和銅箔(電解銅箔、壓延銅箔等)組成。目前，應(yīng)用最廣的是鋁基覆銅箔層壓板，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鋁基覆銅箔層壓板

圖2 LED功率器件使用鋁基板的散熱模擬圖

鋁基覆銅箔層壓板的工作原理：LED功率器件表面貼裝在印制電路層，如圖2所示，LED功率器件運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的熱量通過(guò)絕緣層快速傳導(dǎo)到金屬（鋁）基層，然后由金屬（鋁）基層將熱量傳遞給散熱器將熱量散出去，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)LED功率器件的散熱，與傳統(tǒng)的FR-4覆銅板相比，鋁基覆銅箔層壓板能夠?qū)嶙杞抵磷畹?，鋁基覆銅箔層壓板具有極好的熱傳導(dǎo)性能；與陶瓷基板相比，它具有良好的機(jī)械性能。

2 散熱器基覆銅箔印制電路層壓板結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目研制開(kāi)發(fā)大功率LED散熱器基覆銅箔印制電路層壓板，是在上述金屬基覆銅箔層壓板結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，將金屬基板與散熱器做成一體，將銅箔板、高導(dǎo)熱絕緣層、散熱器基板，通過(guò)高溫高壓的方式壓合在一起做成散熱器基覆銅板，然后再把散熱器基覆銅板加工成散熱器基印制板，真正實(shí)現(xiàn)了散熱器與銅箔印制電路板的無(wú)縫連接，大大降低了散熱阻抗（熱阻：≤0.25℃/W），提高了大功率LED器件的散熱效果，將是未來(lái)金屬基覆銅箔層壓板的替代材料。

2.1 散熱器基板

散熱器基板是將普通的金屬基覆銅板中的金屬基板與散熱器合二為一，金屬散熱器基板可以是鋁質(zhì)或銅質(zhì)材料，并可以做成各種散熱翅片形式，以顯著加大散熱器的表面積，而在節(jié)省散熱器用料的同時(shí)，進(jìn)一步提高其散熱效果。

本項(xiàng)目采用鋁質(zhì)散熱器基板，并直接選用鋁型材結(jié)構(gòu)，以降低成本。

2.2 絕緣導(dǎo)熱層

絕緣導(dǎo)熱層是大功率LED散熱器基覆銅箔印制電路層壓板最核心的結(jié)構(gòu)層，主要起到粘接，絕緣和導(dǎo)熱的功能。其材料既要有良好的絕緣性能，又要有良好的導(dǎo)熱性能，還要有較好的粘接性能。

絕緣層熱傳導(dǎo)性能越好，越有利于LED功率器件運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生熱量的擴(kuò)散，也就越有利于降低LED器件的運(yùn)行溫度，從而達(dá)到提高模塊的功率負(fù)荷，減小體積，延長(zhǎng)壽命，提高功率輸出等目的。

本項(xiàng)目采用自主研發(fā)的絕緣導(dǎo)熱層，在環(huán)氧樹(shù)脂中添加納米三氧化二鋁、納米氮化鋁高導(dǎo)熱材料混合成性能優(yōu)異的絕緣導(dǎo)熱膠膜，替代FR4預(yù)浸漬材料（半固化片）,將該機(jī)膠膜涂覆到表面經(jīng)處理的散熱器基板上，再將銅箔覆蓋到有機(jī)材料面，經(jīng)高溫高壓的方式壓合在一起做成散熱器基覆銅板，其絕緣電阻、擊穿電壓和耐熱沖擊能力等各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)均符合國(guó)家軍用產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)并超過(guò)了日本NRK同類產(chǎn)品指標(biāo)，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

2.3 絕緣層絕緣強(qiáng)度

金屬基覆銅箔板絕緣層厚度與其導(dǎo)熱性成反比關(guān)系，要使板的絕緣強(qiáng)度高，一般應(yīng)加大絕緣層厚度，但加大絕緣層厚度，又會(huì)降低散熱效果。目前，世界鋁基覆銅板絕緣層主流厚度規(guī)格已由100μm、125μm轉(zhuǎn)變?yōu)?5μm。為達(dá)到鋁基覆銅板的高導(dǎo)熱率，絕緣層薄型化已成為一種發(fā)展趨勢(shì)。

2010年6月日本尼關(guān)工業(yè)株式會(huì)社推出了兩種用于鋁基覆銅板的極薄絕緣粘接層膜。其中一種產(chǎn)品熱導(dǎo)率達(dá)到3W／m·K。膜厚僅為5μm，代表著鋁基覆銅板用極薄絕緣層的尖端水平。

本項(xiàng)目自主研發(fā)的納米三氧化二鋁、納米氮化鋁與環(huán)氧樹(shù)脂混合的有機(jī)膠膜僅為25μm，不僅絕緣性能好，導(dǎo)熱性能與粘接性能都相當(dāng)優(yōu)異，為本項(xiàng)目的核心技術(shù)。

2.4 散熱器基板表面處理

散熱器基板在壓合成形前要做表面預(yù)處理，即表面的粗化處理。散熱器基板表面處理的水平及質(zhì)量不僅對(duì)提高散熱器基板與絕緣導(dǎo)熱膠膜的粘結(jié)強(qiáng)度起到關(guān)鍵的作用，而且對(duì)散熱器基板外觀、抗蝕性、表面硬度、耐磨性、散熱器基板的平整度及耐高溫氧化的穩(wěn)定性等都有很大的影響。

金屬板材的表面處理方式有：噴砂、磨刷、拉絲、陽(yáng)極氧化、微蝕、黑化或棕化等。

本項(xiàng)目采用陽(yáng)極氧化處理法，其工藝路線為：散熱器基板裝料→脫脂→清洗→堿蝕→清洗兩次→中和出光→普通水洗→去離子水洗→陽(yáng)極氧化→普通水洗→去離子水洗→封孔處理→干燥。

3 項(xiàng)目的特色和創(chuàng)新之處

3.1 將普通的金屬基板換成散熱器形成散熱器基板，真正實(shí)現(xiàn)了散熱器與銅箔印制電路板的無(wú)縫連接，大大降低了散熱阻抗（熱阻：≤0.25℃/W），是普通鋁基覆銅箔層壓板（熱阻：≥2℃/W）散熱能力的8倍。

3.2 自主開(kāi)發(fā)高導(dǎo)熱絕緣介質(zhì)材料，在環(huán)氧樹(shù)脂中添加納米三氧化二鋁、納米氮化鋁高導(dǎo)熱材料混合成性能優(yōu)異的有機(jī)膠膜，在不降低鋁基覆銅箔層壓板的機(jī)械、電氣性能、化學(xué)性能和環(huán)境性能的情況下，將散熱阻抗降低到0.25℃/W以下。

3.3 用鋁型材直接作為散熱器基板，大大降低了散熱器基板加工制造成本。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本項(xiàng)目實(shí)施，可使大功率LED散熱器基覆銅箔印制電路層壓板的熱阻降低到0.25℃/W以下，其絕緣電阻、擊穿電壓和耐熱沖擊能力等各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)均符合國(guó)家軍用產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)并超過(guò)了日本NRK同類產(chǎn)品指標(biāo)，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

該產(chǎn)品的成功研發(fā)，將為L(zhǎng)ED照明大規(guī)模、寬領(lǐng)域推廣應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化將帶動(dòng)LED應(yīng)用上的飛躍，促進(jìn)我國(guó)LED研發(fā)向高端技術(shù)發(fā)展，有力提升LED行業(yè)及企業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

同時(shí)對(duì)振興民族工業(yè)，提升我國(guó)新能源行業(yè)整體技術(shù)水平起到了巨大的推動(dòng)作用，也將為江蘇成為L(zhǎng)ED產(chǎn)業(yè)大省提供了重要的技術(shù)支撐，項(xiàng)目的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益顯著。