基本信息
- 项目名称：
- LED用高热导异型金属基电路板
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品针对这大功率LED散热困难的问题，拟通过采用创新合理的工艺技术，以较低的成本制备出高热导金属基电路板，并将其直接在散热器上压制，通过提高系统电路板的热导和增强系统电路板与散热器之间的热传递，解决LED封装散热的难题。我们采取了在绝缘层中复合添加高热导纳米陶瓷颗粒的方法，有效的提高了金属基电路板的本身的散热能力；我们还设计了一种特殊的热压工艺予以成功解决异型金属基电路板制备的问题。
- 详细介绍：
- 金属基电路板热导的提高 金属基电路板主要包括金属板、绝缘层和铜箔。由于金属板和铜箔的导热性能已非常良好，所以绝缘层的导热能力是影响铝基板应用的关键因素。金属基电路板的绝缘层主要由树脂体系和导热填料构成。其中，树脂体系的导热能力较差，所以，基板导热性能主要取决于导热填料本身的热导和含量。 本作品中通过在树脂基体中复合添加纳米高导热填料碳化硅、氧化铝、二氧化硅来提高基板绝缘层的导热能力。与传统导热陶瓷粉体相比，纳米级填料的散热效果更好。本作品中重点研究了填料种类和比例对基板绝缘层性能的影响，优化了填料配方。通过红外测试和散热实验分析了基板的散热效果，实验结果显示树脂与纳米导热填料用量比大约在100:35至100:45之间时，基板导热效果提升最为明显。而采用多种导热填料复合填充到树脂基体中的导热性能要优于单一种导热填料。当绝缘层采用树脂: SiC: Al2O3: SiO2=100:30:5:5比例配制时，基板导热效果最佳，实际测试热阻小于0.65℃/W。 异型金属基电路板的直接压制 当前，市场上的普通平板金属基电路板多采用平板压机在高温真空下直接压制而成。该方法的优点是压制的电路板的铜箔和金属基板粘合良好，缺点是速度较慢，生产效率不高。而要减少金属基板和散热器直接的热阻，一个可行的方法是将印制电路板直接压制散热器上。但这种方法面临着一个问题，那就是散热器的形状一般不是简单的平面，采用传统的压制方法制备较为困难。其他方法则普遍面临着成本较高的问题。 为了解决异型金属基板制备困难的问题，本作品中设计了一种专门针对异型金属基电路板的热压工艺，使试样的金属基板和铜箔在各个接触面上受到的压力是均匀的和大小一致的，保证样品表面无划痕、凹坑，不产生毛刺。通过合理的调整施加到样品上的压力的大小和温度的高低，保证了金属板和铜箔的粘合良好，不开裂。与传统工艺相比，该方法解决了异型金属基板制备困难的问题。此外，该方法还可以应用于普通的平板型金属基板，其成本更低，合格率更高，适合大批量生产。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本作品的设计目的在于通过解决大功率LED的散热问题，从而减少全球照明耗电量，达到节能减排的效果；创新单在于在高热导添加剂的选择和合理的调配方面作品在环氧树脂中分别添加了纳米级高导热填料氧化铝、碳化硅、二氧化硅，以提高基板绝缘层的导热能力；在压制金属基电路板的设备的设计方面，作品中设计了一种专门针对异型金属基电路板的热压工艺，使试样的金属基板和铜箔在各个接触面上受到的压力是均匀的和大小一致的，保证样品表面无划痕、凹坑，不产生毛刺。通过合理的调整施加到样品上的压力的大小和温度的高低，保证了金属板和铜箔的粘合良好，不开裂。作品中的工艺与传统工艺相比，大大降低了异型金属基板的生产成本，提高了样品合格率，性价比极高。此外，该方法还可以用于制备普通的平板型金属基板，其成本更低，合格率更高，适合大批量生产。本作品的主要技术指标（1）热阻：<0.65℃/W；（2）功率/面积：>1.5W/cm2；（3）单片封装的LED模块功率范围：1-100W。
科学性、先进性
- 本项目基于金属基板的基础上，从两方面进一步提高该基板散热性能，在发挥金属基板的优势的基础上，弥补其不足。一是通过向绝缘层中添加纳米颗粒的方法提高金属基板本身的散热能力，二是采用完全自主知识产权的异形金属基板压制工艺，将印制电路板直接压制在散热器上，减少金属基板和散热器之间的热阻。该技术的成功，可以解决单只1-10瓦大功率LED封装中的散热问题，生产出1-100W单片封装的LED模块，促进LED模块化产业的发展。该项技术在国内外尚属首创，为实现大功率LED金属基板封装提供了技术支持，具有广阔的应用前景并能产生巨大的经济效益。
获奖情况及鉴定结果
- 2011年4月6日 杭州电子科技大学 校内评比二等奖
作品所处阶段
- 项目作品已经实验室培育完毕，进入中试阶段。部分样品经多家LED企业试用，普遍反映效果良好。
技术转让方式
- 专利实施许可
作品可展示的形式
- 图片、实物展示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本项目设计的高热导异型金属基电路板的应用前景广阔，可以解决LED封装的散热问题，对提高LED照明的稳定性和寿命，促进LED照明产业的发展具有重要的意义。另外，该项目作品还可以应用在其他高功率或结构复杂性高的设备中，可以解决大功率器件的散热问题和满足设备结构的特殊要求。 由于本项目中高热导异型金属基电路板成本较低，性价比高，具有巨大的推广价值，可以取得良好的经济效益。该项目一旦形成产业，初步估计几年内产值即可达几千万以上。
同类课题研究水平概述
- 钱立成, 金伟国, et al. (2009). "铝基覆铜板用铝板的表面处理工艺." 印制电路信息 No.192(06): 19-20. 谭炳权 and 吴纪华 (2007). 一种铝基覆铜箔层压板以及制造工艺. 中国发明专利. CN 101068452A. 师剑英，高艳茹 (2001). "铝基覆铜板的发展及其技术要求." 印制电路信息(02): 17-21. 顾平 (1999). "铝基PTFE覆铜板机加工工艺." 电子机械工程(02): 60-64. Thermal managemet of golden dragon LED[N] .Opto Semiconductors 7,2002. Curran J A , Clyn T W. Thermophysical properties of plasma electrolytic oxide coatings on aluminium [J] Surface and Coatings Technology,2005,(2-3):168~176. 李腾,刘静.芯片冷却技术中的微纳米材料与结构的研究进展[J].微纳电子技术2004,41(8): 21~37. J.Schutze,I.Herman,R.F.Wolfgang et al.An Integrated Micro Cooling System for Electronic Circuits[J],IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2001,48(2): 281~285. Z.X.Bi, Y.D.Zheng, R.Zhang, et al. Dielectric properties of AlN film on Si substrate[J]. Journal of Materials Science, Materials in Electronics, 2004, 15:317~320. Carl Zweben.New Material Options for Light Emitting Diode Packaging.Proc.of SPIE,2004,5366:173~182.
