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)

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

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

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

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

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。

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