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金屬基印制板 ——高導(dǎo)熱化印制板

發(fā)布日期:2023-08-03

摘 要文章概述了金屬基印制板的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用領(lǐng)域。在PCB電路和金屬基之間必須設(shè)置導(dǎo)熱絕緣層,而導(dǎo)熱絕緣層的導(dǎo)熱系數(shù)和厚度將決定著金屬基導(dǎo)熱性能高低。大多數(shù)的金屬基印制板的導(dǎo)熱系數(shù)處在(1.0-6.0)W/m.K之間,大多數(shù)是以單面鋁基印制板的結(jié)構(gòu)而應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,特殊應(yīng)用場合采用殷鋼基或銅基印制板。

關(guān)鍵詞 金屬基印制板;鋁基覆銅箔板;導(dǎo)熱系數(shù);發(fā)光二極管

由于印制電路板(PCB)快速走向高密度化、信號(hào)傳輸高頻高速化和高功率化,這些因素驅(qū)使著更大的導(dǎo)電損耗和介質(zhì)損耗等[1]、[2],使PCB介質(zhì)層和導(dǎo)體急劇發(fā)熱而升溫,傳統(tǒng)的PCB的工作溫升從70 ℃左右提高到110 ℃左右,甚至可超過130 ℃。大量試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,電子元器件在最佳工作溫度后溫升2 ℃,其可靠性便下降10%,溫升50 ℃的使用壽命只有溫升25 ℃的1/6[3],威脅著PCB和元器件等的可靠性和使用壽命。這是由于傳統(tǒng)PCB介質(zhì)層的導(dǎo)熱性能(導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.24 W/m?K左右)和散發(fā)熱量性能很差,導(dǎo)致PCB介質(zhì)層溫升急劇增加的結(jié)果。

為了解決PCB介質(zhì)層的高熱課題,如何把PCB內(nèi)的高熱快速地傳導(dǎo)或發(fā)散出來,避免引起PCB內(nèi)溫升和可靠性問題,這是目前和今后需要解決PCB內(nèi)高熱或溫升課題!從目前來看,可以采用下述四種有效措施來達(dá)到目標(biāo):(1)導(dǎo)熱性有機(jī)介質(zhì)印制板;(2)金屬芯印制板;(3)金屬基印制板;(4)高導(dǎo)熱無機(jī)介質(zhì)印制板。采用這些方法可到達(dá)不同程度降低PCB溫升的問題。本文集中評述金屬基印制板的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。

1 金屬基印制板的基本特性

金屬基印制板是指PCB的一面是用“連接層”與金屬的一面相連接的,而“連接層”是絕緣并導(dǎo)熱的薄膜層。是把PCB內(nèi)部的熱量通過連接的絕緣層而傳遞到金屬層導(dǎo)熱/散發(fā)出去,降低PCB介質(zhì)層的溫度。

作為金屬基用的金屬板材種類和特點(diǎn)是:導(dǎo)電性能、導(dǎo)熱性能和尺寸穩(wěn)定性等很好;作為金屬基使用時(shí),與PCB關(guān)聯(lián)最大的是它的導(dǎo)熱性能、其次是熱膨脹系數(shù)。由于PCB介質(zhì)層的導(dǎo)熱性能差,在PCB遇到高熱化和熱應(yīng)力的挑戰(zhàn)時(shí),必須把PCB內(nèi)部的熱量傳遞出去,保持PCB內(nèi)部的溫度≤80 ℃,確保PCB和元器件能夠正常工作。

金屬基印制板所用的金屬主要有鋁、銅、鋼、因瓦(Invar)等,目前使用最多的是各種鋁合金(從1000系列到9000系列),各種金屬的導(dǎo)熱性能和膨脹系數(shù)表1 。

表1 金屬的導(dǎo)熱系數(shù)和膨脹系數(shù)

表1 金屬的導(dǎo)熱系數(shù)和膨脹系數(shù)

注:表1中的鋁是指合金鋁,純鋁太軟不便使用和加工,而1000系列到9000系列的鋁合金由于含有其它不同金屬(錳、鋅等)和含量而得到不同性能(如導(dǎo)熱系數(shù)、韌性、耐腐蝕等差異)的產(chǎn)品。

金屬基印制板的導(dǎo)熱系數(shù)大多在(1.0~6.0)W/m?K之間,鋁基印制板的導(dǎo)熱系數(shù)為(1.0~3.0)W/m?K之間,而銅基印制板的導(dǎo)熱系數(shù)為(4.0~6.0)W/m?K之間,但是銅的比重、是金屬鋁4倍多,形成的PCB產(chǎn)品太重、加工較困難(銅的韌性大)、成本也較高,所以在大多數(shù)情況下選用鋁基板。同時(shí),由于金屬是導(dǎo)電體,金屬與印制板介質(zhì)的界面之間需要一層絕緣介質(zhì) ,大多采用環(huán)氧樹脂層,其導(dǎo)熱系數(shù)低(0.15 W/m?K),厚度不能太薄(80~100 μm),正是這層絕緣介質(zhì)的導(dǎo)熱性能和厚度決定著金屬基印制板的導(dǎo)熱性能。

在各種性能上分析:從導(dǎo)熱性看,鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)比銅約低一倍,但鋁比鋼、因瓦等卻高出近15倍~70倍之多;從比重來說,由于銅的密度很大,不利于輕量化,而鋁(含鋁合金 )的密度比銅低三倍以上,比鋼、因瓦等也低兩倍多; 從價(jià)格等上看,鋁比銅和因瓦等低;從加工性看,鋁比銅的加工性更好。因此,從導(dǎo)熱、輕量化和成本等全面權(quán)衡結(jié)果,除特殊要求外,一般都采用鋁基印制板。

2 金屬基印制板的結(jié)構(gòu)

金屬基印制板是由“金屬板+導(dǎo)熱性絕緣層+印制板”而組成的。金屬基印制板可分為:(1)金屬基單面板,即金屬基的一面只有一層的印制板,大多是由單面覆銅箔的金屬基材直接加工而成;(2)金屬基雙層板,即金屬基的一面連接著雙層板;(3)金屬基多層板,即金屬基的一面連接著多層板。

2.1 單面覆銅箔鋁基材

單面覆銅箔鋁基板是由“鋁合金板+導(dǎo)熱性絕緣層+銅箔”制成的。如圖1所示。

2.1.1 鋁合金板材

作為PCB基材不用純金屬鋁材,是因?yàn)榧冧X的硬度低,尺寸穩(wěn)定性差,機(jī)加工困難,大多采用鋁合金基材。

(1)鋁合金材料。

鋁合金是指其組成中除了大量鋁以外,還含有數(shù)量不等的Cu、Si、Mg、Zn、Mn、Ni、Fe、Ti、Cr、Li等少量金屬。由于加入這些微量金屬的組成不同將改變鋁合金的性能(如硬度、導(dǎo)熱率、耐腐蝕、耐磨等等),從而形成了1000系列、2000系列一直到9000系列的不同特性,供用戶選擇。

(2)鋁合金的表面處理。

用于覆銅箔鋁基材的鋁合金的表面必須經(jīng)過處理,主要是形成極薄的氧化層,提高導(dǎo)熱絕緣層結(jié)合力,另一方面保護(hù)鋁化的表面和美觀。

大多數(shù)鋁合金表面處理是形成鋁陽極氧化膜,它是把鋁合金為陽極置入電解質(zhì)溶液中,利用電解作用使鋁合金表面形成氧化鋁薄膜的過程。陰極在電解液中是穩(wěn)定的材料,如Pb、不銹鋼等。鋁合金陽極氧化的實(shí)質(zhì)是水電解的原理:在電解電流通過時(shí),陰極會(huì)釋放出氫氣(H2),在陽極將析出氧氣(O2)、原子態(tài)氧([O])和離子態(tài)氧(O3-2),這就是說有一部分的氧氣(O2)析出,另一部分的原子態(tài)氧(O)、離子態(tài)(O3-2)使陽極上的鋁合金表面發(fā)生氧化作用,并形成無(不含)水的氧化鋁膜。

一般來說,鋁合金陽極氧化是在酸性(如硫酸或草酸等)、不同組成和電解參數(shù)條件下進(jìn)行的,因此得到的膜厚度(5 μm~150 μm)、顏色(透明、黃色、灰色、黑色等)、性能(普通膜、硬質(zhì)膜、光亮修飾膜等)是不同的,可根據(jù)需要和愛好進(jìn)行選用。

圖1 單面覆銅箔鋁基材

圖1 單面覆銅箔鋁基材

2.1.2 導(dǎo)熱性絕緣層

導(dǎo)熱絕緣介質(zhì)層是最關(guān)鍵的,對它最主要的要求是:首先是高導(dǎo)熱的,在提高導(dǎo)熱性能的同時(shí)要使其厚度盡量薄些,才能更好的導(dǎo)熱;其次是好的絕緣性能,因此要求有保障的厚度,在滿足絕緣性能下,一般厚度在80 μm~100 μm之間,太厚影響導(dǎo)熱率,太薄影響絕緣性能。導(dǎo)熱性能要求的厚度和絕緣要求的厚度是矛盾的,大多采用折中辦法,即在保證絕緣性能安全的基礎(chǔ)上的最小厚度。

鋁基印制板內(nèi)部的熱量主要是通過導(dǎo)熱絕緣層傳導(dǎo)到鋁基而散發(fā)出去,把PCB內(nèi)介質(zhì)層的溫度降下來。這個(gè)絕緣層大多是采用導(dǎo)熱性好(加入導(dǎo)熱性陶瓷粉末)的環(huán)氧樹脂材料,由于絕緣層組成和厚度不同,其導(dǎo)熱系數(shù)一般在(1.0~6.0)W/m?K之間(注:鋁基的黑氧化層是鋁通過黑氧化處理而得到的,當(dāng)然也可以進(jìn)行其它鋁氧化方法得到其它的顏色,其目的是保護(hù)鋁的表面和美觀化)。 導(dǎo)熱性絕緣層大多是采用環(huán)氧樹脂,因?yàn)榄h(huán)氧樹脂中含有兩個(gè)活潑的環(huán)氧基團(tuán),可與多種固化劑進(jìn)行固化,在一定厚度下可獲得不同程度的絕緣性能 。

目前有報(bào)道提出通過改變高分子聚合物的結(jié)構(gòu),使其晶格“有序化”或“液晶化”,大大提高有機(jī)絕緣材料的導(dǎo)熱系數(shù),達(dá)到(1.0~13.0)W/m?K之間。盡管目前還是試驗(yàn)產(chǎn)品,但無疑十分值得期待!

2.1.3 銅箔

在PCB行業(yè)中的CCL是采用電解銅箔,Cu含量在95%以上,目前的銅厚度大多在18 μm以上(如18 μm、35 μm、70 μm等),還有薄銅箔(8 μm、12 μm)和甚薄銅箔(3 μm~5 μm)。銅箔除了厚度外,其類型也很多,若按性能分有:標(biāo)準(zhǔn)銅箔、高溫高延伸性銅箔、高延展性銅箔、耐轉(zhuǎn)移銅箔、低輪廓銅箔和超低輪廓銅箔,需根據(jù)金屬基印制板的性能要求進(jìn)行選用。

2.1.4 鋁基層壓板基材

把處理好的鋁基板、高導(dǎo)熱絕緣層材料和銅箔按序疊好進(jìn)行高溫(溫度應(yīng)大于絕緣樹脂的Tg溫度50 ℃以上)下真空層壓,然后進(jìn)行裁剪形成“在制板”。

2.2 金屬基印制板

金屬基印制板可分為金屬基單面板、金屬基雙面板和金屬基多層板,其特點(diǎn)是僅靠金屬一邊(面)的導(dǎo)熱絕緣層和金屬板來導(dǎo)(散)熱。從其效果看,金屬基單面板還不錯(cuò),而金屬基雙面板較差,并且隨著金屬基多層板的“層數(shù)”增加,其導(dǎo)熱效果會(huì)越來越差和越來越不均勻,所以金屬基印制板絕大多數(shù)是采用金屬基單面板結(jié)構(gòu),可以想像,金屬基多層板的導(dǎo)熱性能比金屬芯印制板要差得多!

2.2.1 金屬基單面板

這是指金屬基的一面只有一層印制板的結(jié)構(gòu),大多是由單面覆銅箔的金屬基材直接加工而成的。當(dāng)然也可以用處理好的金屬基、導(dǎo)熱絕緣層和銅箔經(jīng)過熱壓形成單面覆銅箔的金屬基材,然后再加工而成。鋁基單面板的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 鋁基單面板

圖2 鋁基單面板

2.2.2 金屬基雙面板

這是指金屬基的一面有兩層印制板的結(jié)構(gòu),其制造方法:(1)直接采用單面覆銅箔鋁基材上形成鋁基單面板,然后用積層技術(shù)(RCC)或加半固化片和銅箔進(jìn)行高溫真空層壓,再進(jìn)行印制板工藝加工形成;(2)采用先形成雙面板,然后與表面處理(鋁氧化)的鋁基板和導(dǎo)熱的絕緣樹脂層層壓在一起,最后加工形成金屬基雙面印制板。

2.2.3 金屬基多層板

這是指金屬基的一邊具有多層的印制板,如圖3所示。

圖3 鋁基四層印制板

圖3 鋁基四層印制板

鋁基四層印制板的制造方法:(1)在單面覆銅箔的鋁基材上,采用積層技術(shù)(RCC,涂樹脂銅箔)來形成的[4][5];(2)采用先形成四層的“埋/盲孔”板,然后與表面處理(鋁氧化)的鋁和導(dǎo)熱的絕緣樹脂層層壓在一起,最后加工形成的四層金屬板。

實(shí)際上多層的金屬基印制板,其導(dǎo)熱是通過導(dǎo)熱性差的PCB內(nèi)部多層介質(zhì)的傳熱到底部的金屬鋁上,再把熱量散發(fā)出去,是個(gè)“少、慢、差”的過程,試驗(yàn)表明其導(dǎo)熱是不佳。同時(shí),“多層板”與金屬基之間的連接是采用“導(dǎo)熱的絕緣膠”(在環(huán)氧樹脂中加入導(dǎo)熱陶瓷粉料改善導(dǎo)熱性),其導(dǎo)熱系數(shù)很小,正如前面所述這種導(dǎo)熱絕緣層與鋁基板的導(dǎo)熱“加權(quán)和”才(1.0~3.0)W/m?K之間,所以多層PCB的導(dǎo)熱不采用金屬基結(jié)構(gòu)。

在目前情況下,大多是采用單面覆銅箔的金屬基材加工成單面金屬基印制板,很少用兩層以上的金屬基印制板。實(shí)際上兩層以上的金屬基印制板還不如采用“金屬芯”的印制板,其導(dǎo)熱性能更好。同時(shí),金屬芯的印制板的金屬是埋置在介質(zhì)層內(nèi),其加工過程也簡單許多。因此,金屬基印制板絕大多數(shù)是金屬基單面板為主體,主要應(yīng)用于照明用的發(fā)光二極管和的大功率元器件的場合。

3 金屬基印制板的應(yīng)用

鋁基覆銅板最早是1969年日本三洋國策發(fā)明,1974年應(yīng)用于STK(Sim Tool Kit,用戶識(shí)別應(yīng)用發(fā)展工具)系列的功率放大混合集成電路。上世紀(jì)八十年代后期我國也開始研制生產(chǎn),主要應(yīng)用于軍事、國防和電子(主要是汽車電子)、電力等領(lǐng)域。

3.1 金屬基單面板為主體的原因

金屬基印制板的導(dǎo)熱效果主要是由“高導(dǎo)絕緣層”的導(dǎo)熱系數(shù)來決定的,而不是由金屬基的導(dǎo)熱系數(shù)來決定的。大家知道,金屬鋁、銅的導(dǎo)熱系數(shù)很高,分別為(380~410)W/m?K和(200~240)W/m?K,但是它們所形成的單面金屬基印制板的導(dǎo)熱系數(shù)只能在(1.0~6.0)W/m?K之間,實(shí)際上大部分是在(1.0~3.0)W/m?K之間,并不是分別由印制板、導(dǎo)熱絕緣層和金屬板的導(dǎo)熱系數(shù)簡單“加權(quán)和”的結(jié)果,而主要是導(dǎo)熱絕緣的導(dǎo)熱系數(shù)和厚度來決定的。因此提高導(dǎo)熱絕緣層的導(dǎo)熱系數(shù)和減小導(dǎo)熱絕緣層厚度是提高金屬基印制板導(dǎo)熱性能的主要途徑。

目前大多數(shù)的導(dǎo)熱絕緣層是由環(huán)氧樹脂、導(dǎo)熱填料和添加劑(分散劑、固化劑、偶聯(lián)劑等)來組成的。由于環(huán)氧樹脂的導(dǎo)熱系數(shù)很小(0.19 W/m?K左右),而添加的導(dǎo)熱粉料(陶瓷粉料、如氧化鋁等)加入量有限,因此提高整體導(dǎo)熱絕緣層的導(dǎo)熱系數(shù)也是有限的。至于減小導(dǎo)熱絕緣層厚度,盡管金屬基印制板的導(dǎo)熱系數(shù)是與導(dǎo)熱絕緣層厚度成反比的關(guān)系,但是為了保證導(dǎo)熱絕緣層的絕緣性能,導(dǎo)熱絕緣層的厚度不能太薄,一般要控制在(80~100)μm范圍,否則會(huì)被電壓擊穿的危險(xiǎn)的方法,因此由減小導(dǎo)熱絕緣層厚度而提高導(dǎo)熱絕緣層的導(dǎo)熱性也受到了限制。要想獲得高導(dǎo)熱性金屬基印制板,只能采用單面金屬基印制板,采用兩層或多層的金屬基印制板的導(dǎo)熱性能是不理想的,或印制板內(nèi)介質(zhì)層的熱分布是不均勻的,會(huì)帶來性能變壞(如內(nèi)部熱應(yīng)力不均勻或翹曲等)。這就是為什么金屬基印制板大多數(shù)是屬于單面金屬基印制板,并廣泛應(yīng)用于照明LED(發(fā)光二極管)上的原因。至于兩層或多層的導(dǎo)熱印制板最好是采用金屬芯導(dǎo)熱印制板,不僅其導(dǎo)熱性能好且均勻,同時(shí)制造加工容易得多!

3.2 金屬基印制板的應(yīng)用領(lǐng)域

目前,具有環(huán)保和省電的白光LED已成為照明市場的主流,或?qū)⒊蔀?1世紀(jì)最具潛力的照明光源,從而使單面金屬(鋁)基板得到廣泛應(yīng)用。因?yàn)長ED的發(fā)光效率(功率轉(zhuǎn)變?yōu)楣獾姆至浚?5%~25%之間,其中75%~85%轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃浚藭r(shí)LED的結(jié)溫(Tj,即半導(dǎo)體LED中的P-N結(jié)點(diǎn)的溫度)就會(huì)升高,其發(fā)光效率下降、使用壽命縮短,所以必須控制結(jié)溫(Tj)溫度(一般要≤95 ℃)并穩(wěn)定。如以一個(gè)10W的LED燈為例,在正常條件下,按20%的發(fā)光效率計(jì)算,則有2W轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?,?W轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽瑴囟壬呤欠浅?焖俚?,這就需要盡快把熱量傳導(dǎo)出去。否則必然導(dǎo)致發(fā)光效率下降、壽命縮短。如表2所示。

表2 10 WLED的結(jié)溫(Tj)與發(fā)光效率、壽命的關(guān)系

表2 10 WLED的結(jié)溫(Tj)與發(fā)光效率、壽命的關(guān)系

注:設(shè)計(jì)結(jié)溫(Tj)不能設(shè)計(jì)的最大的結(jié)溫(Tjmax=95 ℃),一般Tjmax≤80 ℃,所以大多數(shù)照明用的LED的功率≤10 W,因此大多數(shù)采用鋁基印制板。

對于大功率照明(如汽車)的LED和大功率領(lǐng)域的應(yīng)用,應(yīng)該采用更高導(dǎo)熱系數(shù)的印制板,如覆銅箔陶瓷基板來形成高導(dǎo)熱的印制板。由于陶瓷介質(zhì)是高的導(dǎo)熱體和好的絕緣體,所形成的印制板的銅導(dǎo)體是直接貼連在陶瓷表面上而快速地把熱量傳導(dǎo)出去,保證印制板具有較低的工作溫度,因此采用高導(dǎo)熱絕緣介質(zhì)層的印制板(如陶瓷印制板)將是發(fā)展的方向。

參考文獻(xiàn)

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