国内铝基板发展的现状与国际先进水平的差距分析以及对未来发展的展望

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国内铝基板发展的现状与国际先进水平的差距分析　

以及对未来发展的展望　

北京瑞凯电子有限公司总经理 孙健先生　

美国贝格斯公司（Ｔｈｅ　Ｂｅｒｇｑｕｉｓｔ　Ｃｏｍｐａｎｙ）Ｔ－Ｃｌａｄ　产品经理：Ｍｒ．　Ｓｔｅｖｅ　Ｔａｙｌｏｒ　

美国贝格斯公司上海办事处首席代表：程卫军先生　

热量是ＬＥＤ和其它硅类半导体的大敌。随着电子工业的飞速发展，电子产品的体积越来越小，功率密度越来越大，如何寻求散热及结构设计的最佳方法，就成为当今电子工业设计的一个巨大的挑战。铝基板无疑是解决散热问题的有效手段之一。　一、铝基板性能特征介绍　

铝基板是一种具有良好散热功能的金属基覆铜板，它由独特的三层结构所组成，分别是电路层（铜箔）、绝缘层和金属基层（请见下图１）。　

铝基板工作原理：功率器件表面贴装在电路层，器件运行时所产生的热量通过绝缘层快速传导到金属基层，然后由金属基层将热量传递出去，从而实现对器件的散热（请见图２）　

与传统的ＦＲ－４相比，铝基板能够将热阻降至最低，使铝基板具有极好的热传导性能；与厚膜

陶瓷电路相比，它的机械性能又极为优良。此外，铝基板还有如下独特的优势：　

图1 铝基板结构示意图

Ø符合ＲｏＨｓ要求；　

Ø更适应于ＳＭＴ工艺；　

Ø在电路设计方案中对热扩散进行极为有效的处理，从而降低模块运行温度，延长使用寿命，提高功率密度和可靠性；　

Ø减少散热器和其它硬件（包括热界面材料）的装配，缩小产品体积，降低硬件及装配成本；　

Ø将功率电路和控制电路最优化组合；　

Ø取代易碎的陶瓷基板，获得更好的机械耐久力。　

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■ 线路层

线路层（一般采用电解铜箔）经过蚀刻形成印制电路，用于实现器件的装配和连接。与传统的ＦＲ－４相比，采用相同的厚度，相同的线宽，铝基板能够承载更高的电流。　

■ 绝缘层

绝缘层是铝基板最核心的技术，主要起到粘接，绝缘和导热的功能。铝基板绝缘层是功率模块结构中最大的导热屏障。绝缘层热传导性能越好，越有利于器件运行时所产生热量的扩散，也就越有利于降低器件的运行温度，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。　

图５

是一个典型的电机控制器模块，其中右侧图示采用传统工艺（ＦＲ－４），使用了大量的散

图5 铝基板与传统装配方式应用比较

图4 铝基板与FR-4的铜箔电流承载能力的比较

热器、热界面材料和其它配件，模块体积庞大，结构复杂，装配成本较高；而左侧因为采用了高导热性能的铝基板，得到了一个高度自动化的表贴产品，整个产品的部件从１３０个减少到１８个，功率负荷增加了３０％，模块体积大大缩小。此类高功率密度的模块，只有高导热性能的铝基板方可胜任。　

■金属基层

绝缘金属基板采用何种金属，需要取决于金属基板的热膨胀系数，热传导能力，强度，硬度，重量，表面状态和成本等条件的综合考虑。　

一般情况下，从成本和技术性能等条件来考虑，铝板是比较理想的选择。可供选择的铝板有６０６１，５０５２，１０６０等。如果有更高的热传导性能、机械性能、电性能和其它特殊性能的要求，铜板、不锈钢板、铁板和硅钢板等亦可采用。　

二、国内外铝基板的现状以及所存在的差距　

国内从２０世纪８０年代末期由国营第７０４厂开始率先研制铝基板，很快有商品化产品面世。当时主要应用于ＳＴＫ系列功率放大混合集成电路，摩托车以及汽车电子等领域，为相关产业的发展作出了贡献。经过将近２０年的发展，我国铝基板的发展步入了快速发展的轨道。据有关数据统计，目前国内从事铝基板生产企业大约接近２０家。　

近两年来，大功率ＬＥＤ照明顺应了节能环保的潮流，获得高速发展，为铝基板的快速增长注入了强大的推动力，一时之间，全国各地掀起了铝基板的风潮。在此，着重分析一下ＬＥＤ所用铝基板的状况。　

事实上，ＬＥＤ在市场上已经应用很长时间了，其应用领域主要集中在掌上电脑（ＰＤＡ），手提电话，以及其他消费类电子市场。这些产品的寿命相对较短，ＬＥＤ的寿命不是主要问题，因为在ＬＥＤ寿命到期之前，这些产品就已经报废或过时了。随着近年来ＬＥＤ设计和工艺技术的不断进步，推动ＬＥＤ的亮度不断提高，以便与白炽灯，荧光灯，甚至卤素灯展开竞争。　

像大多数电子器件一样，热量也是ＬＥＤ的最大的威胁。尽管多数人认为ＬＥＤ不发热，其实相对于它的体积来说，ＬＥＤ产生的热量是很大的。热量不仅影响ＬＥＤ的亮度，也改变了光的颜色，最终会导致ＬＥＤ失效，因此，为了防止ＬＥＤ热量的累积正变得越来越重要。保持ＬＥＤ长时间的持续高亮度的关键是采用最先进的热量管理材料，采用高导热性能的铝基板就是其中的要素之一。　

在一个典型的ＬＥＤ结构中（见图２），ＬＥＤ产生的热量通过绝缘层传导到金属基板，再经过热界面材料传导到散热器，这样就能将ＬＥＤ所产生的绝大部分热量通过对流的方式扩散到周围的空气中。然而大多数的铝基板绝缘层具有很小的热传导性甚至没有导热性，这样就使得热量不能从ＬＥＤ传导到散热片（金属基板），无法实现整个散热通道畅通。这样，ＬＥＤ的热累积很快就会导致ＬＥＤ失效。而具有高导热性绝缘层的铝基板，就很好解决了这个问题。从而确保ＬＥＤ最低的运行温度，最亮的亮度，以及最长的使用寿命。因此，选择具有高导热性能的铝基板对ＬＥＤ来说至关重要。　

为了更加直观的说明铝基板绝缘层导热性能的优劣对ＬＥＤ光通量的影响，请看图６的一组试验，其测试对比条件是：同样１Ｗ的ＬＥＤ，使用不同的导热性能的铝基板，让ＬＥＤ维持在５０°Ｃ运行，三种不同导热性能的铝基板所带来的ＬＥＤ光通量对比。通俗一点的说法就是，热传导能力差的铝基板，ＬＥＤ的输入的电流大小受限制，电流太大，ＬＥＤ的发热量无法及时散发出去，温度很

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快就会超过５０°Ｃ，因此就只有降低电流，这样ＬＥＤ的光通量就急剧减小，无法达到额定的输入电流。而导热性能越好的铝基板，因为热的扩散性好，即使输入更大的电流，温度仍然可以维持在５０°Ｃ，这样ＬＥＤ的光通量自然就提高了。　

面对ＬＥＤ快速发展这个难得的机遇，我们必须清醒的看到，　ＬＥＤ的发展目前在国内比较混乱，相关的标准、法律、法规等尚未健全。国内铝基板目前在ＬＥＤ行业的应用还仅仅限于低端领域。因为所用铝基板的热传导性不佳导致大功率ＬＥＤ设计寿命大大缩短，光通量达不到要求，已经是不争的事实。同时，铝基板作为ＬＥＤ行业的一个新材料，部分ＬＥＤ客户群体对此材料所知有限，由此引发的照明工程、照明器具等质量纠纷和投诉与日俱增。目前，国家有关部门已经开始加紧制定ＬＥＤ照明相关标准，国内铝基板行业依靠低价格获取市场的时代即将结束了。如果不尽快提高铝基板的热传导性能，那么将会面临失去市场的风险。　

国外目前主要以美国Ｔｈｅ　Ｂｅｒｇｑｕｉｓｔ，日本ＮＲＫ，ＤＥＮＫＡ，ＮＩＴＴＯ　ＤＥＮＫＯ，住友电工等企业代表了当今铝基板的先进水平，特别是Ｂｅｒｇｑｕｉｓｔ，作为热管理领域的世界领导厂商，集３０多年的解决热管理方面的经验，凭借雄厚的研发实力，先进的技术和设备，高品质的系列化产品，引领了当今铝基板的世界发展潮流。　

北京瑞凯电子有限公司自从１９９９年起，就与Ｂｅｒｇｑｕｉｓｔ进行了全面的战略性合作，共同推出了几款综合性能具有国际先进水平，非常适合大功率ＬＥＤ应用，而价格又极具竞争力的铝基板ＬＥＤ－０６０２，满足了国内中高端客户的需求。同时，为了服务于高端客户，同时代理销售Ｂｅｒｇｑｕｉｓｔ　Ｔ－Ｃｌａｄ®　ＬＴＩ，ＨＴ，ＭＰ三大系列铝基板产品。通过与Ｂｅｒｇｑｕｉｓｔ　九年来的密切合作，深刻了解了目前国内铝基板与国外先进水平之间的巨大差距，现简述如下：　■ 技术方面的差距

u 绝缘层：FR-4 u 未添加导热填料

u 绝缘层导热系数：

0.3W/m-K

u 绝缘层：T-Clad ® 3mil ×LTI u 绝缘层：添加导热填料 u 绝缘层导热系数：

2.2W/m-K

u 绝缘层：T-Clad ® 3mil ×MP u 绝缘层：添加导热填料

u 绝缘层导热系数：1.3W/m-K

图6 不同导热性能的铝基板对LED 光通量的影响