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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
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
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