高导热铝基板设计指南：选材、结构、工艺，破解新能源模块过热难题！
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211、985硕士，职场15年+
从事结构设计、热设计、售前、产品设计、项目管理等工作，涉足消费电子、新能源、医疗设备、制药信息化、核工业等领域
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本期给大家带来的是关于铝基板散热设计规范及应用案例研究内容，希望对大家有帮助。
之前设计过一款95%高效率专门为新能源车设计的水冷式车载直流转换器，透过全密封设计，水冷却方式，防护等级达到IP66标准。功率密度高达16.2W/inch^3，符合ROHS标准，无铅设计，绿色环保。
外部设计概览图
内部设计概览图
由于当时部分元器件的损耗过高，所以我们采用MCPCB的散热方式。在Flotherm的建模如下图所示，
在变压器的底部，采用的是2mm厚度的导热系数K为3w/m*k的导热垫片与底部水道基面接触进行热传导。MCPCB1、MCPCB2分层材料设计如下图所示，
MCPCB1图示
MCPCB2图示
结合整体水道设计，采用水冷的散热方式，模块整体热管理达到设计要求，各关键元器件的温升在设计要求范围内。
那么接下来，我们了解一下MCPCB及其设计规范
铝基板介绍
热量是 LED 和其它硅类半导体的最大威胁。随着电子工业的飞速发展，电子产品的体积尺寸越来越小，功率密度越来越大，解决散热问题是对电子工业设计的一个巨大的挑战。铝基板无疑是解决散热问题的有效手段之一。
与传统的 FR-4 相比，铝基板能够将热阻降至最低，使基板具有极好的热传导性能；与厚膜陶瓷电路相比，它的机械性能又极为优良。此外，铝基板还有如下独特的优势：
符合 RoHs 要求；
在电路设计方案中对热扩散进行极为有效的处理；
降低模块运行温度，延长使用寿命，提高功率密度和可靠性；
减少散热器和其它硬件的装配（包括热界面材料），缩小模块体积，降低硬件及装配成本；
取代易碎的陶瓷基板，获得更好的机械耐久力。
铝基板是一种有良好散热功能的覆铜板，它由独特的三层结构所组成，分别是电路层、导热绝缘层和金属基层。
铝基板的工作原理是：功率器件表面贴装在电路层，器件所产生的热量通过绝缘层传导到金属基层，然后由金属基板扩散到模块外部，实现对器件的散热。
线路层
线路层（一般采用电解铜箔，即 ED 铜）用于实现器件的装配和连接。与传统的 FR-4 相比，采用相同的线宽和相同的厚度，铝基板能够承载更高的电流。这是因为铜箔线路所产生的 P=I2R 的热损耗能被铝基板更快扩散出去。铜箔的厚度能够影响铝基板的热传导能力，增加铜箔厚度，能够提高铝基板的热传导能力。
绝缘层
衡量一款铝基板是不是真正拥有高导热性能，高绝缘性能，是不是真正属于高品质的产品，其核心在于高导热绝缘层的技术。
目前国际上高品质铝基板的绝缘层都是由高导热、高绝缘的陶瓷介质填充的特殊聚合物所构成。聚合物保障了绝缘性能，抗热老化能力以及高粘接能力。而陶瓷填充物则极大增强了导热性能和绝缘性能。该绝缘层不仅具有很高的绝缘强度，极低的热阻，能够承受长期热老化的考验，粘接能力优异，而且具备良好的粘弹性，能够抵抗器件焊接和运行时所产生的机械及热应力。
铝基板热阻是决定模块功率密度唯一的要素。铝基板热阻越小，有利于器件运行时所产生热量的扩散，这样半导体的结温就越低，模块的运行温度就低。因此，使用低热阻高导热性的铝基板可以提高模块的功率负荷，减小模块体积，延长使用寿命，提高功率输出。
铝基板绝缘层的厚度与热阻和绝缘强度成正比。铝基板绝缘层厚度加大，热阻就会增大，热传导能力降低，绝缘强度则相应提高；铝基板绝缘层厚度减薄，热阻相应减小，热传导能力增强，但绝缘强度相应降低。因此，功率模块使用什么厚度的绝缘层，首先取决于模块绝缘强度的需求。
金属基层
绝缘金属基板采用何种金属，主要取决于热膨胀系数，热传导能力，强度，硬度，重量，表面状态和成本。绝大部分的金属基板都采用了铝板作为金属基层。选用铝材的种类，主要依据机械加工工艺和成本的考量。
6061T6 是 Al-Mg-Si 合金，中等强度，有比较良好的切削性能，特别适合 CNC，V-CUT 加工，但价格昂贵。
5052H34 是 Al-Mg 合金，中等强度，具有良好的折弯性能，适应于模具（Punch）冲切成型价格适中。
1050H18 和 1060H18 是纯铝，导热性能优良，机械加工性能适中，价格低廉。
C11000 是纯铜， 1/4~1/2 硬度的纯铜最为适合，适合于模具（Punch）冲切成型，但对于机械加工来说有些困难。选择 C11000 的理由，常常首要的考虑是为了降低模块装配时的机械热应力。其次，铜的热传导能力强，是解决高功率模块散热问题的一个重要的选择。但是，价格非常昂贵。
2.应用领域
LED领域应用
电源领域应用
DC/DC 变换器因为受到尺寸和高的功率密度限制，使用铝基板是不二的选择。铝基板具有良好的热传导性，很好的机械平整度及机械一致性。我们能够提供DC/DC 变换器所需要的各种性能参数的铝基板。
电机驱动领域应用
电机驱动模块要求结构紧凑，具有高可靠性。这些都依赖于铝基板所能承受的功率密度的能力。因此，铝基板必须具备足够好的电气绝缘性能，以满足模块运行及安规测试的需要。只有具备高导热、高可靠性的铝基板，才能够满足电机驱动模块宽范围的需求。
另外，还有混合动力汽车、摩托车、汽车等方面的应用。
3.MCPCB设计规范
表面处理建议
典型的 PCB 表面处理方式同样适用于铝基板，这些方法都满足 RoHS 规范。这些方法分别是：ENIG（Ni/Au），OSP（有机保焊剂），浸银或锡以及无铅喷锡（lead-free HASL），目前标准的铅锡热风整平（HASL）业界还在使用之中。
MCPCB 表面处理用 OSP 处理以后可保证 3～6 个月的保质期，用 ENIG 或者 HASL可保证超过 1 年的保质期。镀层和 OSP 处理后的铜箔表面既薄又平整，能够保护铜箔表面不被氧化。ENIG 表面处理能够适应铝丝的绑定。
MCPCB 翘曲的原因分析
因为金属基层和线路层之间的不同的热膨胀系数（CTE），必然会导致金属基板产生翘曲。特别是当金属基层使用铝板，那么翘曲就更加明显。
一般来说，如果铜箔的厚度小于铝板厚度的10％，铝板将在机械性能方面占支配地位，铝基板的平整度将比较理想。但是，如果铜箔的厚度接近或超过铝板厚的10％，铝基板的翘曲将不可避免。
MCPCB 翘曲程度也取决于保留在 MCPCB 上铜箔的数量和线路的宽度，如果线路足够窄，因膨胀系数引起的应力就会消化在绝缘导热层中。