精品金属基板板材料.docx

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精品金属基板板材料

金属基板板材料

金属基板的定义、结构与品种分类

金属基板的定义

由金属层（铝、铝合金、铜、铁、钼、矽钢等金属薄板）、绝缘介质层（改性环氧树脂、PI树脂、PPO树脂等）和铜箔（电解铜箔、压延铜箔等）三位一体复合制成的金属基覆铜板（MetalBaseCopperCladeLaminates），并在金属基覆铜板上制作印制电路的一种特殊印制电路板，它被称为金属基印制电路板，简称为金属基板（MCPCB）。

各种金属基板实例见图。

金属基板实例图·

确切的按照构造讲，仅在金属板表面形成绝缘层，并在其上的导电层形

成电路图形（即单面电路图形）的，称为金属基印制电路板（简称为金属基板）。

而在金属板表面和背面全部形成绝缘层，并在两面绝缘层上的导电层都形成电路图形（即双面电路图形）的，称为金属芯印制电路板（简称为金属芯基板）。

近年来在金属基板的基础上，又派生出不少种类的复合基板。

如树脂-陶瓷复合基板；树脂-多孔陶瓷复合基板；树脂-硅复合基板、金属基-包覆绝

缘层复合基板等。

基板的生产与应用的发展

金属基板以其优异的散热性能、机械加工性能、电磁屏蔽性能、尺寸稳定性能、磁力性能及多功能性能，在混合集成电路、汽车、摩托车、办公自剪化、大功率电器设备、电源设备等领域，得到了越来越多的应用，特别是在LED封装产品中作为底基板得到广泛的应用。

所示了金属基板在LED中充当封装基板的应用情况。

金属基板作为LED的封装基板的应用与安装结构图

尽管金属基板在LED封装广泛只有很短历史，由于它的散热性、加工性等好于一般的陶瓷基板，它已经目前一般LED封装用的主流基板。

并在LED封装方面的应用量，已超过其它上述的应用领域需求量。

可以讲，LED产业的形成和发展造就了金属基板行业的壮大发展。

金属基板的品种分类

（1）从金属基板的结构上划分，常见的有三种，即金属基板、包覆型

金属基板和金属芯基板（见图），其中金属基板是最常见，用量最多的

一种。

金属基板是以金属板（铝、铜、铁、钼等）为基材，在其基板上覆有绝缘介质层和导电层（铜箔）。

包覆型金属基板是在金属板的六面包覆一层釉料，经烧结而成一体的底基.在此上经丝网漏引、烧结、制成导体电路图形。

金属芯基板一般由铜和铝作芯材，在其表面涂覆一层有机高分子绝缘介质层，或将其复合在半固化片上或PET薄膜之中，覆上导体箔（有的用加成法直接形成导电图形）。

从金属基板的结构划分的常见三个品种的结构金属基板、包覆型金属基板和金属芯基板在应用特性上的对比见表所归纳。

电路形成

耐电压

最高使用温度

特性

主要用途

导体

形成法

金属基板

Cu

蚀刻

环氧树脂：

3kVPI树脂：

6kV200℃

无磁性·轻·与印制线路板采用通用设备·尺寸稳定性好·也可进行弯曲加工·可以采用大通孔方式

LED·音频放大电路

包覆型金属基板

Pd-Cu

丝网印刷

20-32V/um675~900℃

可形成闭合磁路，但铁中发生磁应变·对于大块基板来说，比陶瓷基板便宜·加工成形简单·在通及基板四周边包覆玻璃釉时，难于做到很平滑·应防止碱金属离子在玻璃釉中迁移。

介电常数（约6.5）较高·单面包覆玻璃釉时，散热性好

闪光灯

金属芯基板

Cu

电镀/丝网印刷

50V/μm

约100~150℃

·电路图形形成使用干膜光刻胶·通孔孔径及孔盘宽度≥0.5mm·最小导体线宽0

3mm，间距06mm·与普通印制线路板相比，开关时间减小，可组成磁回路并具有磁屏蔽功能等

交换器

开关

（2）按金属基板的组成可划分为：

①金属铝基板：

②金属铁基板；③金属铜基板：

④金属钼基板；⑤金属铝合金基板等。

铝基板具有高散热性，机械强度高加工性好的优点。

但它所制的PCB，在装配有开关元件及电源、功放元件的部位上，工作时发生噪音。

铝基板与其它金属基板相比，相对线膨胀系数较大。

为了解决上述问题，达到PCB高密度布线和降低、消除噪音发生，近年出现厂二层结构的铝基板。

铁基板具有其它金属基板所不具备的电磁特性，并且尺寸稳定性好、价格低的优点。

它也存在着重量、耐腐蚀、热传导性比铝、铜基板差的问题。

铁基板主要分为三大类：

①不锈钢基板。

它的绝缘层是高温烧制的厚膜玻璃。

导体层是经印刷导体材料（Ad一Pd）后，烧制而成的。

板的机械强度高于陶瓷基板。

但热冲击和机械冲击性较差。

②铁基板。

铁板做基板，

为防止铁生锈，有进行镀铝和镀锌处理的两类板。

它们的绝缘层由环氧树脂、环氧玻璃布等组成。

绝缘层厚40一150um。

③低碳钢板做芯的外表为釉材不的包覆型金属基板。

铜基板具有高散热性，作为底基板的接地连接性好的优点。

但存在着重量大、难于进行端面防氧化处理等缺点。

三种不同金属基材的金属基覆铜箔板，所制出的PCB（金属基）与其

它PCB基材在热物理性方面的对比见表.

三种不同金属基板在热物理性方面的对比

材料名称

热传导率W/m℃

相对密度Kg/m3℃

比热J/kg-℃

热扩散率mm2/s

热阻℃/W

元器件上升温度发热5W

金属铝基板（板厚1.0mm）

23726880.90596.82.814℃

金属铜基板

39888800.368117

-

金属铁基板（板厚1.0mm）

80.378700.44222.74.623℃

环氧-玻纤布基PCB（板厚1.2mm）

0.318501.10.141470℃

铝-陶瓷复合基板

3638960.77911.89

注*：

：

热扩散率=热传导率一（密度x定压比热）。

是表示在材料内温度变化

传送速度的一个参数。

热扩散率大者，温度变化速度快。

（3）按金属基板的性能可划分为：

①通用型金属基覆铜板：

②阻燃型金属基覆铜板：

③高耐热型金属基覆铜板：

④高导热型金属基覆铜板：

⑤超高导热型金属基覆铜板；

⑥高频、微波型金属基覆铜板；

⑦多层金属基覆铜板等。

（4）按金属基板的树脂绝缘不同划分

各种金属基板的树脂绝缘层是有所不同树脂的组成。

例如：

有环氧树脂、聚稀烃树脂、聚酰亚胺树脂（PI）、聚苯醚树脂（PPE）等。

它们所构成的金属基板在许多性能上，特别是在散热性能、绝缘性能、耐热性能等都有着不小的差异。

我国电子行业军用标准铝基覆铜板规范中，根据其绝缘层结构差异或产品特性差异将铝基筱铜板分为三类

①通用型铝基覆铜板。

其绝缘层由环氧玻璃布粘接片构成；

②高散热铝基覆铜板。

其绝缘层由高导热的环氧树脂或高导热的其它树脂构成；

③高频电路用铝基覆铜板。

其绝缘层由聚稀烃树脂或聚酰亚胺树脂-玻璃布粘接片构成。

铝基覆铜板与常规FR-4覆铜板的最大差异在于散热性。

1.5mm厚度常规FR-4覆铜板的热阻与1.5mm厚度三种铝基覆铜板的热阻对比，见表，由此可见，铝基覆铜板的散热性是普通FR-4覆铜板的20多倍。

表5-3三种铝基覆铜板品种的散热性（热阻）对比

三种铝基覆铜板品种的散热性（热阻）对比

FR-4覆铜板

通用型金属铝基板

高散热型金属铝基板

高频电路用金属铝基板

20~22℃/W1.8~2.0℃/W1.0~1.5℃/W1.8~2.0℃/W

金属基板的结构组成

这里主要介绍LED常用的一般金属基板的结构组成_。

一般金属基覆铜箔板是由金属板层（铝板等）、绝缘层（粘合剂层）和导

电层（铜箔）组成，由它制成的单面金属基PCB。

它的一般构成见图5-4。

图5-4单面金属基板的构成

金属板层

金属基覆铜箔板的底基材是金属板，它的厚度通常为1.0；1.5；2.0mm厚。

薄者还有0.5mm也已在市场出现。

功率模块用金属铝基板，为了防止在封装树脂时基板产生变形、翘曲等，所以一般采用3.Omm厚金属板。

在构成金属板层的金属板材有多个品种，如铝、铜、铝合金、铁、钼等。

在不同的金属板中，以铜材做为基板散热性最好，它的热传导率高于其他金属基板。

由于铜材的密度大（8.9g/cm3），价格高、易氧化且不符合基板材料向轻量化发展的趋势，因此未被广泛使用。

只有制造超高散热性金属基板时才被采用。

铝板尽管散热性较铜板差，但比铁板好得多，且密度小、质轻（2.7g/cm

3），可防氧化，价格较便宜，因此它是金属基覆铜板中用途最广、用量最大的一种金属板材。

在金属基材品种的选择上国外厂家一般采用"6061"、"5052AL"型的铝板，国内主要采用"1050"和"1060AL"型的铝板。

在铜板材选择上，国内外一般采用"C11000"型的纯铜板材，选择它充当金属基材，对于解决高功率模块散热问题是有效的。

当前生产金属基板的厂家很多都是在金属铝底基材表面两侧，进行阳极氧化处理。

处理层一般为20μm左右。

绝缘层

绝缘层配方及工艺是金属基板最核心的技术。

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，这样的绝缘层具有优异的热传导性能（导热系数1.3~2.2W/m-K），很高的绝缘强度，良好的粘结性能。

金属基板热传导性能越好，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。

需要提及的是，目前国内的铝基板，因自身的技术、设备、材料和资金等各方面因素的制约，其绝缘层均使用了商品化的FR-4半固化片（导热系数仅为0.3W/m-K），该绝缘层之中没有添加任何的导热填料，因此，这种铝基板的绝缘层不具备热传导性，也不具备高强度的电气绝缘性能。

金属基板的绝缘层除具有一般覆铜板所具有的技术要求之外，还需要满足下列技术要求。

①高耐热性，即要求绝缘介质层所选用的树脂体系必须要有较高的Tg。

②高散热性，金属基覆铜板最优异的性能就是散热性，因此要求绝缘介质层具有良好的散热性。

③优异的尺寸稳定性。

④绝缘介质层要具

有良好的强度及柔韧性。

⑤耐离子迁移性。

⑥具有高的击穿强度。

金属基板的绝缘层由树脂（改性环氧树脂、改性PI、BT树脂、导热树脂）、增强材料（玻璃纤维布、玻璃纤维纸、有机纤维、Al2O3纤维）、填料（导热性填料）、固化剂、促进剂等以不同的方式组合而成，以满足各种不同类型的金属基板的要求。

绝缘介质层的厚度根据要求及用途的不同，一般控制在30~300μm。

特殊情况下，绝缘介质层厚度可达1~1.5mm。

由于金属基板采用的树脂体系和增强材料不同，而使基板的性能不同。

对于高热传导性的铝基板，由于在其绝缘介质层中加入了导热填料，使绝缘介质层的热传导性有很大的提高。

它的热传导性是一般环氧玻璃布板的15倍左右，是通用型铝基板的5倍左右。

如在绝缘介质层中加入高导热性或超导热性的填料，或用导热树脂体系加上高导热性的填料，那么，金

属基覆铜板的热传导性将会大大提高。

高导热性的填料的选择，是金属基板绝缘介质层组成设计中的重要部分.根据金属基覆铜板所用金属层的制备方式的不同，其金属基板的结构也有所不同。

可根据结构组成的差异分为两类品种：

一类是由绝缘树脂膜形成绝缘层的金属基板；另一类是传统CCL生产方式的半固化片作为绝缘层的金属基板，如采用环氧-玻璃布基（FR一4）的半固化片。

目前金属基板

发展的趋势是采用前一类。

由绝缘膜形成绝缘层的金属基板的基板材料制备，有两种：

①将选用的树脂通过喷淋、刮涂、刷涂或漏印等方法涂覆于处理好的金属板材的表面，制成半固化态的涂胶膜，再通过与铜箔叠合后，经高温压合形成金属基板。

②将所用的树脂体系首先制成半固化态的绝缘介质胶膜，再通过与铜箔叠合后，经高温压合形成金属基板。

导电层

导电层一般为铜箔材料。

铜箔粗化面是经过化学氧化处理过的，表面镀锌和镀黄铜，目的是增加抗剥强度。

铝基覆铜箔板通常以35μm（1盎司）厚的电解铜箔为主。

也有采用9μm,18μm,70μm厚的铜箔。

我公司提供的金属基板使用的是电解铜箔，铜厚有1、2、3、4、6盎司五种。

从制作精细线条考虑，板的铜箔越薄越好。

从功率模块等的大电流化和高效率化两方面考虑，铜箔厚一些更好，在装配有功率模块、整流电源元器件的金属铝基板的基板材料中，有的厂家选用了105-300μm厚铜