由于印制电路板（PCB）快速走向高密度化、信号传输高频高速化和高功率化，这些因素驱使着更大的导电损耗和介质损耗等[1]、[2]，使PCB介质层和导体急剧发热而升温，传统的PCB的工作温升从70 ℃左右提高到110 ℃左右，甚至可超过130 ℃。大量试验和统计数据表明，电子元器件在最佳工作温度后温升2 ℃，其可靠性便下降10%，温升50 ℃的使用寿命只有温升25 ℃的1/6[3]，威胁着PCB和元器件等的可靠性和使用寿命。这是由于传统PCB介质层的导热性能（导热系数仅为0.24 W/m•K左右）和散发热量性能很差，导致PCB介质层温升急剧增加的结果。

为了解决PCB介质层的高热课题，如何把PCB内的高热快速地传导或发散出来，避免引起PCB内温升和可靠性问题，这是目前和今后需要解决PCB内高热或温升课题！从目前来看，可以采用下述四种有效措施来达到目标：（1）导热性有机介质印制板；（2）金属芯印制板；（3）金属基印制板；（4）高导热无机介质印制板。采用这些方法可到达不同程度降低PCB温升的问题。本文集中评述金属基印制板的特点和应用领域。

1 金属基印制板的基本特性

金属基印制板是指PCB的一面是用“连接层”与金属的一面相连接的，而“连接层”是绝缘并导热的薄膜层。是把PCB内部的热量通过连接的绝缘层而传递到金属层导热/散发出去，降低PCB介质层的温度。

作为金属基用的金属板材种类和特点是：导电性能、导热性能和尺寸稳定性等很好；作为金属基使用时，与PCB关联最大的是它的导热性能、其次是热膨胀系数。由于PCB介质层的导热性能差，在PCB遇到高热化和热应力的挑战时，必须把PCB内部的热量传递出去，保持PCB内部的温度≤80 ℃，确保PCB和元器件能够正常工作。

金属基印制板所用的金属主要有铝、铜、钢、因瓦（Invar）等，目前使用最多的是各种铝合金（从1000系列到9000系列），各种金属的导热性能和膨胀系数表1 。

表1 金属的导热系数和膨胀系数

注：表1中的铝是指合金铝，纯铝太软不便使用和加工，而1000系列到9000系列的铝合金由于含有其它不同金属（锰、锌等）和含量而得到不同性能（如导热系数、韧性、耐腐蚀等差异）的产品。

金属基印制板的导热系数大多在（1.0～6.0）W/m•K之间，铝基印制板的导热系数为（1.0～3.0）W/m•K之间，而铜基印制板的导热系数为（4.0～6.0）W/m•K之间，但是铜的比重、是金属铝4倍多，形成的PCB产品太重、加工较困难（铜的韧性大）、成本也较高，所以在大多数情况下选用铝基板。同时，由于金属是导电体，金属与印制板介质的界面之间需要一层绝缘介质 ，大多采用环氧树脂层，其导热系数低（0.15 W/m•K），厚度不能太薄（80～100 μm），正是这层绝缘介质的导热性能和厚度决定着金属基印制板的导热性能。

在各种性能上分析：从导热性看，铝合金的导热系数比铜约低一倍，但铝比钢、因瓦等却高出近15倍～70倍之多；从比重来说，由于铜的密度很大，不利于轻量化，而铝（含铝合金 ）的密度比铜低三倍以上，比钢、因瓦等也低两倍多； 从价格等上看，铝比铜和因瓦等低；从加工性看，铝比铜的加工性更好。因此，从导热、轻量化和成本等全面权衡结果，除特殊要求外，一般都采用铝基印制板。

2 金属基印制板的结构

金属基印制板是由“金属板+导热性绝缘层+印制板”而组成的。金属基印制板可分为：（1）金属基单面板，即金属基的一面只有一层的印制板，大多是由单面覆铜箔的金属基材直接加工而成；（2）金属基双层板，即金属基的一面连接着双层板；（3）金属基多层板，即金属基的一面连接着多层板。

2.1 单面覆铜箔铝基材

单面覆铜箔铝基板是由“铝合金板+导热性绝缘层+铜箔”制成的。如图1所示。

2.1.1 铝合金板材

作为PCB基材不用纯金属铝材，是因为纯铝的硬度低，尺寸稳定性差，机加工困难，大多采用铝合金基材。

（1）铝合金材料。

铝合金是指其组成中除了大量铝以外，还含有数量不等的Cu、Si、Mg、Zn、Mn、Ni、Fe、Ti、Cr、Li等少量金属。由于加入这些微量金属的组成不同将改变铝合金的性能（如硬度、导热率、耐腐蚀、耐磨等等），从而形成了1000系列、2000系列一直到9000系列的不同特性，供用户选择。

（2）铝合金的表面处理。

用于覆铜箔铝基材的铝合金的表面必须经过处理，主要是形成极薄的氧化层，提高导热绝缘层结合力，另一方面保护铝化的表面和美观。

大多数铝合金表面处理是形成铝阳极氧化膜，它是把铝合金为阳极置入电解质溶液中，利用电解作用使铝合金表面形成氧化铝薄膜的过程。阴极在电解液中是稳定的材料，如Pb、不锈钢等。铝合金阳极氧化的实质是水电解的原理：在电解电流通过时，阴极会释放出氢气（H2），在阳极将析出氧气（O2）、原子态氧（[O]）和离子态氧（O3-2），这就是说有一部分的氧气（O2）析出，另一部分的原子态氧（O）、离子态（O3-2）使阳极上的铝合金表面发生氧化作用，并形成无（不含）水的氧化铝膜。

一般来说，铝合金阳极氧化是在酸性（如硫酸或草酸等）、不同组成和电解参数条件下进行的，因此得到的膜厚度（5 μm～150 μm）、颜色（透明、黄色、灰色、黑色等）、性能（普通膜、硬质膜、光亮修饰膜等）是不同的，可根据需要和爱好进行选用。

图1 单面覆铜箔铝基材

2.1.2 导热性绝缘层

导热绝缘介质层是最关键的，对它最主要的要求是：首先是高导热的，在提高导热性能的同时要使其厚度尽量薄些，才能更好的导热；其次是好的绝缘性能，因此要求有保障的厚度，在满足绝缘性能下，一般厚度在80 μm～100 μm之间，太厚影响导热率，太薄影响绝缘性能。导热性能要求的厚度和绝缘要求的厚度是矛盾的，大多采用折中办法，即在保证绝缘性能安全的基础上的最小厚度。

铝基印制板内部的热量主要是通过导热绝缘层传导到铝基而散发出去，把PCB内介质层的温度降下来。这个绝缘层大多是采用导热性好（加入导热性陶瓷粉末）的环氧树脂材料，由于绝缘层组成和厚度不同，其导热系数一般在（1.0～6.0）W/m•K之间（注：铝基的黑氧化层是铝通过黑氧化处理而得到的，当然也可以进行其它铝氧化方法得到其它的颜色，其目的是保护铝的表面和美观化）。 导热性绝缘层大多是采用环氧树脂，因为环氧树脂中含有两个活泼的环氧基团，可与多种固化剂进行固化，在一定厚度下可获得不同程度的绝缘性能 。

目前有报道提出通过改变高分子聚合物的结构，使其晶格“有序化”或“液晶化”，大大提高有机绝缘材料的导热系数，达到（1.0～13.0）W/m•K之间。尽管目前还是试验产品，但无疑十分值得期待！

2.1.3 铜箔

在PCB行业中的CCL是采用电解铜箔，Cu含量在95%以上，目前的铜厚度大多在18 μm以上（如18 μm、35 μm、70 μm等），还有薄铜箔（8 μm、12 μm）和甚薄铜箔（3 μm～5 μm）。铜箔除了厚度外，其类型也很多，若按性能分有：标准铜箔、高温高延伸性铜箔、高延展性铜箔、耐转移铜箔、低轮廓铜箔和超低轮廓铜箔，需根据金属基印制板的性能要求进行选用。

2.1.4 铝基层压板基材

把处理好的铝基板、高导热绝缘层材料和铜箔按序叠好进行高温（温度应大于绝缘树脂的Tg温度50 ℃以上）下真空层压，然后进行裁剪形成“在制板”。

2.2 金属基印制板

金属基印制板可分为金属基单面板、金属基双面板和金属基多层板，其特点是仅靠金属一边（面）的导热绝缘层和金属板来导（散）热。从其效果看，金属基单面板还不错，而金属基双面板较差，并且随着金属基多层板的“层数”增加，其导热效果会越来越差和越来越不均匀，所以金属基印制板绝大多数是采用金属基单面板结构，可以想像，金属基多层板的导热性能比金属芯印制板要差得多！

2.2.1 金属基单面板

这是指金属基的一面只有一层印制板的结构，大多是由单面覆铜箔的金属基材直接加工而成的。当然也可以用处理好的金属基、导热绝缘层和铜箔经过热压形成单面覆铜箔的金属基材，然后再加工而成。铝基单面板的结构如图2所示。

图2 铝基单面板

2.2.2 金属基双面板

这是指金属基的一面有两层印制板的结构，其制造方法：（1）直接采用单面覆铜箔铝基材上形成铝基单面板，然后用积层技术（RCC）或加半固化片和铜箔进行高温真空层压，再进行印制板工艺加工形成；（2）采用先形成双面板，然后与表面处理（铝氧化）的铝基板和导热的绝缘树脂层层压在一起，最后加工形成金属基双面印制板。

2.2.3 金属基多层板

这是指金属基的一边具有多层的印制板，如图3所示。

图3 铝基四层印制板

铝基四层印制板的制造方法：（1）在单面覆铜箔的铝基材上，采用积层技术（RCC,涂树脂铜箔）来形成的[4][5]；（2）采用先形成四层的“埋/盲孔”板，然后与表面处理（铝氧化）的铝和导热的绝缘树脂层层压在一起，最后加工形成的四层金属板。

实际上多层的金属基印制板，其导热是通过导热性差的PCB内部多层介质的传热到底部的金属铝上，再把热量散发出去，是个“少、慢、差”的过程，试验表明其导热是不佳。同时，“多层板”与金属基之间的连接是采用“导热的绝缘胶”（在环氧树脂中加入导热陶瓷粉料改善导热性），其导热系数很小，正如前面所述这种导热绝缘层与铝基板的导热“加权和”才（1.0～3.0）W/m•K之间，所以多层PCB的导热不采用金属基结构。

在目前情况下，大多是采用单面覆铜箔的金属基材加工成单面金属基印制板，很少用两层以上的金属基印制板。实际上两层以上的金属基印制板还不如采用“金属芯”的印制板，其导热性能更好。同时，金属芯的印制板的金属是埋置在介质层内，其加工过程也简单许多。因此，金属基印制板绝大多数是金属基单面板为主体，主要应用于照明用的发光二极管和的大功率元器件的场合。

3 金属基印制板的应用

铝基覆铜板最早是1969年日本三洋国策发明，1974年应用于STK（Sim Tool Kit，用户识别应用发展工具）系列的功率放大混合集成电路。上世纪八十年代后期我国也开始研制生产，主要应用于军事、国防和电子（主要是汽车电子）、电力等领域。

3.1 金属基单面板为主体的原因

金属基印制板的导热效果主要是由“高导绝缘层”的导热系数来决定的，而不是由金属基的导热系数来决定的。大家知道，金属铝、铜的导热系数很高，分别为（380～410）W/m•K和（200～240）W/m•K，但是它们所形成的单面金属基印制板的导热系数只能在（1.0～6.0）W/m•K之间，实际上大部分是在（1.0～3.0）W/m•K之间，并不是分别由印制板、导热绝缘层和金属板的导热系数简单“加权和”的结果，而主要是导热绝缘的导热系数和厚度来决定的。因此提高导热绝缘层的导热系数和减小导热绝缘层厚度是提高金属基印制板导热性能的主要途径。

目前大多数的导热绝缘层是由环氧树脂、导热填料和添加剂（分散剂、固化剂、偶联剂等）来组成的。由于环氧树脂的导热系数很小（0.19 W/m•K左右），而添加的导热粉料（陶瓷粉料、如氧化铝等）加入量有限，因此提高整体导热绝缘层的导热系数也是有限的。至于减小导热绝缘层厚度，尽管金属基印制板的导热系数是与导热绝缘层厚度成反比的关系，但是为了保证导热绝缘层的绝缘性能，导热绝缘层的厚度不能太薄，一般要控制在（80～100）μm范围，否则会被电压击穿的危险的方法，因此由减小导热绝缘层厚度而提高导热绝缘层的导热性也受到了限制。要想获得高导热性金属基印制板，只能采用单面金属基印制板，采用两层或多层的金属基印制板的导热性能是不理想的，或印制板内介质层的热分布是不均匀的，会带来性能变坏（如内部热应力不均匀或翘曲等）。这就是为什么金属基印制板大多数是属于单面金属基印制板，并广泛应用于照明LED（发光二极管）上的原因。至于两层或多层的导热印制板最好是采用金属芯导热印制板，不仅其导热性能好且均匀，同时制造加工容易得多！

3.2 金属基印制板的应用领域

目前，具有环保和省电的白光LED已成为照明市场的主流，或将成为21世纪最具潜力的照明光源，从而使单面金属（铝）基板得到广泛应用。因为LED的发光效率（功率转变为光的分量）为15%～25%之间，其中75%～85%转变为热量，此时LED的结温（Tj，即半导体LED中的P-N结点的温度）就会升高，其发光效率下降、使用寿命缩短，所以必须控制结温（Tj）温度（一般要≤95 ℃）并稳定。如以一个10W的LED灯为例，在正常条件下，按20%的发光效率计算，则有2W转变为光能，而8W转变为热能，温度升高是非常快速的，这就需要尽快把热量传导出去。否则必然导致发光效率下降、寿命缩短。如表2所示。

表2 10 WLED的结温（Tj）与发光效率、寿命的关系

注：设计结温（Tj）不能设计的最大的结温（Tjmax=95 ℃），一般Tjmax≤80 ℃，所以大多数照明用的LED的功率≤10 W，因此大多数采用铝基印制板。

对于大功率照明（如汽车）的LED和大功率领域的应用，应该采用更高导热系数的印制板，如覆铜箔陶瓷基板来形成高导热的印制板。由于陶瓷介质是高的导热体和好的绝缘体，所形成的印制板的铜导体是直接贴连在陶瓷表面上而快速地把热量传导出去，保证印制板具有较低的工作温度，因此采用高导热绝缘介质层的印制板（如陶瓷印制板）将是发展的方向。

参考文献

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[2]祝大同. 散热基板市场增大对PCB产业发展的驱动[J]. 印制电路信息,2011,(2):6-11.

[3]纪成光,高 斌,肖璐等. 高导热板材PCB产品开发[J]. 印制电路信息,2013,8:24-31.

[4]辜信实主编. 印制电路用覆铜箔层压板(第二版)[M]. 北京:化学工业出版社,412-425.

[5]林金堵,梁志立,邬宁彪等. 现印制电路先进技术(第三版)[M]. 中国印制电路行业协会,印制电路信息杂志社PCI,2013,上册57-124,312-320.

[6]刘振蒙,陈毅龙,谭小林,巫延俊. 铝合金阳极氧化技术及其在铝基覆铜板中的应用[J]. 印制电路信息,2015,3:203-208.