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

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作者：孙健发表时间：2011-09-1816:10:52关键词：铝基板;绝缘;性能;国内;加工热量是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）。图1铝基板结构示意图铝基板工作原理：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：1、符合RoHs要求；2、更适应于SMT工艺；3、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；4、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；5、将功率电路和控制电路最优化组合；6、取代易碎的陶瓷基板，获得更好的机械耐久力。■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。图4铝基板与FR-4的铜箔电流承载能力的比较图5铝基板与传统装配方式应用比较■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TheBergquist，日本NRK，DENKA，NITTODENKO，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BergquistT-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1、热传导性能方面的差距目前国际上技术领先的铝基板绝缘层都是由高导热、高绝缘的陶瓷粉末填充而成的聚合物（主要是环氧树脂）所构成，这样的绝缘层具有良好的热传导性能（导热系数高达2.2/m-K），很高的绝缘强度，良好的粘接性能。同时，应市场需求，Bergquist开发出比竞争对手更白的绝缘层，其它性能同样出众，提高了高功率LED白色阻焊的反光率，成为占据大功率LED市场的新利器。图7是添加了陶瓷粉末的铝基板绝缘层的金相分析图片。事实上，用高倍的放大镜或者显微镜我们就能看到绝缘层是否添加了陶瓷粉末。图7添加了陶瓷粉末的铝基板金相分析图目前国内的众多铝基板生产厂家，因自身的人才、技术、设备、材料和资金等各方面因素的制约，无力进行铝基板系统和持续的研究和改进。与国外同行之间的技术和实力的差距有扩大的趋势，令人担忧。国产铝基板绝缘层基本上都使用了商品化的FR-4半固化片(1080)（导热系数仅为0.3/m-K），该绝缘层之中没有添加任何的导热填料，因此，这种铝基板的热传导性能较差，不具备高强度的电气绝缘性能。国内目前在铝基板所用导热填料的选型，导热填料的预处理，导热填料和改性环氧树脂的配方研究，以及如何保证导热填料均匀的分布于绝缘层之中，目前尚没有进入实质性研究阶段。铝基板绝缘层如果没有添加合适的导热填料，而环氧树脂的热传导性又很差，显而易见整个铝基板的热传导能力就非常有限了。图8是一组热阻测试对比图，是按照BergquistTO-220测试方法测试了几家公司的铝基板热阻。从中可以看出，各公司之间的热阻差距极大。其中，Bergquist各个系列的铝基板性能都非常出众；A公司、B公司和C公司均为日本企业，其导热性能总体来说很优秀。D公司和E公司是国内企业，均使用了FR-4半固化片。我们国内铝基板的导热性能指标基本就是这样的一个水平。可以看出，这与国际先进水平的差距还是相当大的。2、电绝缘性能方面的差距目前，Bergquist铝基板的绝缘层厚度一般是75μm，100μm，125μm和150μm。其它几家日本公司的铝基板绝缘层厚度也与此相近。其中75μm是主流产品。国内的铝基板，绝缘强度都有限，在同等厚度条件下，只能达到国外产品的1/3～1/4击穿强度。我们曾经听到一个客户的陈诉（从事电力电子器件），他们以前的铝基板供应商（FR-4绝缘层），将绝缘层加厚到200μm，仍然不能满足3KV（AC）绝缘强度的要求，其实，这样的厚度，即使绝缘强度满足了要求，其热阻大到什么程度就可想而知了。¨TheBergquistMP系列铝基板（75μm绝缘层）击穿电压可达8.5KV(AC)；日本NRK的NRA-8铝基板（80μm绝缘层）击穿电压也可达到6.7KV(AC)。¨TheBergquistHT系列铝基板（150μm绝缘层）击穿电压可达11KV(AC)；日本NRK的NRA-8铝基板（160μm绝缘层）击穿电压也可达到9.2KV(AC)；北京瑞凯的IMS-H01(150μm绝缘层)击穿电压可达到8KV(AC).他们的绝缘强度如此之高，除了绝缘胶配方合理以外，说明他们的整个工作环境洁净度很高。国内目前的铝基板生产商，经营规模小，资金实力有限，设备自动化程度低，生产环境都不是很理想，生产过程很易导致尘埃等其它杂质混入绝缘层之中，甚至出现绝缘层破损或受到创伤，从而大大了铝基板的绝缘强度。3、机械性能方面的差距国外高档次的铝基板，绝缘层、铜箔和金属基层这三者之间的热膨胀系数（CTE）的匹配性好，很好解决了焊接过程中温度循环导致的金属基线路板（MCPCB）的翘曲问题，以及可能由此所导致的焊缝开裂等隐患。特别是如何解决厚铜箔（4oz以上）铝基板的翘曲问题，我们与国外厂商的差距更加明显。据一个DC/DC电源客户反映，他们在使用Bergquist铝基板（铜箔4oz，绝缘层75μm，铝板1.57mm）加工PCB过程中，刚刚做完热风整平工艺（HASL），MCPCB翘曲较大，但降至常温以后，MCPCB的翘曲就恢复到工艺设计值。而国内的铝基板，因HASL工艺导致的翘曲不可逆。4、其它性能的差距经过我们多次测试，Bergquist能够将铝基板绝缘层的厚度公差控制在±2μm，这就保证了铝基板厚度和导热能力的均一性。说明他们的涂胶设备的精准度很高。同时也说明他们的绝缘胶流动性很小，但又能保证粘接和其它性能的完美，说明他们的配方的研究很深入。国内铝基板绝缘层的厚度，相差±10％都是一个正常的指标，这必然导致铝基板热阻、绝缘强度存在较大的起伏。从而对器件的质量性能参数产生较大的影响。在一些领域，因为使用条件苛刻，国产铝基板难以胜任。特别是长时间在高温条件下（140℃），能够保证铝基板的机械性能、电绝缘性能和其它相关性能仍然能够满足器件的需求，是衡量铝基板质量稳定性的一个重要指标。Bergquist的LTI和MP