專利名稱：鋁基印刷電路板及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及印刷電路板，尤其涉及以大功率半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)作為照明光源時(shí)使用到的鋁基印刷電路板，以及這種鋁基印刷電路板的制作方法，屬于電子與照明技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
大功率半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)照明光源主要應(yīng)用以金屬鋁材料為基材的印刷電路板，近年來(lái)，隨著LED科學(xué)研究的不斷發(fā)展和芯片工藝生產(chǎn)水平的不斷提升，大功率LED封裝技術(shù)日臻成熟，發(fā)光效率得以大大提高，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。但是，LED發(fā)光將電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽艿倪^(guò)程中，由于有電阻和非輻射復(fù)合，LED會(huì)產(chǎn)生一些熱。如果這些熱量不能充分散發(fā)出去，LED內(nèi)部溫度上升，將導(dǎo)致LED發(fā)光效率下降；如果LED內(nèi)部溫度上升過(guò)高，還可能使LED失效，難以保證LED預(yù)期的使用壽命。所以作為光源，散熱依然是LED正常工作的巨大障礙。
在大功率半導(dǎo)體發(fā)光二極管照明光源的設(shè)計(jì)和產(chǎn)品研究與開(kāi)發(fā)方面，首當(dāng)其沖的是選用金屬鋁基的印刷電路板作為L(zhǎng)ED的載體，鋁基板一方面起固定作用，另一方面起散熱作用，LED正常工作時(shí)產(chǎn)生的熱量首先通過(guò)鋁基印刷電路板導(dǎo)出。對(duì)于運(yùn)用傳統(tǒng)工藝加工制造的金屬鋁基印刷電路板，在上層導(dǎo)電層與底層鋁基板之間承擔(dān)電氣絕緣的導(dǎo)熱絕緣層，其熱傳導(dǎo)率比較低，如樹(shù)脂的導(dǎo)熱率一般為0.3w/mk，而玻璃纖維的導(dǎo)熱率也不足1w/mk，其中最典型的見(jiàn)之于用美國(guó)貝格斯導(dǎo)熱絕緣層壓制的鋁基覆銅板，其導(dǎo)熱系數(shù)也只是在1.1～2.2W/mk之間。這樣的金屬鋁基印刷電路板不能有效發(fā)揮大功率半導(dǎo)體發(fā)光二極管用作照明光源的優(yōu)越性能，極有必要加以改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，從改變導(dǎo)熱絕緣層的構(gòu)造入手，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、易于加工、散熱效果良好的以鋁合金為基材的印刷電路板(第一個(gè)目的)，以及這種鋁基印刷電路板的制作方法(第二個(gè)目的)。
本發(fā)明的第一個(gè)目的通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)鋁基印刷電路板，包括底層、中間層和表面層，底層采用金屬鋁基板，中間層是導(dǎo)熱絕緣層，表面層是導(dǎo)電層，上面分布有導(dǎo)電電路，其特征在于所述導(dǎo)熱絕緣層是陶瓷狀薄膜層，其化學(xué)成分是鋁的氧化物三氧化二鋁。
進(jìn)一步地，上述的鋁基印刷電路板，其中，所述的陶瓷狀薄膜層的厚度范圍是10～400微米，其絕緣電阻≥100MΩ。
再進(jìn)一步地，上述的鋁基印刷電路板，其中，所述的導(dǎo)電層的導(dǎo)電材料是銅、金、銀或鈀，導(dǎo)電層的局部或整體還可以涂覆銦金合金或者金錫合金。
更進(jìn)一步地，上述的鋁基印刷電路板，其中，所述鋁基印刷電路板是“單面板”或者“雙面板”。
本發(fā)明的第二個(gè)目的通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)鋁基印刷電路板的制作方法，包括以下步驟①采用機(jī)械或者化學(xué)方法對(duì)于金屬鋁基板的基材表面進(jìn)行預(yù)處理，去油、水洗，形成清潔平整的工件平面；②采用微弧氧化或者微等離子體表面陶瓷化的方法，在預(yù)處理后的工件表面加工制作導(dǎo)熱絕緣層；③在導(dǎo)熱絕緣層的外面進(jìn)一步覆蓋導(dǎo)電層，進(jìn)而在導(dǎo)電層上面蝕刻制作導(dǎo)電線路。
進(jìn)一步地，上述鋁基印刷電路板的制作方法中，步驟②采用微弧氧化的方法進(jìn)行，即用微弧氧化電源在工件上施加電壓，使工件表面的金屬與電解質(zhì)溶液相互作用，在工件表面形成微弧放電，在高溫及電場(chǎng)的作用下，鋁金屬表面形成強(qiáng)化陶瓷狀氧化膜，然后對(duì)此氧化膜進(jìn)行封閉處理，經(jīng)烘干后制成鋁基印刷電路板的導(dǎo)熱絕緣層。
再進(jìn)一步地，上述鋁基印刷電路板的制作方法中，步驟③是先在導(dǎo)熱絕緣層的外面全部覆蓋導(dǎo)電層，然后再在導(dǎo)電層上面蝕刻制作導(dǎo)電線路；或者在導(dǎo)熱絕緣層的外面局部涂覆防護(hù)膜，然后在不作保護(hù)的部位通過(guò)濺射或蒸鍍的方法直接制作導(dǎo)電線路。
更進(jìn)一步地，上述鋁基印刷電路板的制作方法中，所述鋁基印刷電路板是“雙面板”，制作過(guò)程中對(duì)于金屬鋁基板的上下兩個(gè)表面分別進(jìn)行預(yù)處理，并進(jìn)一步加工制作導(dǎo)熱絕緣層、導(dǎo)電層和導(dǎo)電線路。
這樣，本發(fā)明放棄傳統(tǒng)方式所采用玻璃纖維布粘結(jié)片或者環(huán)氧樹(shù)脂聚合物，采用新型結(jié)構(gòu)和加工技術(shù)，開(kāi)發(fā)出一種適合LED用作照明光源使用的鋁基印刷電路板，其突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步體現(xiàn)在(1)鋁板表面處理成氧化鋁陶瓷狀薄膜是一種新興的技術(shù)，微弧氧化法工藝穩(wěn)定可靠，加工設(shè)備簡(jiǎn)單，制造方便，主要的化學(xué)反應(yīng)在常溫下進(jìn)行，易于控制，加工過(guò)程中使用的化學(xué)處理液是環(huán)保型，符合環(huán)保排放要求。
(2)防靜電性能好。在氧化層厚度100μm時(shí)，表面絕緣電阻可達(dá)100MΩ，據(jù)有關(guān)資料顯示，當(dāng)材料的表面電阻在10KΩ～100GΩ之間時(shí)，稱為靜電耗散材料，故本發(fā)明能夠有效擴(kuò)散靜電，防止靜電擊穿發(fā)光二極管。
(3)散熱效果好。三氧化二鋁陶瓷狀薄膜的熱阻較低，其導(dǎo)熱率為40w/mk，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般的纖維和樹(shù)脂，大功率半導(dǎo)體發(fā)光二極管照明光源應(yīng)用這種鋁基印刷電路板，具有有效的散熱通道，可以輕松突破大功率LED發(fā)熱問(wèn)題對(duì)半導(dǎo)體照明光源設(shè)計(jì)的限制，將“溫升”對(duì)大功率LED穩(wěn)定性的影響降到最低程度。
(4)氧化鋁薄膜耐熱性及抗腐蝕性好，致密均勻，與金屬鋁基體結(jié)合牢固，能夠有效地克服因電路層、絕緣導(dǎo)熱層及金屬基層之間不同的膨脹系數(shù)而引起的效應(yīng)，能夠承受鉆孔、沖剪、切割等機(jī)械加工。
(5)具有優(yōu)異的散熱性能和電磁屏蔽性能，可以使大功率LED的產(chǎn)品向高密度、大功率方向發(fā)展。本發(fā)明由于具有優(yōu)良的尺寸穩(wěn)定性和機(jī)械加工性能，可用于制造較大面積的線路板并在它的上面放置較大的、重量較重的元件，可以直接用金屬基板接地，在改善電子兼容性能方面具有較廣闊的應(yīng)用前景。
(6)可以制作多種材料的導(dǎo)電線路。根據(jù)功能需求，采取真空濺射或真空蒸鍍工藝可以很方便地使用各種材料制作導(dǎo)電線路，通過(guò)在表面導(dǎo)電層的局部涂覆防護(hù)膜，即可在不作保護(hù)的部位可以直接制作導(dǎo)電線路。


圖1是鋁基印刷電路板結(jié)構(gòu)示意圖(雙面板)；圖2是鋁基印刷電路板結(jié)構(gòu)示意圖(單面板)；圖3是本發(fā)明鋁基印刷電路板的制作工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式
眾所周知，在電子行業(yè)里廣泛應(yīng)用各種印刷電路板。這些印刷電路板既有“單面板”也有“雙面板”，它們用于電路設(shè)計(jì)時(shí)，通常采用表面貼裝技術(shù)(SMT)，以提高電子元器件的安裝密度，縮小產(chǎn)品體積，降低生產(chǎn)裝配成本。
鋁基印刷電路板是一種獨(dú)特的金屬基覆銅板，它具有良好的導(dǎo)熱性能、電氣絕緣性能和機(jī)械加工性能。鋁基板可以取代易碎的陶瓷基板，獲得更好的機(jī)械耐久力；而且，鋁基板能夠?qū)釘U(kuò)散進(jìn)行極為有效的處理，從而降低產(chǎn)品運(yùn)行溫度，提高產(chǎn)品功率密度和可靠性，延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命。所以，鋁基板是印刷電路板的一個(gè)重要品種。
圖1、圖2分別是鋁基印刷電路板“雙面板”和“單面板”的結(jié)構(gòu)示意圖。從圖1可以看出，鋁基印刷電路板的基本結(jié)構(gòu)分為三層11和15是外部表面層，即導(dǎo)電層。導(dǎo)電層使用的導(dǎo)電材料為銅箔，厚度一般為18～140μm，如果電路層要求具有很大的載流能力，就需要使用較厚的銅箔。12和14是中間層，即導(dǎo)熱絕緣層。絕緣技術(shù)是鋁基印刷電路板的關(guān)鍵，絕緣介質(zhì)一般采用高導(dǎo)熱的環(huán)氧玻纖布粘結(jié)片或者特殊的高導(dǎo)熱環(huán)氧樹(shù)脂聚合物，導(dǎo)熱絕緣層的厚度為80～100μm，技術(shù)性能上要求熱阻小、粘結(jié)性能優(yōu)良、具有抗熱老化的能力，并且能夠承受機(jī)械及熱應(yīng)力。13是底部基礎(chǔ)層，即金屬基層。金屬基板使用鋁板，要求基板具有很強(qiáng)的尺寸穩(wěn)定性和機(jī)械加工性能，具有優(yōu)良的散熱性。與圖1相對(duì)應(yīng)，圖2當(dāng)中21是導(dǎo)電層、22是導(dǎo)熱絕緣層、23是金屬基層。
通常，金屬鋁基印刷電路板原料板材的制作和生產(chǎn)沿用以下的工藝方法進(jìn)行基材通常使用厚度為0.5～3毫米的金屬鋁或其它鋁合金板材，大面積的基材表面運(yùn)用機(jī)械和化學(xué)方法先進(jìn)行預(yù)處理，形成光潔平整的平面，然后鋪覆薄薄一層的環(huán)氧玻璃布，有的再涂復(fù)一層特殊的聚合物構(gòu)成中間的導(dǎo)熱絕緣層，在中間層的表面再覆蓋銅箔，經(jīng)過(guò)熱壓加工，使上下三層材料壓合在一起，形成鋁基敷銅板材。最后采用印刷線路板制作工藝加工出導(dǎo)電線路，再經(jīng)過(guò)機(jī)械沖壓加工和表面清洗處理，制成實(shí)用的金屬線路板。
上述方法制作而成的鋁基印刷電路板，其導(dǎo)熱絕緣層的導(dǎo)熱性能并不是十分理想，特別是用于封裝大功率LED時(shí)，這種弊端顯得尤為突出，對(duì)于更好地發(fā)揮大功率LED用作照明光源時(shí)的諸多優(yōu)異性能已構(gòu)成制約。
另一方面，在自然界里，鋁是導(dǎo)電性能良好的金屬元素，而鋁的氧化物三氧化二鋁則是性能優(yōu)良的絕緣材料。三氧化二鋁薄膜的厚度在100μm時(shí)，其表面絕緣電阻可達(dá)100MΩ以上；同時(shí)，三氧化二鋁薄膜的導(dǎo)熱率可達(dá)40w/mk，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般的纖維和樹(shù)脂，而且薄膜質(zhì)地致密均勻，耐熱性及抗腐蝕性好。
因此，本發(fā)明提出一種以陶瓷狀薄膜層作為導(dǎo)熱絕緣層的鋁基印刷電路板，這種陶瓷狀薄膜層的化學(xué)成分是鋁的氧化物，其主要成分即為三氧化二鋁。
這種鋁基印刷電路板的基本結(jié)構(gòu)也分為三層，以圖2“單面板”為例，21為外部表面層——導(dǎo)電層，它可以是全部覆蓋的金屬層，也可以是直接制作的導(dǎo)電線路；22為中間導(dǎo)熱絕緣層，是鋁基板表面氧化之后形成的三氧化二鋁陶瓷狀薄膜，厚度為10～400μm，其絕緣電阻≥100MΩ；23是底部的金屬鋁基板。
本發(fā)明鋁基印刷電路板的制作方法，包括以下步驟①采用機(jī)械或者化學(xué)方法對(duì)于金屬鋁基板的基材表面進(jìn)行預(yù)處理，去油、水洗，形成清潔平整的工件平面；②在預(yù)處理后的工件表面加工制作導(dǎo)熱絕緣層；③在導(dǎo)熱絕緣層的外面進(jìn)一步覆蓋導(dǎo)電層，進(jìn)而在導(dǎo)電層上面蝕刻制作導(dǎo)電線路。
導(dǎo)熱絕緣層的制作是本發(fā)明的關(guān)鍵，可以采用微弧氧化或者微等離子體表面陶瓷化的方法，將鋁板表面氧化成三氧化二鋁陶瓷狀薄膜，然后在此陶瓷薄膜上面進(jìn)一步采取真空濺射或者真空蒸鍍的工藝制作導(dǎo)電層。
微弧氧化或微等離子體表面陶瓷化技術(shù)，是指在普通陽(yáng)極氧化的基礎(chǔ)上，利用弧光放電增強(qiáng)并激活在陽(yáng)極上發(fā)生的反應(yīng)，從而在以鋁、鈦、鎂金屬及其合金為材料的工件表面形成優(yōu)質(zhì)的強(qiáng)化氧化陶瓷膜的一種加工方法。圖3是采用微弧氧化技術(shù)加工的工藝流程圖。制作加工時(shí)，鋁金屬基材通常使用厚度為0.5～3毫米的金屬鋁或其它鋁合金板材，大面積的基材表面同樣需要采用機(jī)械和化學(xué)方法進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)過(guò)去油和水洗，以形成清潔平整的平面。然后用微弧氧化電源在工件上施加電壓，使工件表面的金屬與電解質(zhì)溶液相互作用，在工件表面形成微弧放電，在高溫及電場(chǎng)的作用下，鋁金屬表面氧化形成強(qiáng)化陶瓷狀氧化膜，再用純水洗凈，對(duì)此氧化膜進(jìn)行封閉處理，烘干后形成鋁基印刷電路板的導(dǎo)熱絕緣層。
經(jīng)過(guò)微弧氧化技術(shù)加工之后，鋁基材表面陶瓷狀氧化膜致密、均勻，顏色一致性好，厚度范圍可以控制在10～400微米，硬度和相對(duì)耐磨性得到提高，抗氧化和耐腐蝕性能大大改善，且三氧化二鋁的耐熱度高于2000℃。陶瓷狀氧化膜與基體鋁材料的結(jié)合強(qiáng)度也令人十分滿意。
導(dǎo)熱絕緣層制作完畢，即可在其外層加工導(dǎo)電層，并布置導(dǎo)電線路。導(dǎo)電層和導(dǎo)電線路的制作方法可以采取先在導(dǎo)熱絕緣層上制作全部覆蓋的金屬層，然后再在金屬層上蝕刻制作導(dǎo)電線路；也可以采取在局部涂覆防護(hù)膜的前提下，在不作保護(hù)的部位通過(guò)濺射或蒸鍍直接制作的導(dǎo)電線路。
其中，真空濺射是利用真空離子濺射，使物品沉積金屬原子，加工中無(wú)需添加任何化學(xué)藥劑；真空蒸鍍是將金屬蒸源加熱使之自然附著在鋁質(zhì)基材的表面。導(dǎo)電層的厚度依靠多次加工累積或者通過(guò)電鍍作進(jìn)一步調(diào)整。
通常，導(dǎo)電層的導(dǎo)電線路采用金屬銅來(lái)制作。但是，根據(jù)印刷電路板的應(yīng)用需求，還可以使用或在銅層上輔助使用金、銀、鈀等金屬來(lái)制作導(dǎo)電線路；在直接封裝大功率LED的芯片貼片之處還可以專門蒸涂銦金、金錫或相似的合金，以形成適合芯片底面焊接的合金涂層。
當(dāng)鋁基印刷電路板是圖1所示的“雙面板”時(shí)，制作過(guò)程中對(duì)于金屬鋁基板13的上下兩個(gè)表面均要進(jìn)行預(yù)處理，并分別加工制作導(dǎo)熱絕緣層12/14、導(dǎo)電層11/15，以及相應(yīng)的導(dǎo)電線路。
需要說(shuō)明的是，本發(fā)明提供的鋁基印刷電路板主要應(yīng)用于某些特定的功率型電子線路及裝置，尤其適用于大功率半導(dǎo)體發(fā)光二極管照明光源，但是本發(fā)明的保護(hù)范圍并不受此限制，凡是采用等同變換或者等效替換而形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明權(quán)利要求范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.鋁基印刷電路板，包括底層、中間層和表面層，底層采用金屬鋁基板，中間層是導(dǎo)熱絕緣層，表面層是導(dǎo)電層，上面分布有導(dǎo)電電路，其特征在于所述導(dǎo)熱絕緣層是陶瓷狀薄膜層，其化學(xué)成分是鋁的氧化物三氧化二鋁。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁基印刷電路板，其特征在于所述的陶瓷狀薄膜層的厚度范圍是10～400微米，其絕緣電阻≥100MΩ。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁基印刷電路板，其特征在于所述的導(dǎo)電層的導(dǎo)電材料是銅、金、銀或鈀。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鋁基印刷電路板，其特征在于所述導(dǎo)電層的局部或整體還涂有銦金合金或者金錫合金。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁基印刷電路板，其特征在于所述鋁基印刷電路板是“單面板”或者“雙面板”。
6.權(quán)利要求1所述的鋁基印刷電路板的制作方法，包括以下步驟①采用機(jī)械或者化學(xué)方法對(duì)于金屬鋁基板的基材表面進(jìn)行預(yù)處理，去油、水洗，形成清潔平整的工件平面；②采用微弧氧化或者微等離子體表面陶瓷化的方法，在預(yù)處理后的工件表面加工制作導(dǎo)熱絕緣層；③在導(dǎo)熱絕緣層的外面進(jìn)一步覆蓋導(dǎo)電層，進(jìn)而在導(dǎo)電層上面蝕刻制作導(dǎo)電線路。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的鋁基印刷電路板的制作方法，其特征在于步驟②采用微弧氧化的方法進(jìn)行，即用微弧氧化電源在工件上施加電壓，使工件表面的金屬與電解質(zhì)溶液相互作用，在工件表面形成微弧放電，在高溫及電場(chǎng)的作用下，鋁金屬表面形成強(qiáng)化陶瓷狀氧化膜，然后對(duì)此氧化膜進(jìn)行封閉處理，經(jīng)烘干后制成鋁基印刷電路板的導(dǎo)熱絕緣層。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的鋁基印刷電路板的制作方法，其特征在于步驟③是先在導(dǎo)熱絕緣層的外面全部覆蓋導(dǎo)電層，然后再在導(dǎo)電層上面蝕刻制作導(dǎo)電線路；或者在導(dǎo)熱絕緣層的外面局部涂覆防護(hù)膜，然后在不作保護(hù)的部位通過(guò)濺射或蒸鍍的方法直接制作導(dǎo)電線路。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的鋁基印刷電路板的制作方法，其特征在于所述鋁基印刷電路板是“雙面板”，制作過(guò)程中對(duì)于金屬鋁基板的上下兩個(gè)表面分別進(jìn)行預(yù)處理，并進(jìn)一步加工制作導(dǎo)熱絕緣層、導(dǎo)電層和導(dǎo)電線路。
全文摘要
本發(fā)明涉及以大功率半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)作為照明光源時(shí)使用到的鋁基印刷電路板及其制作方法。該鋁基印刷電路板底層采用金屬鋁基板、中間層是導(dǎo)熱絕緣層、表面層是導(dǎo)電層，其特點(diǎn)是導(dǎo)熱絕緣層為10～400微米厚的、絕緣電阻≥100MΩ的陶瓷狀薄膜層，其化學(xué)成分是鋁的氧化物。制作時(shí)先用機(jī)械或者化學(xué)方法對(duì)于金屬鋁基板的基材表面進(jìn)行預(yù)處理，去油、水洗，形成清潔平整的工件平面，然后采用微弧氧化或者微等離子體表面陶瓷化的方法，在工件表面加工制作導(dǎo)熱絕緣層，最后在導(dǎo)熱絕緣層的外面覆蓋導(dǎo)電層，進(jìn)而蝕刻制作導(dǎo)電線路，即可獲得適宜大功率LED照明光源等功率型電子線路和裝置使用的鋁基印刷電路板。
文檔編號(hào)H05K3/02GK101076224SQ200610040329
公開(kāi)日2007年11月21日 申請(qǐng)日期2006年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月16日
發(fā)明者王勁, 梁秉文, 劉乃濤, 高澤山 申請(qǐng)人:南京漢德森科技股份有限公司