CN100496188C - 铝基印刷电路板及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及以大功率半导体发光二极管(LED)作为照明光源时使用到的铝基印刷电路板及其制作方法。该铝基印刷电路板底层采用金属铝基板、中间层是导热绝缘层、表面层是导电层，其特点是导热绝缘层为10～400微米厚的、绝缘电阻≥100MΩ的陶瓷状薄膜层，其化学成分是铝的氧化物。制作时先用机械或者化学方法对于金属铝基板的基材表面进行预处理，去油、水洗，形成清洁平整的工件平面，然后采用微弧氧化或者微等离子体表面陶瓷化的方法，在工件表面加工制作导热绝缘层，最后在导热绝缘层的外面覆盖导电层，进而蚀刻制作导电线路，即可获得适宜大功率LED照明光源等功率型电子线路和装置使用的铝基印刷电路板。

Description

铝基印刷电路板及其制作方法

技术领域

本发明涉及印刷电路板，尤其涉及以大功率半导体发光二极管(LED)作为照明光源时使用到的铝基印刷电路板，以及这种铝基印刷电路板的制作方法，属于电子与照明技术领域。

背景技术

大功率半导体发光二极管(LED)照明光源主要应用以金属铝材料为基材的印刷电路板，近年来，随着LED科学研究的不断发展和芯片工艺生产水平的不断提升，大功率LED封装技术日臻成熟，发光效率得以大大提高，其应用领域不断拓展。但是，LED发光将电能转变为光能的过程中，由于有电阻和非辐射复合，LED会产生一些热。如果这些热量不能充分散发出去，LED内部温度上升，将导致LED发光效率下降；如果LED内部温度上升过高，还可能使LED失效，难以保证LED预期的使用寿命。所以作为光源，散热依然是LED正常工作的巨大障碍。

在大功率半导体发光二极管照明光源的设计和产品研究与开发方面，首当其冲的是选用金属铝基的印刷电路板作为LED的载体，铝基板一方面起固定作用，另一方面起散热作用，LED正常工作时产生的热量首先通过铝基印刷电路板导出。对于运用传统工艺加工制造的金属铝基印刷电路板，在上层导电层与底层铝基板之间承担电气绝缘的导热绝缘层，其热传导率比较低，如：树脂的导热率一般为0.3w/mk，而玻璃纤维的导热率也不足1w/mk，其中最典型的见之于用美国贝格斯导热绝缘层压制的铝基覆铜板，其导热系数也只是在1.1～2.2W/mk之间。这样的金属铝基印刷电路板不能有效发挥大功率半导体发光二极管用作照明光源的优越性能，极有必要加以改进。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，从改变导热绝缘层的构造入手，提供一种结构简洁、易于加工、散热效果良好的以铝合金为基材的印刷电路板(第一个目的)，以及这种铝基印刷电路板的制作方法(第二个目的)。

本发明的第一个目的通过以下技术方案来实现：

铝基印刷电路板，包括底层、中间层和表面层，底层采用金属铝基板，中间层是导热绝缘层，表面层是导电层，上面分布有导电电路，其特征在于：所述导热绝缘层是陶瓷状薄膜层，其化学成分是铝的氧化物三氧化二铝。

进一步地，上述的铝基印刷电路板，其中，所述的陶瓷状薄膜层的厚度范围是10～400微米，其绝缘电阻≥100MΩ。

再进一步地，上述的铝基印刷电路板，其中，所述的导电层的导电材料是铜、金、银或钯，导电层的局部或整体还可以涂覆铟金合金或者金锡合金。

更进一步地，上述的铝基印刷电路板，其中，所述铝基印刷电路板是“单面板”或者“双面板”。

本发明的第二个目的通过以下技术方案来实现：

铝基印刷电路板的制作方法，包括以下步骤：①采用机械或者化学方法对于金属铝基板的基材表面进行预处理，去油、水洗，形成清洁平整的工件平面；②采用微弧氧化或者微等离子体表面陶瓷化的方法，在预处理后的工件表面加工制作导热绝缘层；③在导热绝缘层的外面进一步覆盖导电层，进而在导电层上面蚀刻制作导电线路。

进一步地，上述铝基印刷电路板的制作方法中，步骤②采用微弧氧化的方法进行，即用微弧氧化电源在工件上施加电压，使工件表面的金属与电解质溶液相互作用，在工件表面形成微弧放电，在高温及电场的作用下，铝金属表面形成强化陶瓷状氧化膜，然后对此氧化膜进行封闭处理，经烘干后制成铝基印刷电路板的导热绝缘层。

再进一步地，上述铝基印刷电路板的制作方法中，步骤③是先在导热绝缘层的外面全部覆盖导电层，然后再在导电层上面蚀刻制作导电线路；或者在导热绝缘层的外面局部涂覆防护膜，然后在不作保护的部位通过溅射或蒸镀的方法直接制作导电线路。

更进一步地，上述铝基印刷电路板的制作方法中，所述铝基印刷电路板是“双面板”，制作过程中对于金属铝基板的上下两个表面分别进行预处理，并进一步加工制作导热绝缘层、导电层和导电线路。

这样，本发明放弃传统方式所采用玻璃纤维布粘结片或者环氧树脂聚合物，采用新型结构和加工技术，开发出一种适合LED用作照明光源使用的铝基印刷电路板，其突出的实质性特点和显著进步体现在：

(1)铝板表面处理成氧化铝陶瓷状薄膜是一种新兴的技术，微弧氧化法工艺稳定可靠，加工设备简单，制造方便，主要的化学反应在常温下进行，易于控制，加工过程中使用的化学处理液是环保型，符合环保排放要求。

(2)防静电性能好。在氧化层厚度100μm时，表面绝缘电阻可达100MΩ，据有关资料显示，当材料的表面电阻在10KΩ～100GΩ之间时，称为静电耗散材料，故本发明能够有效扩散静电，防止静电击穿发光二极管。

(3)散热效果好。三氧化二铝陶瓷状薄膜的热阻较低，其导热率为40w/mk，远远高于一般的纤维和树脂，大功率半导体发光二极管照明光源应用这种铝基印刷电路板，具有有效的散热通道，可以轻松突破大功率LED发热问题对半导体照明光源设计的限制，将“温升”对大功率LED稳定性的影响降到最低程度。

(4)氧化铝薄膜耐热性及抗腐蚀性好，致密均匀，与金属铝基体结合牢固，能够有效地克服因电路层、绝缘导热层及金属基层之间不同的膨胀系数而引起的效应，能够承受钻孔、冲剪、切割等机械加工。

(5)具有优异的散热性能和电磁屏蔽性能，可以使大功率LED的产品向高密度、大功率方向发展。本发明由于具有优良的尺寸稳定性和机械加工性能，可用于制造较大面积的线路板并在它的上面放置较大的、重量较重的元件，可以直接用金属基板接地，在改善电子兼容性能方面具有较广阔的应用前景。

(6)可以制作多种材料的导电线路。根据功能需求，采取真空溅射或真空蒸镀工艺可以很方便地使用各种材料制作导电线路，通过在表面导电层的局部涂覆防护膜，即可在不作保护的部位可以直接制作导电线路。

附图说明

图1是铝基印刷电路板结构示意图(双面板)；

图2是铝基印刷电路板结构示意图(单面板)；

图3是本发明铝基印刷电路板的制作工艺流程图。

具体实施方式

众所周知，在电子行业里广泛应用各种印刷电路板。这些印刷电路板既有“单面板”也有“双面板”，它们用于电路设计时，通常采用表面贴装技术(SMT)，以提高电子元器件的安装密度，缩小产品体积，降低生产装配成本。

铝基印刷电路板是一种独特的金属基覆铜板，它具有良好的导热性能、电气绝缘性能和机械加工性能。铝基板可以取代易碎的陶瓷基板，获得更好的机械耐久力；而且，铝基板能够对热扩散进行极为有效的处理，从而降低产品运行温度，提高产品功率密度和可靠性，延长产品的使用寿命。所以，铝基板是印刷电路板的一个重要品种。

图1、图2分别是铝基印刷电路板“双面板”和“单面板”的结构示意图。从图1可以看出，铝基印刷电路板的基本结构分为三层：11和15是外部表面层，即导电层。导电层使用的导电材料为铜箔，厚度一般为18～140μm，如果电路层要求具有很大的载流能力，就需要使用较厚的铜箔。12和14是中间层，即导热绝缘层。绝缘技术是铝基印刷电路板的关键，绝缘介质一般采用高导热的环氧玻纤布粘结片或者特殊的高导热环氧树脂聚合物，导热绝缘层的厚度为80～100μm，技术性能上要求热阻小、粘结性能优良、具有抗热老化的能力，并且能够承受机械及热应力。13是底部基础层，即金属基层。金属基板使用铝板，要求基板具有很强的尺寸稳定性和机械加工性能，具有优良的散热性。与图1相对应，图2当中21是导电层、22是导热绝缘层、23是金属基层。

通常，金属铝基印刷电路板原料板材的制作和生产沿用以下的工艺方法进行：基材通常使用厚度为0.5～3毫米的金属铝或其它铝合金板材，大面积的基材表面运用机械和化学方法先进行预处理，形成光洁平整的平面，然后铺覆薄薄一层的环氧玻璃布，有的再涂复一层特殊的聚合物构成中间的导热绝缘层，在中间层的表面再覆盖铜箔，经过热压加工，使上下三层材料压合在一起，形成铝基敷铜板材。最后采用印刷线路板制作工艺加工出导电线路，再经过机械冲压加工和表面清洗处理，制成实用的金属线路板。

上述方法制作而成的铝基印刷电路板，其导热绝缘层的导热性能并不是十分理想，特别是用于封装大功率LED时，这种弊端显得尤为突出，对于更好地发挥大功率LED用作照明光源时的诸多优异性能已构成制约。

另一方面，在自然界里，铝是导电性能良好的金属元素，而铝的氧化物三氧化二铝则是性能优良的绝缘材料。三氧化二铝薄膜的厚度在100μm时，其表面绝缘电阻可达100MΩ以上；同时，三氧化二铝薄膜的导热率可达40w/mk，远远高于一般的纤维和树脂，而且薄膜质地致密均匀，耐热性及抗腐蚀性好。

因此，本发明提出一种以陶瓷状薄膜层作为导热绝缘层的铝基印刷电路板，这种陶瓷状薄膜层的化学成分是铝的氧化物，其主要成分即为三氧化二铝。

这种铝基印刷电路板的基本结构也分为三层，以图2“单面板”为例，21为外部表面层——导电层，它可以是全部覆盖的金属层，也可以是直接制作的导电线路；22为中间导热绝缘层，是铝基板表面氧化之后形成的三氧化二铝陶瓷状薄膜，厚度为10～400μm，其绝缘电阻≥100MΩ；23是底部的金属铝基板。

本发明铝基印刷电路板的制作方法，包括以下步骤：①采用机械或者化学方法对于金属铝基板的基材表面进行预处理，去油、水洗，形成清洁平整的工件平面；②在预处理后的工件表面加工制作导热绝缘层；③在导热绝缘层的外面进一步覆盖导电层，进而在导电层上面蚀刻制作导电线路。

导热绝缘层的制作是本发明的关键，可以采用微弧氧化或者微等离子体表面陶瓷化的方法，将铝板表面氧化成三氧化二铝陶瓷状薄膜，然后在此陶瓷薄膜上面进一步采取真空溅射或者真空蒸镀的工艺制作导电层。

微弧氧化或微等离子体表面陶瓷化技术，是指在普通阳极氧化的基础上，利用弧光放电增强并激活在阳极上发生的反应，从而在以铝、钛、镁金属及其合金为材料的工件表面形成优质的强化氧化陶瓷膜的一种加工方法。图3是采用微弧氧化技术加工的工艺流程图。制作加工时，铝金属基材通常使用厚度为0.5～3毫米的金属铝或其它铝合金板材，大面积的基材表面同样需要采用机械和化学方法进行预处理，经过去油和水洗，以形成清洁平整的平面。然后用微弧氧化电源在工件上施加电压，使工件表面的金属与电解质溶液相互作用，在工件表面形成微弧放电，在高温及电场的作用下，铝金属表面氧化形成强化陶瓷状氧化膜，再用纯水洗净，对此氧化膜进行封闭处理，烘干后形成铝基印刷电路板的导热绝缘层。

经过微弧氧化技术加工之后，铝基材表面陶瓷状氧化膜致密、均匀，颜色一致性好，厚度范围可以控制在10～400微米，硬度和相对耐磨性得到提高，抗氧化和耐腐蚀性能大大改善，且三氧化二铝的耐热度高于2000℃。陶瓷状氧化膜与基体铝材料的结合强度也令人十分满意。

导热绝缘层制作完毕，即可在其外层加工导电层，并布置导电线路。导电层和导电线路的制作方法可以采取先在导热绝缘层上制作全部覆盖的金属层，然后再在金属层上蚀刻制作导电线路；也可以采取在局部涂覆防护膜的前提下，在不作保护的部位通过溅射或蒸镀直接制作的导电线路。

其中，真空溅射是利用真空离子溅射，使物品沉积金属原子，加工中无需添加任何化学药剂；真空蒸镀是将金属蒸源加热使之自然附着在铝质基材的表面。导电层的厚度依靠多次加工累积或者通过电镀作进一步调整。

通常，导电层的导电线路采用金属铜来制作。但是，根据印刷电路板的应用需求，还可以使用或在铜层上辅助使用金、银、钯等金属来制作导电线路；在直接封装大功率LED的芯片贴片之处还可以专门蒸涂铟金、金锡或相似的合金，以形成适合芯片底面焊接的合金涂层。

当铝基印刷电路板是图1所示的“双面板”时，制作过程中对于金属铝基板13的上下两个表面均要进行预处理，并分别加工制作导热绝缘层12/14、导电层11/15，以及相应的导电线路。

需要说明的是，本发明提供的铝基印刷电路板主要应用于某些特定的功率型电子线路及装置，尤其适用于大功率半导体发光二极管照明光源，但是本发明的保护范围并不受此限制，凡是采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利要求范围之内。

Claims (7)

1.铝基印刷电路板，包括底层、中间层和表面层，底层采用金属铝基板，中间层是导热绝缘层，表面层是导电层，上面分布有导电电路，其特征在于：所述导热绝缘层是厚度范围为10～400微米、绝缘电阻≥100MΩ的陶瓷状薄膜层，其化学成份是铝的氧化物三氧化二铝。

2.根据权利要求1所述的铝基印刷电路板，其特征在于：所述的导电层的导电材料是铜、金、银或钯。

3.根据权利要求2所述的铝基印刷电路板，其特征在于：所述导电层的局部或整体还涂有铟金合金或者金锡合金。

4.根据权利要求1所述的铝基印刷电路板，其特征在于：所述铝基印刷电路板是“单面板”或者“双面板”。

5.权利要求1所述的铝基印刷电路板的制作方法，包括以下步骤：①采用机械或者化学方法对于金属铝基板的基材表面进行预处理，去油、水洗，形成清洁平整的工件平面；②用微弧氧化电源在工件上施加电压，使工件表面的金属与电解质溶液相互作用，在工件表面形成微弧放电，在高温及电场的作用下，铝金属表面形成强化陶瓷状氧化膜，然后对此氧化膜进行封闭处理，经烘干后制成铝基印刷电路板的导热绝缘层；③在导热绝缘层的外面进一步覆盖导电层，进而在导电层上面蚀刻制作导电线路。

6.根据权利要求5所述的铝基印刷电路板的制作方法，其特征在于：步骤③是先在导热绝缘层的外面全部覆盖导电层，然后再在导电层上面蚀刻制作导电线路；或者在导热绝缘层的外面局部涂覆防护膜，然后在不作保护的部位通过溅射或蒸镀的方法直接制作导电线路。

7.根据权利要求5所述的铝基印刷电路板的制作方法，其特征在于：所述铝基印刷电路板是“双面板”，制作过程中对于金属铝基板的上下两个表面分别进行预处理，并进一步加工制作导热绝缘层、导电层和导电线路。

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