CN104363697A - 陶瓷填充介质铝衬底覆铜板及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种陶瓷填充介质铝衬底覆铜板及其制造方法。该陶瓷填充介质铝衬底覆铜板包括铝基底板、绝缘层以及导电线路层，该绝缘层层叠设置于所述铝基底板与所述导电线路层之间，其中，所述绝缘层包括环氧树脂和分散在该环氧树脂中的α-Al2O3陶瓷粉，且所述α-Al2O3陶瓷粉在绝缘层中的质量百分比为3％～9％。上述陶瓷填充介质铝衬底覆铜板中的绝缘层包括α-Al2O3陶瓷粉与环氧树脂树脂，α-Al2O3在具有较高的导热率的同时，具有较高的耐压性，所以在绝缘层中加入α-Al2O3有效地解决了因陶瓷粉的填充而引起的耐压降低问题。
Description
技术领域
本发明涉及LED线路板技术领域，尤其涉及一种导热率不小于2.0W/(m·k)、耐压不小于30kv/mm的、且具有良好机械钻切加工性和耐热性的陶瓷填充介质铝衬底覆铜板及其制造方法。
背景技术
铝基线路板是LED灯的关键元器件之一，起到电路连接、支撑、散热等作用，随着铝基线路板上安装的LED的数量、单颗LED的功率增加，铝基线路板所承载的散热、电压也在不断增加，因此，对LED铝基线路板提出高耐压、高导热要求。譬如室外装饰灯、路灯等安装的LED累计功率100～300W(单颗LED的功率1～5W)时，要求铝基线路板的导热率不小于2.0W/(m·k)、耐压不小于30kv/mm。目前，国内该类铝基线路板的普遍问题是耐压不够、耐热性能不稳定、机械钻切工艺性不好，加工该类产品所需要的覆铜铝基板主要靠进口。开展较高导热率、较高耐电压铝基线路板研究开发，对于产品国产化、降低成本具有十分重要意义。
LED铝基线路板中的线路通常由铜箔组成，其中铝板导热率为160～220W/(m·k)，铜箔导热率为380w/(m·k)，均具有良好的导热率。而绝缘层通常由环氧树脂组成，而环氧树脂虽然耐压≥30KV/mm，但导热率仅为0.10～0.50W/(m·k)，从而成为LED铝基线路板的导热瓶颈。为提高LED铝基线路板的导热率，通常在绝缘层中掺入导热率较高的的陶瓷粉。然而，普通的陶瓷粉的导热率虽然比较高，但其耐压能力比较低，若将陶瓷粉作为添加剂填充到环氧树脂中，绝缘层的导热率会提高，但耐压性降低。使铝基线路板同时满足较高导热率、较高耐电压在制造工艺上是一对矛盾体。另外，普通的陶瓷粉的填充会降低该LED铝基线路板的机械钻切加工性和耐热性。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种导热率不小于2.0W/(m·k)、耐压不小于30kv/mm的、且具有良好机械钻切加工性和耐热性的绝缘层填充陶瓷粉的陶瓷填充介质铝衬底覆铜板及其制造方法，以解决上述问题。
本发明提供一种陶瓷填充介质铝衬底覆铜板，其包括铝基底板、绝缘层以及导电线路层，该绝缘层层叠设置于所述铝基底板与所述导电线路层之间，其中，所述绝缘层包括环氧树脂和分散在该环氧树脂中的α-Al2O3陶瓷粉，且所述α-Al2O3陶瓷粉在绝缘层中的质量百分比为3％～9％。
基于上述陶瓷填充介质铝衬底覆铜板，所述α-Al2O3陶瓷粉的质量百分比为5％-7％，该α-Al2O3陶瓷粉的纯度大于等于99.9％、平均粒度<0.5μm。
基于上述陶瓷填充介质铝衬底覆铜板，所述环氧树脂为改性环氧树脂，该改性环氧树脂为北京化工研究院提供的溴化环氧树脂。
基于上述陶瓷填充介质铝衬底覆铜板，所述陶瓷填充介质铝衬底覆铜板的导热系数为2.0～3.0W/(m·k)，耐电压为32～40KV/mm，击穿电压为2.5～4KV。
基于上述陶瓷填充介质铝衬底覆铜板，所述绝缘层的厚度为90～100μm。
基于上述陶瓷填充介质铝衬底覆铜板，所述绝缘层进一步包括增韧剂四方相氧化锆(t-ZrO2)，该四方相氧化锆在所述绝缘层中的含量1％-2％。
基于上述陶瓷填充介质铝衬底覆铜板，所述铝基底板靠近所述绝缘层的表面形成0.3μm-4μm厚的氧化膜。
一种陶瓷填充介质铝衬底覆铜板的制造方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：提供铝基底板，并对该铝基底板进行表面处理；
步骤二：将绝缘胶涂在所述经过表面处理的铝基底板上，以形成绝缘胶层，该绝缘胶层包括环氧树脂和分散在该环氧树脂中的α-Al2O3陶瓷粉，且该α-Al2O3陶瓷粉在该绝缘胶层中的质量百分比为3％～9％；
步骤三：将导电片材压合在所述绝缘胶层上，固化该绝缘胶层使该导电片材通过该绝缘胶层固定层压贴合在所述铝基底板上，并对该导电片材进行处理，得到所述陶瓷填充介质铝衬底覆铜板。
所述步骤一包括：对所述铝基底板的表面进行粗化、氧化处理，形成0.3μm-4μm厚的氧化膜。
所述步骤二包括：将α-Al2O3陶瓷粉与所述环氧树脂均匀混合，静置、无气泡产生，形成所述绝缘胶；用钢网滚涂将该绝缘胶涂在所述铝基底板经过表面处理的表面上，形成所述绝缘胶层；将该绝缘胶层水平烘烤至半固化状态。其中，优选地，该α-Al2O3陶瓷粉在该绝缘胶中的质量百分比为5％-7％。
所述步骤二还进一步包括：将四方相氧化锆与α-Al2O3陶瓷粉、所述环氧树脂均匀混合，形成所述绝缘胶，且该四方相氧化锆在该绝缘胶中的质量百分比为1％-2％。
所述步骤三中的导电片材压合方法包括：将所述导电片材覆盖在所述绝缘胶层上，然后将该绝缘胶层在160度-170度温度下加热1-2小时，同时在4-5Mpa的压力下，压合1.5-2.5小时。
相对于现有技术，本发明提供的陶瓷填充介质铝衬底覆铜板及其制造方法具有以下优点：其中绝缘层通过在环氧树脂加入合理配比的α-Al2O3陶瓷粉使绝缘层在具有较高的导热率的同时，同时具有较高的耐压性，有效地解决了因陶瓷粉的填充而引起的耐压降低问题；进一步地，在所述绝缘层中添加t-ZrO2、且对铝基底板表面氧化处理，改善了绝缘层的韧性和附着力，解决了陶瓷填充介质铝衬底覆铜板在制作过程中出现机械钻切容易爆板、耐热加工和LED焊接装配材料易分层等问题，且能保证绝缘层的厚度。所述陶瓷填充介质铝衬底覆铜板具有较高散热性、耐电压性能和较好的机械钻切工艺性，综合指标达到国内同类产品的领先水平，接近美国同类产品指标。
附图说明
图1为实施例提供的陶瓷填充介质铝衬底覆铜板示意图。
图2为α-Al2O3陶瓷粉含量与陶瓷填充介质铝衬底覆铜板的导热率、耐压与时间曲线图。
图3为本发明实施例提供的陶瓷填充介质铝衬底覆铜板制作方法中的压合工艺中的的温度、时间、压力的曲线图。
元件符号说明
陶瓷填充介质铝衬底覆铜板：10； 铝基底板：12；
绝缘层：14； 导电线路层：16
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
请参阅图1，本发明实施例提供一种陶瓷填充介质铝衬底覆铜板10，其包括铝基底板12、绝缘层14以及导电线路层16，该绝缘层14层叠设置于所述铝基底板12与所述导电线路层16之间，其中，所述绝缘层14包括环氧树脂和分散在该环氧树脂中的α-Al2O3陶瓷粉。
所述铝基底板12是低合金化的Al-Mg-Si系高塑性合金板，它具有良好的导热性、电气绝缘性能和机械加工性能。铝基底板12的铝板材型号可以为1100、5052、6061等。该铝基底板12的厚度为0.5mm-3.0mm，优选地，其厚度可以为0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm、3.0mm等。
为了增加所述铝基底板12与所述绝缘层14的附着力，避免在制造所述陶瓷填充介质铝衬底覆铜板10的过程中出现机械钻切容易爆板和LED焊接装配材料易分层等问题，可以对所述铝基底板12靠近所述绝缘层14的表面进行化学粗化、氧化处理，在该铝基底板12表面形成0.3μm-4μm厚的氧化膜。选择0.3μm-4μm厚的氧化膜，一方面可与绝缘层可提高所述铝基底板12与所述绝缘层14的附着力，同时又不会明显影响所述铝基底板12的热性能和电性能。
所述绝缘层14主要起到粘接所述铝基底板12和导电线路层16，绝缘和导热的功能。该绝缘层14的厚度为90μm～100μm，使该绝缘层14的厚度在此区间，可兼具导热性能和机械加工性能。该绝缘层14主要由α-Al2O3陶瓷粉和环氧树脂组成。α-Al2O3陶瓷粉为填充剂，且均匀分散在环氧树脂中。优选地，所述α-Al2O3陶瓷粉的纯度大于等于99.9％、平均粒度<0.5μm。
请参阅图2，该绝缘层14中的α-Al2O3陶瓷粉的含量不能太低，也不能太高。当α-Al2O3陶瓷粉的含量较低时，该绝缘层14的导热率增加有限，不能满足制作陶瓷填充介质铝衬底覆铜板的要求。当α-Al2O3陶瓷粉的含量较高时，该绝缘层14的导热率虽然会有较大程度的增加，可以满足制作陶瓷填充介质铝衬底覆铜板的要求，但由于随着α-Al2O3陶瓷粉的含量的增加，该绝缘层14的耐压性降低，当α-Al2O3陶瓷粉的含量比较高时，该绝缘层14的耐压性比较低不能满足制作陶瓷填充介质铝衬底覆铜板的要求；因此，α-Al2O3陶瓷粉在绝缘层14中的质量百分比为3％～9％。优选地，α-Al2O3陶瓷粉的质量百分比为5％～7％。当α-Al2O3陶瓷粉质量百分比小于5％时，该绝缘层14的导热率会低于设计值；当α-Al2O3陶瓷粉质量百分比大于7％时，该绝缘层14的耐电压会低于设计值。
所述绝缘层14还可以包括增韧剂t-ZrO2，用于提高该绝缘层14的韧性及与铝基板的结合力。该绝缘层14中的t-ZrO2的含量不能太低，也不能太高。若在t-ZrO2的含量过低，则绝缘膜的韧性和附着力下降。若在t-ZrO2的含量过高，则对导热率有所影响。优选地，该绝缘层14中的t-ZrO2的含量为1％-2％。此时，所述陶瓷填充介质铝衬底覆铜板的导热率为2.0～3.0W/(m·k)，耐电压为32～40KV/mm。
所述导电线路层16通常为由蚀刻形成的印刷电路。本实施例中，该导电线路层16是由铜箔经蚀刻形成的线路层，其主要由99.9％的电解铜组成。该导电线路层16的厚度为18μm-105μm，优选地，该导电线路层16的厚度为18μm、35μm、70μm、105μm等。
本实施例还提供上述陶瓷填充介质铝衬底覆铜板的制造方法，该制造方法包括：
步骤一：提供上述铝基底板，并对该铝基底板进行表面处理；
步骤二：将绝缘胶涂在所述铝基底板经过表面处理的表面上，以形成绝缘胶层，该绝缘胶层包括环氧树脂和分散在该环氧树脂中的α-Al2O3陶瓷粉，且该α-Al2O3陶瓷粉在该绝缘胶层中的质量百分比为3％～9％；
步骤三：将导电片材压合在所述绝缘胶层上，并凝固该绝缘胶层使该导电片材固定在所述铝基底板上，然后对该导电片材进行蚀刻处理得到所述陶瓷填充介质铝衬底覆铜板。
所述步骤一包括：对所述铝基底板的表面进行粗化、氧化处理，形成0.3μm-4μm厚的氧化膜。其中，该步骤主要是对所述铝基底板进行表面处理，形成粗糙度均匀的氧化膜，同时使其表面无油污和氧化与空气接触时间过长出现的氧化物或其他酸性物质等二次污染物，达到提高该铝基底板与后续绝缘胶层的附着力的目的。
所述步骤二包括：搅拌α-Al2O3陶瓷粉与所述环氧树脂均匀混合，静置20-40min，无气泡产生，形成所述绝缘胶；用钢网滚涂将该绝缘胶涂在所述铝基底板经过表面处理的表面上，形成大约90μm-100μm厚的所述绝缘胶层；将该绝缘胶层水平烘烤至半固化状态。其中，优选地，静置大约30min。α-Al2O3陶瓷粉在该绝缘胶中的质量百分比为5％-7％。
该步骤二还进一步包括：将四方相氧化锆与α-Al2O3陶瓷粉、所述环氧树脂均匀混合形成所述绝缘胶的步骤。优选地，该四方相氧化锆在该绝缘胶中的含量为1％-2％。
所述步骤三中的导电片材压合方法包括：将所述导电片材覆盖在所述绝缘胶层上，然后对半固化状态的绝缘胶层进行加热加压处理，使该导电片材贴合在所述铝基底板上。后续对该导电片材进行蚀刻处理得到所述陶瓷填充介质铝衬底覆铜板。其中，在该过程中，所述导电片材与所述铝基底板之间应贴合平整，无弓翘和间隙等问题产生。所述导电片材优选为铜箔，主要由99.9％的电解铜组成。该导电片材的厚度为18μm-105μm，优选地，该导电线路层16的厚度为18μm、35μm、70μm、105μm等。
具体地，该步骤三的层压过程中，当所述绝缘胶层开始融化时，开始施加压力；当所述绝缘胶层处于融化到固化的转换状态时，恒压一段时间，此时的压力大约在1.7-2.3Mpa；然后，当所述绝缘胶层完全处于融化状态时，恒温40分钟-2.5小时后降温，同时，将压力升到3.5-5.5Mpa，并维持该压力压合1-3小时。优选地，在层压过程中，将所述导电片材覆盖在所述绝缘胶层上之后，将所述绝缘胶层在160度-170度温度下处于融化状态，恒温1-2小时，同时在4-5Mpa的压力下，压合至所述绝缘胶层的温度降至室温。需要说明的是，在压合过程中，所述具有胶层受到的压力不能过大导致铝基底板面含胶不均或出现滑板，也不能使压力过小从而影响所述导电片材与所述铝基底板黏连性不够或层压后所述导电片材可剥离。
本发明实施例提供的陶瓷填充介质铝衬底覆铜板及其制造方法具有以下优点：其中绝缘层通过在环氧树脂加入合理配比的α-Al2O3陶瓷粉使绝缘层在具有较高的导热率的同时，同时具有较高的耐压性，有效地解决了因陶瓷粉的填充而引起的耐压降低问题；进一步地，在所述绝缘层中添加t-ZrO2、且对铝基底板表面氧化处理，改善了绝缘层的韧性和附着力，解决了陶瓷填充介质铝衬底覆铜板在制作过程中出现机械钻切容易爆板、耐热加工和LED焊接装配材料易分层等问题，且能保证绝缘层的厚度。所述陶瓷填充介质铝衬底覆铜板具有较高散热性、耐电压性能和较好的机械钻切工艺性，如，当所述陶瓷填充介质铝衬底覆铜板中的绝缘层中的α-Al2O3陶瓷粉的含量为5％～7％，该陶瓷填充介质铝衬底覆铜板的导热率为2.0～3.0W/(m·k)，耐电压为32～40KV/mm，综合指标达到国内同类产品的领先水平，接近美国同类产品指标。本发明实施例提供的陶瓷填充介质铝衬底覆铜板可以替代同类进口产品，价格是同类进口产品的50～60％。本发明实施例提供的陶瓷填充介质铝衬底覆铜板可以达到Q/JTDZ01-2010企业标准和项目规定的技术指标，满足安装LED累计功率100～300W(单颗LED的功率1～5W)的较大功率的室外装饰灯、路灯的散热、耐压要求。
为进一步描述本发明，下面为具体参数下的具体实施例：
提供1.4mm厚的铝基底板，对该铝基底板进行化学粗化、氧化处理，形成0.3μm-4μmμm的氧化膜，清洗该将氧化膜；将60g的α-Al2O3陶瓷粉、15g的t-ZrO2加入925g的环氧树脂中，机械搅拌均匀，静置3min，无气泡产生，形成绝缘胶；用钢网滚涂将该绝缘胶涂在所述铝基底板的氧化膜上，形成绝缘胶层；将该绝缘胶层水平烘烤至半固化状态；将由99.9％的电解铜形成的箔压合在所述半固化状态的绝缘胶层上，并凝固该绝缘胶层得到大约90μm厚的绝缘层，该铜箔提供该绝缘层固定在所述铝基底板上，然后对铜箔进行蚀刻处理形成铜线路层，从而制得陶瓷填充介质铝衬底覆铜板。其中，具体压合过程如图3所示，所述绝缘胶层从室温加热至160-170度后，恒温2.5小时后开始降温；当所述绝缘胶层加热至大约50度开始融化时，开始施加压力；当所述绝缘胶层加热到80度时处于融化到固化的转换状态，将压力维持在1.8Mpa大约0.5小时后继续加压，压力升至大约4.8Mpa，并维持该压力至所述绝缘胶层的温度降至室温。
请参见下表，在相同的条件下，依据美国贝格斯(Bergquist)的规则热流法来描述、测试美国、台湾、日本、中国等国家地区有代表性的品牌的陶瓷填充介质铝衬底覆铜板的主要性能，其中，各种陶瓷填充介质铝衬底覆铜板中的绝缘层大约90μm。
各种陶瓷填充介质铝衬底覆铜板主要性能对比表
从上述对比表数据分析表明，本发明实施例提供的陶瓷填充介质铝衬底覆铜板，通过在铝基底板设置氧化层，及用掺有合理配伍的α-Al2O3陶瓷粉及t-ZrO2的环氧树脂绝缘层，从而使得该陶瓷填充介质铝衬底覆铜板的导热系数与耐电压等指标达到国内同类产品的领先水平，接近美国同类产品指标。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种陶瓷填充介质铝衬底覆铜板，其包括铝基底板、绝缘层以及导电线路层，该绝缘层层叠设置于所述铝基底板与所述导电线路层之间，其特征在于，所述绝缘层包括环氧树脂和分散在该环氧树脂中的α-Al2O3陶瓷粉，且所述α-Al2O3陶瓷粉在绝缘层中的质量百分比为3％～9％。
2.如权利要求1所述的陶瓷填充介质铝衬底覆铜板，其特征在于，所述α-Al2O3陶瓷粉的质量百分比为5％～7％，该α-Al2O3陶瓷粉的纯度大于等于99.9％、平均粒度<0.5μm。
3.如权利要求1或2所述的陶瓷填充介质铝衬底覆铜板，其特征在于，所述绝缘层进一步包括增韧剂四方相氧化锆，该四方相氧化锆在所述绝缘层中的质量百分比为1％～2％；所述陶瓷填充介质铝衬底覆铜板的导热系数为2.0～3.0W/(m.k)，耐电压为32～40KV/mm，击穿电压为2.5～4KV。
4.如权利要求1或2所述的陶瓷填充介质铝衬底覆铜板，其特征在于，所述绝缘层的厚度为90～100μm；所述铝基底板靠近所述绝缘层的表面具有0.3μm～4μm厚的氧化膜。
5.一种陶瓷填充介质铝衬底覆铜板的制造方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：提供铝基底板，并对该铝基底板进行表面处理；
步骤二：将绝缘胶涂在所述经过表面处理的铝基底板上，以形成绝缘胶层，该绝缘胶层包括环氧树脂和分散在该环氧树脂中的α-Al2O3陶瓷粉，且该α-Al2O3陶瓷粉在该绝缘胶层中的质量百分比为3％～9％；
步骤三：将导电片材压合在所述绝缘胶层上，固化该绝缘胶层使该导电片材通过该绝缘胶层固定层压贴合在所述铝基底板上，并对该导电片材进行处理，得到所述陶瓷填充介质铝衬底覆铜板。
6.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述步骤一包括对所述铝基底板的表面进行粗化、氧化处理，形成0.3μm～4μm厚的氧化膜。
7.如权利要求5或6所述的陶瓷填充介质铝衬底覆铜板的制造方法，其特征在于，所述步骤二包括将所述α-Al2O3陶瓷粉与所述环氧树脂均匀混合，静置、无气泡产生，形成所述绝缘胶；用钢网滚涂将该绝缘胶涂在所述铝基底板经过表面处理的表面上，形成所述绝缘胶层；将该绝缘胶层水平烘烤至半固化状态。
8.如权利要求7所述的陶瓷填充介质铝衬底覆铜板的制造方法，其特征在于，所述α-Al2O3陶瓷粉在该是绝缘胶中的质量百分比为5％～7％。
9.如权利要求7所述的陶瓷填充介质铝衬底覆铜板的制造方法，其特征在于，所述步骤二还进一步包括：将四方相氧化锆与α-Al2O3陶瓷粉、所述环氧树脂均匀混合，形成所述绝缘胶，且该四方相氧化锆在该绝缘胶中的质量百分比为1％～2％。
10.如权利要求9所述的陶瓷填充介质铝衬底覆铜板的制造方法，其特征在于，所述步骤三中的导电片材压合方法包括：将所述导电片材覆盖在所述绝缘胶层上，然后将该绝缘胶层在160度～170度温度下加热1～2小时，同时在4～5Mpa的压力下，压合1.5～2.5小时。
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