大功率LED散热器基覆铜箔印制电路层压板的研制开发

施朝阳袁 锋

（1.常州市产品质量监督检验所 江苏 常州 213164；2.常州轻工职业技术学院 江苏 常州 213164）

0 前言

金属基覆铜箔层压板(Metal Base Copper Clad Laminates)是由金属层(铝、铜等金属薄板)、绝缘介质层(环氧树脂,陶瓷粉等)和铜箔(电解铜箔、压延铜箔等)三位一体复合制成的印制电路板(PCB)用特殊基板材料。

1963年美国Ves Ierm Electrico公司首创了铁基夹芯印制板及基板材料，并在继电器上得到应用。美国贝格斯公司(Bergquist)在上世纪60年代初成为了世界最早制作铝基覆铜板的企业。1969年日本三洋公司开始自主开发了铝基覆铜板，1974年应用于STK系列功率放大混合集成电路上。随后，日本的住友金属、松下电工等公司也推出了商品化的金属基覆铜板。

近几年LED技术发展迅速，从发光效率到单颗LED的光通量，都有大幅度的提升，由于LED体积小、耗电低、响应快、抗震性好，使其从指示、显示领域，开始进入路灯、照明、汽车灯具和家电等领域。但在大功率LED电路应用中，需要用集成的方式来实现，造成电路产生高温，需加装散热器以散发电路工作产生的热量，确保整个电路可靠工作。目前，LED散热技术的成熟度是影响其产业化应用的关键技术之一。

目前，国内外LED功率器散热及电子线路板散热普遍采用铝基覆铜箔层压板作为线路板基材，由于用铝板替代了普通的印制线路板中的非金属增强材料，使得整个线路板成为一个巨大的散热器，这样既加快了电路工作产生的热量的散发，又免去了在电路中加装散热器，减小了印制电路组装板的安装空间。同时，铝具有比重小、导热性高、良好的延展性等特性，因此，铝基覆铜箔层压板的研制成功是印制线路板发展的一次重大革命，成为大功率电源板（模块）、LED光电板（模块）的抢手材料，一问世就赢得了广泛的市场需求。

1 铝基覆铜箔层压板的工作原理

金属基覆铜箔层压板结构一般是由金属基层(铝、铜等金属薄板)、绝缘导热层(环氧树脂,陶瓷粉等)和铜箔(电解铜箔、压延铜箔等)组成。目前，应用最广的是铝基覆铜箔层压板，其结构如图1所示。

图1 铝基覆铜箔层压板

图2 LED功率器件使用铝基板的散热模拟图

铝基覆铜箔层压板的工作原理：LED功率器件表面贴装在印制电路层，如图2所示，LED功率器件运行时所产生的热量通过绝缘层快速传导到金属（铝）基层，然后由金属（铝）基层将热量传递给散热器将热量散出去，从而实现对LED功率器件的散热，与传统的FR-4覆铜板相比，铝基覆铜箔层压板能够将热阻降至最低，铝基覆铜箔层压板具有极好的热传导性能；与陶瓷基板相比，它具有良好的机械性能。

2 散热器基覆铜箔印制电路层压板结构

本项目研制开发大功率LED散热器基覆铜箔印制电路层压板，是在上述金属基覆铜箔层压板结构基础上，将金属基板与散热器做成一体，将铜箔板、高导热绝缘层、散热器基板，通过高温高压的方式压合在一起做成散热器基覆铜板，然后再把散热器基覆铜板加工成散热器基印制板，真正实现了散热器与铜箔印制电路板的无缝连接，大大降低了散热阻抗（热阻：≤0.25℃/W），提高了大功率LED器件的散热效果，将是未来金属基覆铜箔层压板的替代材料。

2.1 散热器基板

散热器基板是将普通的金属基覆铜板中的金属基板与散热器合二为一，金属散热器基板可以是铝质或铜质材料，并可以做成各种散热翅片形式，以显著加大散热器的表面积，而在节省散热器用料的同时，进一步提高其散热效果。

本项目采用铝质散热器基板，并直接选用铝型材结构，以降低成本。

2.2 绝缘导热层

绝缘导热层是大功率LED散热器基覆铜箔印制电路层压板最核心的结构层，主要起到粘接，绝缘和导热的功能。其材料既要有良好的绝缘性能，又要有良好的导热性能，还要有较好的粘接性能。

绝缘层热传导性能越好，越有利于LED功率器件运行时所产生热量的扩散，也就越有利于降低LED器件的运行温度，从而达到提高模块的功率负荷，减小体积，延长寿命，提高功率输出等目的。

本项目采用自主研发的绝缘导热层，在环氧树脂中添加纳米三氧化二铝、纳米氮化铝高导热材料混合成性能优异的绝缘导热胶膜，替代FR4预浸渍材料（半固化片）,将该机胶膜涂覆到表面经处理的散热器基板上，再将铜箔覆盖到有机材料面，经高温高压的方式压合在一起做成散热器基覆铜板，其绝缘电阻、击穿电压和耐热冲击能力等各项关键技术指标均符合国家军用产品标准并超过了日本NRK同类产品指标，达到国际先进水平。

2.3 绝缘层绝缘强度

金属基覆铜箔板绝缘层厚度与其导热性成反比关系，要使板的绝缘强度高，一般应加大绝缘层厚度，但加大绝缘层厚度，又会降低散热效果。目前，世界铝基覆铜板绝缘层主流厚度规格已由100μm、125μm转变为75μm。为达到铝基覆铜板的高导热率，绝缘层薄型化已成为一种发展趋势。

2010年6月日本尼关工业株式会社推出了两种用于铝基覆铜板的极薄绝缘粘接层膜。其中一种产品热导率达到3W／m·K。膜厚仅为5μm，代表着铝基覆铜板用极薄绝缘层的尖端水平。

本项目自主研发的纳米三氧化二铝、纳米氮化铝与环氧树脂混合的有机胶膜仅为25μm，不仅绝缘性能好，导热性能与粘接性能都相当优异，为本项目的核心技术。

2.4 散热器基板表面处理

散热器基板在压合成形前要做表面预处理，即表面的粗化处理。散热器基板表面处理的水平及质量不仅对提高散热器基板与绝缘导热胶膜的粘结强度起到关键的作用，而且对散热器基板外观、抗蚀性、表面硬度、耐磨性、散热器基板的平整度及耐高温氧化的稳定性等都有很大的影响。

金属板材的表面处理方式有：喷砂、磨刷、拉丝、阳极氧化、微蚀、黑化或棕化等。

本项目采用阳极氧化处理法，其工艺路线为：散热器基板装料→脱脂→清洗→碱蚀→清洗两次→中和出光→普通水洗→去离子水洗→阳极氧化→普通水洗→去离子水洗→封孔处理→干燥。

3 项目的特色和创新之处

3.1 将普通的金属基板换成散热器形成散热器基板，真正实现了散热器与铜箔印制电路板的无缝连接，大大降低了散热阻抗（热阻：≤0.25℃/W），是普通铝基覆铜箔层压板（热阻：≥2℃/W）散热能力的8倍。

3.2 自主开发高导热绝缘介质材料，在环氧树脂中添加纳米三氧化二铝、纳米氮化铝高导热材料混合成性能优异的有机胶膜，在不降低铝基覆铜箔层压板的机械、电气性能、化学性能和环境性能的情况下，将散热阻抗降低到0.25℃/W以下。

3.3 用铝型材直接作为散热器基板，大大降低了散热器基板加工制造成本。

4 结束语

通过本项目实施，可使大功率LED散热器基覆铜箔印制电路层压板的热阻降低到0.25℃/W以下，其绝缘电阻、击穿电压和耐热冲击能力等各项关键技术指标均符合国家军用产品标准并超过了日本NRK同类产品指标，达到国际先进水平。

该产品的成功研发，将为LED照明大规模、宽领域推广应用奠定了技术基础，产品的产业化将带动LED应用上的飞跃，促进我国LED研发向高端技术发展，有力提升LED行业及企业国际竞争力。

同时对振兴民族工业，提升我国新能源行业整体技术水平起到了巨大的推动作用，也将为江苏成为LED产业大省提供了重要的技术支撑，项目的社会、经济效益显著。