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国内外铝基板的现状以及差距

     国内从20 世纪80 年代末期由国营第704 厂开始率先研制铝基板,很快有商品化产品面世。当时主要应用于STK 系列功率放大混合集成电路,摩托车以及汽车电子等领域,为相关产业的发展作出了贡献。经过将近20 年的发展,我国铝基板的发展步入了快速发展的轨道。据有关数据统计,目前国内从事铝基板生产企业大约接近上千 家。

        近两年来,大功率LED 照明顺应了节能环保的潮流,获得高速发展,为铝基板的快速增长注入了强大的推动力,一时之间,全国各地掀起了铝基板的风潮。在此,着重分析一下LED 所用铝基板的状况。

        事实上,LED 在市场上已经应用很长时间了,其应用领域主要集中在掌上电脑(PDA),手提电话,以及其他消费类电子市场。这些产品的寿命相对较短,LED 的寿命不是主要问题,因为在LED 寿命到期之前,这些产品就已经报废或过时了。随着近年来LED 设计和工艺技术的不断进步,推动LED 的亮度不断提高,以便与白炽灯,荧光灯,甚至卤素灯展开竞争。像大多数电子器件一样,热量也是LED 的最大的威胁。尽管多数人认为LED 不发热,其实相对于它的体积来说,LED 产生的热量是很大的。热量不仅影响LED 的亮度,也改变了光的颜色,最终会导致LED 失效,因此,为了防止LED 热量的累积正变得越来越重要。保持LED 长时间的持续高亮度的关键是采用最先进的热量管理材料,采用高导热性能的铝基板就是其中的要素之一。

     LED 产生的热量通过绝缘层传导到金属基板,再经过热界面材料传导到散热器,这样就能将LED 所产生的绝大部分热量通过对流的方式扩散到周围的空气中。然而大多数的铝基板绝缘层具有很小的热传导性甚至没有导热性,这样就使得热量不能从LED 传导到散热片(金属基板),无法实现整个散热通道畅通。这样,LED 的热累积很快就会导致LED 失效。而具有高导热性绝缘层的铝基板,就很好解决了这个问题。从而确保LED 最低的运行温度,最亮的亮度,以及最长的使用寿命。因此,选择具有高导热性能的铝基板对LED 来说至关重要。

       同样1W 的LED,使用不同的导热性能的铝基板,让LED 维持在50°C运行,三种不同导热性能的铝基板所带来的LED 光通量对比。通俗一点的说法就是,热传导能力差的铝基板,LED 的输入的电流大小受限制,电流太大,LED 的发热量无法及时散发出去,温度很快就会超过 50°C,因此就只有降低电流,这样LED 的光通量就急剧减小,无法达到额定的输入电流。而导热性能越好的铝基板,因为热的扩散性好,即使输入更大的电流,温度仍然可以维持在50°C,这样LED 的光通量自然就提高了。

        面对LED 快速发展这个难得的机遇,我们必须清醒的看到, LED 的发展目前在国内比较混乱,相关的标准、法律、法规等尚未健全。国内铝基板目前在LED 行业的应用还仅仅限于低端领域。因为所用铝基板的热传导性不佳导致大功率LED 设计寿命大大缩短,光通量达不到要求,已经是不争的事实。同时,铝基板作为LED 行业的一个新材料,部分LED 客户群体对此材料所知有限,由此引发的照明工程、照明器具等质量纠纷和投诉与日俱增。目前,国家有关部门已经开始加紧制定LED 照明相关标准,国内铝基板行业依靠低价格获取市场的时代即将结束了。如果不尽快提高铝基板的热传导性能,那么将会面临失去市场的风险。

      目前国内的众多铝基板生产厂家,因自身的人才、技术、设备、材料和资金等各方面因素的制约,无力进行铝基板系统和持续的研究和改进。与国外同行之间的技术和实力的差距有扩大的趋势,令人担忧。

      国产铝基板绝缘层基本上都使用了商品化的FR-4 半固化片(1080)(导热系数仅为0.3-0.8/m-K),该绝缘层之中没有添加任何的导热填料,因此,这种铝基板的热传导性能较差,不具备高强度的电气绝缘性能。国内目前在铝基板所用导热填料的选型,导热填料的预处理,导热填料和改性环氧树脂的配方研究,以及如何保证导热填料均匀的分布于绝缘层之中,目前尚没有进入实质性研究阶段。

       国外高档次的铝基板,绝缘层、铜箔和金属基层这三者之间的热膨胀系数(CTE)的匹配性好,很好解决了焊接过程中温度循环导致的金属基线路板(MCPCB)的翘曲问题,以及可能由此所导致的焊缝开裂等隐患。特别是如何解决厚铜箔(4oz 以上)铝基板的翘曲问题,我们与国外厂商的差距更加明显。据一个DC/DC 电源客户反映,他们在使用Bergquist 铝基板(铜箔4oz,绝缘层75μm,铝板1.57mm)加工PCB 过程中,刚刚做完热风整平工艺(HASL),MCPCB 翘曲较大,但降至常温以后,MCPCB 的翘曲就恢复到工艺设计值。而国内的铝基板,因HASL 工艺导致的翘曲不可逆。

    性能的差距

        经过我们多次测试,Bergquist 能够将铝基板绝缘层的厚度公差控制在±2μm,这就保证了铝基板厚度和导热能力的均一性。说明他们的涂胶设备的精准度很高。同时也说明他们的绝缘胶流动性很小,但又能保证粘接和其它性能的完美,说明他们的配方的研究很深入。

        国内铝基板绝缘层的厚度,相差±10%都是一个正常的指标,这必然导致铝基板热阻、绝缘强度存在较大的起伏。从而对器件的质量性能参数产生较大的影响。在一些领域,因为使用条件苛刻,国产铝基板难以胜任。特别是长时间在高温条件下(140℃),能够保证铝基板的机械性能、电绝缘性能和其它相关性能仍然能够满足器件的需求,是衡量铝基板质量稳定性的一个重要指标。Bergquist 的LTI 和MP 系列铝基板能满足130℃一下长期使用,特别是HT 系列产品,能够承受140℃长期使用。Bergquist 能够在每一款铝基板新品投放市场以前的12~18 个月,进行长期的极为严格的湿热老化试验,以验证其机械性能、电绝缘性能和其它性能的变化趋势。这一点,我们国内目前还做不到。

        铝基板目前尚没有相关的国际标准,其电绝缘性能和机械性能的测试主要比照FR-4 所采用的IPC(美国电子电路互连和封装协会)、ASTM(美国材料与试验协会)和IEC(国际电工委员会)这三个标准。而铝基板的热性能参数的测试方法就显得比较混乱。据我们了解,国际上几个著名的铝基板生产商(如The Bergquist,NRK 和DENKA),对外公布的热阻测试方法都采用了TO-220方法,导热系数主要依据ASTM D5470(薄导热固体绝缘材料热传导性标准试验方法)方法测试。

        我们发现众多的铝基板生产厂商,在彼此铝基板实际导热性能指标相差不大的情况下,各自的标示值差异却极大,这就存在很大的误区。必然导致标示热性能数据更为“优秀”的生产厂商的铝基板更易获得客户的信任和认可,从而误导客户。造成这种问题的主要原因是,热阻和导热系数的测试方法没有统一的标准,当然还有部分生产商恶意夸大自己的导热性能参数,这是极不道德的商业行为。特别是国内部分不良的铝基板生产商,从他们对外公布的铝基板导热性能“指标”来看,已经“完全达到”甚至“远远超过”了国际先进水平。这种混乱的状态,亟待整治。否则,将对整个客户群体和铝基板行业造成极大的伤害。

         铝基板 PCB(MCPCB)的加工与FR-4 PCB 的加工有很多相似之处,也能共线生产,但是,MCPCB 的加工还是有其独特的地方,这往往会给MCPCB 的加工带来一定的麻烦甚至风险。

        国内近几年PCB 加工能力和加工水平有了相当大的飞跃,但是,PCB 行业的长足发展给MCPCB的加工带来的好处有限。单纯从MCPCB 与FR-4 PCB 的加工量相比,是几个数量级的差别,因此,那些真正有实力的PCB 加工厂商,对于MCPCB 的加工没有给予足够的重视,反倒是那些中小规模的PCB 厂商,在充当MCPCB 加工的主力,但是不能保证MCPCB 的品质。这是困扰铝基板发展的一个很大的障碍。

      铝基板往往应用于功率器件,功率密度大,所以铜箔比较厚。特别是电源和电力电子行业,经常会用到3oz 以上的铜箔。厚铜箔的蚀刻加工需要工程设计线宽补偿,否则,蚀刻后线宽就会超差。但线宽补偿是需要经验的积累,这对于那些中小型的PCB 厂商来说,是一个考验。同时也易产生残铜的问题。如果用机械的方法去剔除残铜,往往会损坏绝缘层,而如果绝缘层一旦受到损伤,MCPCB 的耐压就无法满足设计的要求。

¨ 铝基板的铝基面(背面)在PCB 加工过程中必须事先用保护膜给予保护,否则,一些化学药品会浸蚀铝基面,导致外观受损。常见的就是发黑,失去光泽,且无法恢复,严重影响美观。但是,保护膜极易被碰伤,造成缺口,这就要求整个PCB 加工过程必须插架,任何操作都需小心谨慎。

¨ 因为铜箔比较厚,蚀刻以后,印阻焊相当困难。对于跳印、过厚过薄都会严重影响外观,这也是令业界比较头疼的麻烦之一。

¨ 外观成型是 MCPCB 加工的另一个难关。因为铝比较软,不论钻、数控铣或者V 割,都会有粘刀的现象。因此,MCPCB 加工,对于钻床、数控铣床同样有特殊的要求,尽量使用钻石刀具比较理想。即使是模具冲切,也对模具的加工和设计技巧要求比较高,冲床冲切的方向也有特殊的要求,否则易产生毛刺,导致断面不平滑严重者会加剧MCPCB 的翘曲。外观成型另一个隐患是极易损伤铝基面,造成外观缺陷,客户难以接受。因此,MCPCB 加工全流程保护铝基面不被碰伤,不被化学药品浸蚀,是MCPCB 加工的难关。若控制不当,极易因此造成较高比例的坏品,从而造成经济损失。近几年,国内MCPCB 数控铣的能力大有提高,解决了打样或者小批量订单的加工需求。但高档次的V 割机因为价格昂贵,拥有数量较少,即使拥有高档次的V 割机,也担心V 割铝基板对设备造成损伤,大多拒绝一试。而使用普通V 割机,毛刺难以满足要求。

¨ MCPCB 设计不合理,板面脏污,孔和铝基边缘有毛刺、线路锯齿、绝缘层受损,都会导致耐高压测试难以通过。

¨ 白色阻焊经过热风整平工艺(HASL),特别是无铅喷锡(Lead-free HASL)以后,白色阻焊黄变的问题一致没有得到很好的解决。部分LED 灯具要求白色阻焊达到75%以上的反光率,就很难实现。

 同时,国内铝基板的价格战此起彼伏,恶性竞争,导致企业利润微薄,缺乏发展的后劲和潜力,现状令人堪忧。

        随着中国经济的迅猛发展,中国庞大的市场需求推动了铝基板销量跳跃式增长。同时,中国作为一个新兴的制造业大国,各种行业的上游和下游的可用资源相对集中,吸引了众多的跨国公司在华设厂,以求降低成本,占领市场。因此,未来几年,国内对铝基板的需求将愈加强劲。但对铝基板的综合性能要求会不断的提升,面对这个历史性机遇,中国的铝基板产业如何创新,如何摆脱低水平产业结构,如何崛起,如何赶超世界一流水平,值得我们大家深思。以下观点仅供各位同仁商榷。

1、发展壮大我国铝基板的市场条件已经基本具备、时机已经成熟,国家相关部门以及有实力的公司应加强对铝基板产业的投入,促进技术研发,科技创新、工艺完善,抓住有利时机发展壮大我国的铝基板产业。

2、有条件的话,与国外有实力的公司进行合作,积极引进,消化吸收,快速缩小我们与世界先进水平的差距。

3、加强整个产业链的衔接,特别是后续PCB 的加工,在此呼吁有远见的PCB 加工企业,积极投身到MCPCB 加工的技术研究和更新中来。

 

 

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