大功率LED散熱器基覆銅箔印制電路層壓板的研制開發

施朝陽袁 鋒

（1.常州市產品質量監督檢驗所 江蘇 常州 213164；2.常州輕工職業技術學院 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)、絕緣介質層(環氧樹脂,陶瓷粉等)和銅箔(電解銅箔、壓延銅箔等)三位一體復合制成的印制電路板(PCB)用特殊基板材料。

1963年美國Ves Ierm Electrico公司首創了鐵基夾芯印制板及基板材料，并在繼電器上得到應用。美國貝格斯公司(Bergquist)在上世紀60年代初成為了世界最早制作鋁基覆銅板的企業。1969年日本三洋公司開始自主開發了鋁基覆銅板，1974年應用于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技術發展迅速，從發光效率到單顆LED的光通量，都有大幅度的提升，由于LED體積小、耗電低、響應快、抗震性好，使其從指示、顯示領域，開始進入路燈、照明、汽車燈具和家電等領域。但在大功率LED電路應用中，需要用集成的方式來實現，造成電路產生高溫，需加裝散熱器以散發電路工作產生的熱量，確保整個電路可靠工作。目前，LED散熱技術的成熟度是影響其產業化應用的關鍵技術之一。

目前，國內外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材料，使得整個線路板成為一個巨大的散熱器，這樣既加快了電路工作產生的熱量的散發，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，鋁具有比重小、導熱性高、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，一問世就贏得了廣泛的市場需求。

1 鋁基覆銅箔層壓板的工作原理

金屬基覆銅箔層壓板結構一般是由金屬基層(鋁、銅等金屬薄板)、絕緣導熱層(環氧樹脂,陶瓷粉等)和銅箔(電解銅箔、壓延銅箔等)組成。目前，應用最廣的是鋁基覆銅箔層壓板，其結構如圖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功率器件運行時所產生的熱量通過絕緣層快速傳導到金屬（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，從而實現對LED功率器件的散熱，與傳統的FR-4覆銅板相比，鋁基覆銅箔層壓板能夠將熱阻降至最低，鋁基覆銅箔層壓板具有極好的熱傳導性能；與陶瓷基板相比，它具有良好的機械性能。

2 散熱器基覆銅箔印制電路層壓板結構

本項目研制開發大功率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構基礎上，將金屬基板與散熱器做成一體，將銅箔板、高導熱絕緣層、散熱器基板，通過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，真正實現了散熱器與銅箔印制電路板的無縫連接，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或銅質材料，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，而在節省散熱器用料的同時，進一步提高其散熱效果。

本項目采用鋁質散熱器基板，并直接選用鋁型材結構，以降低成本。

2.2 絕緣導熱層

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

絕緣層熱傳導性能越好，越有利于LED功率器件運行時所產生熱量的擴散，也就越有利于降低LED器件的運行溫度，從而達到提高模塊的功率負荷，減小體積，延長壽命，提高功率輸出等目的。

本項目采用自主研發的絕緣導熱層，在環氧樹脂中添加納米三氧化二鋁、納米氮化鋁高導熱材料混合成性能優異的絕緣導熱膠膜，替代FR4預浸漬材料（半固化片）,將該機膠膜涂覆到表面經處理的散熱器基板上，再將銅箔覆蓋到有機材料面，經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關鍵技術指標均符合國家軍用產品標準并超過了日本NRK同類產品指標，達到國際先進水平。

2.3 絕緣層絕緣強度

金屬基覆銅箔板絕緣層厚度與其導熱性成反比關系，要使板的絕緣強度高，一般應加大絕緣層厚度，但加大絕緣層厚度，又會降低散熱效果。目前，世界鋁基覆銅板絕緣層主流厚度規格已由100μm、125μm轉變為75μm。為達到鋁基覆銅板的高導熱率，絕緣層薄型化已成為一種發展趨勢。

2010年6月日本尼關工業株式會社推出了兩種用于鋁基覆銅板的極薄絕緣粘接層膜。其中一種產品熱導率達到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。

本項目自主研發的納米三氧化二鋁、納米氮化鋁與環氧樹脂混合的有機膠膜僅為25μm，不僅絕緣性能好，導熱性能與粘接性能都相當優異，為本項目的核心技術。

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處理，即表面的粗化處理。散熱器基板表面處理的水平及質量不僅對提高散熱器基板與絕緣導熱膠膜的粘結強度起到關鍵的作用，而且對散熱器基板外觀、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、陽極氧化、微蝕、黑化或棕化等。

本項目采用陽極氧化處理法，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→陽極氧化→普通水洗→去離子水洗→封孔處理→干燥。

3 項目的特色和創新之處

3.1 將普通的金屬基板換成散熱器形成散熱器基板，真正實現了散熱器與銅箔印制電路板的無縫連接，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 自主開發高導熱絕緣介質材料，在環氧樹脂中添加納米三氧化二鋁、納米氮化鋁高導熱材料混合成性能優異的有機膠膜，在不降低鋁基覆銅箔層壓板的機械、電氣性能、化學性能和環境性能的情況下，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 結束語

通過本項目實施，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關鍵技術指標均符合國家軍用產品標準并超過了日本NRK同類產品指標，達到國際先進水平。

該產品的成功研發，將為LED照明大規模、寬領域推廣應用奠定了技術基礎，產品的產業化將帶動LED應用上的飛躍，促進我國LED研發向高端技術發展，有力提升LED行業及企業國際競爭力。

同時對振興民族工業，提升我國新能源行業整體技術水平起到了巨大的推動作用，也將為江蘇成為LED產業大省提供了重要的技術支撐，項目的社會、經濟效益顯著。