專利名稱：鋁基印刷電路板及其制作方法
技術領域：
本發明涉及印刷電路板，尤其涉及以大功率半導體發光二極管(LED)作為照明光源時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領域。
背景技術：
大功率半導體發光二極管(LED)照明光源主要應用以金屬鋁材料為基材的印刷電路板，近年來，隨著LED科學研究的不斷發展和芯片工藝生產水平的不斷提升，大功率LED封裝技術日臻成熟，發光效率得以大大提高，其應用領域不斷拓展。但是，LED發光將電能轉變為光能的過程中，由于有電阻和非輻射復合，LED會產生一些熱。如果這些熱量不能充分散發出去，LED內部溫度上升，將導致LED發光效率下降；如果LED內部溫度上升過高，還可能使LED失效，難以保證LED預期的使用壽命。所以作為光源，散熱依然是LED正常工作的巨大障礙。
在大功率半導體發光二極管照明光源的設計和產品研究與開發方面，首當其沖的是選用金屬鋁基的印刷電路板作為LED的載體，鋁基板一方面起固定作用，另一方面起散熱作用，LED正常工作時產生的熱量首先通過鋁基印刷電路板導出。對于運用傳統工藝加工制造的金屬鋁基印刷電路板，在上層導電層與底層鋁基板之間承擔電氣絕緣的導熱絕緣層，其熱傳導率比較低，如樹脂的導熱率一般為0.3w/mk，而玻璃纖維的導熱率也不足1w/mk，其中最典型的見之于用美國貝格斯導熱絕緣層壓制的鋁基覆銅板，其導熱系數也只是在1.1～2.2W/mk之間。這樣的金屬鋁基印刷電路板不能有效發揮大功率半導體發光二極管用作照明光源的優越性能，極有必要加以改進。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的不足，從改變導熱絕緣層的構造入手，提供一種結構簡潔、易于加工、散熱效果良好的以鋁合金為基材的印刷電路板(第一個目的)，以及這種鋁基印刷電路板的制作方法(第二個目的)。
本發明的第一個目的通過以下技術方案來實現鋁基印刷電路板，包括底層、中間層和表面層，底層采用金屬鋁基板，中間層是導熱絕緣層，表面層是導電層，上面分布有導電電路，其特征在于所述導熱絕緣層是陶瓷狀薄膜層，其化學成分是鋁的氧化物三氧化二鋁。
進一步地，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。
再進一步地，上述的鋁基印刷電路板，其中，所述的導電層的導電材料是銅、金、銀或鈀，導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”。
本發明的第二個目的通過以下技術方案來實現鋁基印刷電路板的制作方法，包括以下步驟①采用機械或者化學方法對于金屬鋁基板的基材表面進行預處理，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，在預處理后的工件表面加工制作導熱絕緣層；③在導熱絕緣層的外面進一步覆蓋導電層，進而在導電層上面蝕刻制作導電線路。
進一步地，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溶液相互作用，在工件表面形成微弧放電，在高溫及電場的作用下，鋁金屬表面形成強化陶瓷狀氧化膜，然后對此氧化膜進行封閉處理，經烘干后制成鋁基印刷電路板的導熱絕緣層。
再進一步地，上述鋁基印刷電路板的制作方法中，步驟③是先在導熱絕緣層的外面全部覆蓋導電層，然后再在導電層上面蝕刻制作導電線路；或者在導熱絕緣層的外面局部涂覆防護膜，然后在不作保護的部位通過濺射或蒸鍍的方法直接制作導電線路。
更進一步地，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”，制作過程中對于金屬鋁基板的上下兩個表面分別進行預處理，并進一步加工制作導熱絕緣層、導電層和導電線路。
這樣，本發明放棄傳統方式所采用玻璃纖維布粘結片或者環氧樹脂聚合物，采用新型結構和加工技術，開發出一種適合LED用作照明光源使用的鋁基印刷電路板，其突出的實質性特點和顯著進步體現在(1)鋁板表面處理成氧化鋁陶瓷狀薄膜是一種新興的技術，微弧氧化法工藝穩定可靠，加工設備簡單，制造方便，主要的化學反應在常溫下進行，易于控制，加工過程中使用的化學處理液是環保型，符合環保排放要求。
(2)防靜電性能好。在氧化層厚度100μm時，表面絕緣電阻可達100MΩ，據有關資料顯示，當材料的表面電阻在10KΩ～100GΩ之間時，稱為靜電耗散材料，故本發明能夠有效擴散靜電，防止靜電擊穿發光二極管。
(3)散熱效果好。三氧化二鋁陶瓷狀薄膜的熱阻較低，其導熱率為40w/mk，遠遠高于一般的纖維和樹脂，大功率半導體發光二極管照明光源應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發熱問題對半導體照明光源設計的限制，將“溫升”對大功率LED穩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，與金屬鋁基體結合牢固，能夠有效地克服因電路層、絕緣導熱層及金屬基層之間不同的膨脹系數而引起的效應，能夠承受鉆孔、沖剪、切割等機械加工。
(5)具有優異的散熱性能和電磁屏蔽性能，可以使大功率LED的產品向高密度、大功率方向發展。本發明由于具有優良的尺寸穩定性和機械加工性能，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用前景。
(6)可以制作多種材料的導電線路。根據功能需求，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電線路，通過在表面導電層的局部涂覆防護膜，即可在不作保護的部位可以直接制作導電線路。
圖1是鋁基印刷電路板結構示意圖(雙面板)；圖2是鋁基印刷電路板結構示意圖(單面板)；圖3是本發明鋁基印刷電路板的制作工藝流程圖。
具體實施例方式
眾所周知，在電子行業里廣泛應用各種印刷電路板。這些印刷電路板既有“單面板”也有“雙面板”，它們用于電路設計時，通常采用表面貼裝技術(SMT)，以提高電子元器件的安裝密度，縮小產品體積，降低生產裝配成本。
鋁基印刷電路板是一種獨特的金屬基覆銅板，它具有良好的導熱性能、電氣絕緣性能和機械加工性能。鋁基板可以取代易碎的陶瓷基板，獲得更好的機械耐久力；而且，鋁基板能夠對熱擴散進行極為有效的處理，從而降低產品運行溫度，提高產品功率密度和可靠性，延長產品的使用壽命。所以，鋁基板是印刷電路板的一個重要品種。
圖1、圖2分別是鋁基印刷電路板“雙面板”和“單面板”的結構示意圖。從圖1可以看出，鋁基印刷電路板的基本結構分為三層11和15是外部表面層，即導電層。導電層使用的導電材料為銅箔，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，即導熱絕緣層。絕緣技術是鋁基印刷電路板的關鍵，絕緣介質一般采用高導熱的環氧玻纖布粘結片或者特殊的高導熱環氧樹脂聚合物，導熱絕緣層的厚度為80～100μm，技術性能上要求熱阻小、粘結性能優良、具有抗熱老化的能力，并且能夠承受機械及熱應力。13是底部基礎層，即金屬基層。金屬基板使用鋁板，要求基板具有很強的尺寸穩定性和機械加工性能，具有優良的散熱性。與圖1相對應，圖2當中21是導電層、22是導熱絕緣層、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沿用以下的工藝方法進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用機械和化學方法先進行預處理，形成光潔平整的平面，然后鋪覆薄薄一層的環氧玻璃布，有的再涂復一層特殊的聚合物構成中間的導熱絕緣層，在中間層的表面再覆蓋銅箔，經過熱壓加工，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電線路，再經過機械沖壓加工和表面清洗處理，制成實用的金屬線路板。
上述方法制作而成的鋁基印刷電路板，其導熱絕緣層的導熱性能并不是十分理想，特別是用于封裝大功率LED時，這種弊端顯得尤為突出，對于更好地發揮大功率LED用作照明光源時的諸多優異性能已構成制約。
另一方面，在自然界里，鋁是導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良的絕緣材料。三氧化二鋁薄膜的厚度在100μm時，其表面絕緣電阻可達100MΩ以上；同時，三氧化二鋁薄膜的導熱率可達40w/mk，遠遠高于一般的纖維和樹脂，而且薄膜質地致密均勻，耐熱性及抗腐蝕性好。
因此，本發明提出一種以陶瓷狀薄膜層作為導熱絕緣層的鋁基印刷電路板，這種陶瓷狀薄膜層的化學成分是鋁的氧化物，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構也分為三層，以圖2“單面板”為例，21為外部表面層——導電層，它可以是全部覆蓋的金屬層，也可以是直接制作的導電線路；22為中間導熱絕緣層，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。
本發明鋁基印刷電路板的制作方法，包括以下步驟①采用機械或者化學方法對于金屬鋁基板的基材表面進行預處理，去油、水洗，形成清潔平整的工件平面；②在預處理后的工件表面加工制作導熱絕緣層；③在導熱絕緣層的外面進一步覆蓋導電層，進而在導電層上面蝕刻制作導電線路。
導熱絕緣層的制作是本發明的關鍵，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一步采取真空濺射或者真空蒸鍍的工藝制作導電層。
微弧氧化或微等離子體表面陶瓷化技術，是指在普通陽極氧化的基礎上，利用弧光放電增強并激活在陽極上發生的反應，從而在以鋁、鈦、鎂金屬及其合金為材料的工件表面形成優質的強化氧化陶瓷膜的一種加工方法。圖3是采用微弧氧化技術加工的工藝流程圖。制作加工時，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械和化學方法進行預處理，經過去油和水洗，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溶液相互作用，在工件表面形成微弧放電，在高溫及電場的作用下，鋁金屬表面氧化形成強化陶瓷狀氧化膜，再用純水洗凈，對此氧化膜進行封閉處理，烘干后形成鋁基印刷電路板的導熱絕緣層。
經過微弧氧化技術加工之后，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合強度也令人十分滿意。
導熱絕緣層制作完畢，即可在其外層加工導電層，并布置導電線路。導電層和導電線路的制作方法可以采取先在導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電線路；也可以采取在局部涂覆防護膜的前提下，在不作保護的部位通過濺射或蒸鍍直接制作的導電線路。
其中，真空濺射是利用真空離子濺射，使物品沉積金屬原子，加工中無需添加任何化學藥劑；真空蒸鍍是將金屬蒸源加熱使之自然附著在鋁質基材的表面。導電層的厚度依靠多次加工累積或者通過電鍍作進一步調整。
通常，導電層的導電線路采用金屬銅來制作。但是，根據印刷電路板的應用需求，還可以使用或在銅層上輔助使用金、銀、鈀等金屬來制作導電線路；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。
當鋁基印刷電路板是圖1所示的“雙面板”時，制作過程中對于金屬鋁基板13的上下兩個表面均要進行預處理，并分別加工制作導熱絕緣層12/14、導電層11/15，以及相應的導電線路。
需要說明的是，本發明提供的鋁基印刷電路板主要應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體發光二極管照明光源，但是本發明的保護范圍并不受此限制，凡是采用等同變換或者等效替換而形成的技術方案，均落在本發明權利要求范圍之內。
權利要求
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，中間層是導熱絕緣層，表面層是導電層，上面分布有導電電路，其特征在于所述導熱絕緣層是陶瓷狀薄膜層，其化學成分是鋁的氧化物三氧化二鋁。
2.根據權利要求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.根據權利要求1所述的鋁基印刷電路板，其特征在于所述的導電層的導電材料是銅、金、銀或鈀。
4.根據權利要求3所述的鋁基印刷電路板，其特征在于所述導電層的局部或整體還涂有銦金合金或者金錫合金。
5.根據權利要求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采用機械或者化學方法對于金屬鋁基板的基材表面進行預處理，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，在預處理后的工件表面加工制作導熱絕緣層；③在導熱絕緣層的外面進一步覆蓋導電層，進而在導電層上面蝕刻制作導電線路。
7.根據權利要求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溶液相互作用，在工件表面形成微弧放電，在高溫及電場的作用下，鋁金屬表面形成強化陶瓷狀氧化膜，然后對此氧化膜進行封閉處理，經烘干后制成鋁基印刷電路板的導熱絕緣層。
8.根據權利要求6所述的鋁基印刷電路板的制作方法，其特征在于步驟③是先在導熱絕緣層的外面全部覆蓋導電層，然后再在導電層上面蝕刻制作導電線路；或者在導熱絕緣層的外面局部涂覆防護膜，然后在不作保護的部位通過濺射或蒸鍍的方法直接制作導電線路。
9.根據權利要求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”，制作過程中對于金屬鋁基板的上下兩個表面分別進行預處理，并進一步加工制作導熱絕緣層、導電層和導電線路。
全文摘要
本發明涉及以大功率半導體發光二極管(LED)作為照明光源時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、中間層是導熱絕緣層、表面層是導電層，其特點是導熱絕緣層為10～400微米厚的、絕緣電阻≥100MΩ的陶瓷狀薄膜層，其化學成分是鋁的氧化物。制作時先用機械或者化學方法對于金屬鋁基板的基材表面進行預處理，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熱絕緣層，最后在導熱絕緣層的外面覆蓋導電層，進而蝕刻制作導電線路，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H05K3/02GK101076224SQ200610040329
公開日2007年11月21日 申請日期2006年5月16日 優先權日2006年5月16日
發明者王勁, 梁秉文, 劉乃濤, 高澤山 申請人:南京漢德森科技股份有限公司