高导热型铝基覆铜箔板的研制_刘阳.pdf

2007 年第 2 期 覆铜板资讯 覆铜板、印制板技术 -26-高导热型铝基覆铜箔板的研制 国营七 O 四厂研究所 刘阳、孟晓玲 摘要：摘要：本文采用双酚 A 环氧树脂和高导热性无机填料制作了一种高导热型铝基覆铜箔层压板。该产品性能稳定，基本可以达到国外同类产品技术指标。关键词：关键词：环氧树脂、导热填料、导热系数。THE PREPARATION OF ALMINM SUBSTRATE COVER COPPER-CLAD LAMINATE ABOUT HIGH-TRANSMISSION OF HEAT(The research institute of 704th plant,Liuyang Mengxiaoling)Abstract:Abstract:The article is adopted bisphenolA epoxy resin and high-transmission of heat abio-filling and prepared an alminm substrate cover copper-clad laminate about hightransmission of heat.This productions have stedy performances and the same of foreign productions about main performance.Key words:Key words:epoxy resin,high-transmission of heat filling,transmit heat coefficient.1、引言 二十世纪九十年代，随着PCB向着高密度化布线和高热密度化方向发展，要求PCB基板材料具有高散热性，于是具有高散热性、良好机械加工性及高平整性的金属铝基板受到市场的推崇。其应用和用量不断增加，在世界发达国家尤为突出。以日本为例，1991年日本国内金属铝基板的生产总产值为25亿日元，到1996年增长到60亿日元，2001年增长到80亿元，可见其发展速度是相当快的。近几年随着电子产业的突飞猛进，对铝基覆铜箔层压板提出了更高、更新的要求。尤其是在一些大功率、高负载的电子元器件中，要求铝基覆铜箔层压板在100250温度下具有良好的机械、电气性能，于是高导热型铝基覆铜箔层压板便应运而生。2、高导热型铝基板的结构.高导热型铝基覆铜箔层压板由金属基铝板、绝缘层和铜箔组成。它是一种用于制造印制线电路板的特殊基材。其结构示意图见图 1。3.树脂体系方案设计 在高导热型铝基覆铜箔层压板中，由于金属铝和铜的导热性已非常良好，所以绝缘层的导热性直接决定铝基覆铜板的导热性。而绝缘层的导热性又决定于树脂体系和填料。因此高导热型铝基板的主要研究内容包括：树脂体系的研究(包括填料粒径大小分布与树脂混合工艺的研究)；高导热性填料的选择及性能研究；绝缘层制作工艺的研究。3.1 树脂体系的选择树脂体系的选择 高导热型铝基覆铜箔板的绝缘层树脂主要以制作覆铜板的树脂体系为主，表 1 是国内常用的几种树脂体系覆铜板的性能比较。由表 1 可知，导热性优良的树脂首先是 PI树脂，其导热性是目前高分子材料中导热性最好的材料之一。而且 PI 树脂在高温下，还具有良好的介电性能、力学性能、耐燃性、耐磨性、耐溶剂性及尺寸稳定性。但大多数 PI 树脂分子链中含有大量的芳杂环结构，这些结构的存在，降低了树脂的溶解性、增加了树脂的熔融粘度，提高了树脂的熔点，使得树脂体系的工艺性变铜箔高热传导层氧化膜铝板图 1 高导热型铝基覆铜箔层压板结构示意图 2007 年第 2 期 覆铜板资讯 覆铜板、印制板技术 -27-差。表 1 常用树脂体系覆铜板性能比较 性能 树脂体系 玻璃化温度(DMA 法)介电常数 击穿电压 Kv/mm 耐浸焊性 s/288 导热系数 W/mk PET 树脂 120 3.9 52 30 0.15 PI 树脂 250 4.1 50 350 0.38 环氧树脂 130 4.8 40 60 0.2 PPO 树脂 158 2.8 40 60 0.17 酚醛树脂 130 46 36 60 0.2 其次是环氧树脂和酚醛树脂，由于酚醛树脂脆性大，工艺操作性差，不予考虑。剔除了PI 和酚醛树脂，就剩环氧树脂了。环氧树脂以其优异的电器绝缘性，良好的粘结性、耐热性及化学稳定性等优点而被广泛应用，虽然其导热性较差，但可通过导热性优良的无机填料进行弥补，因此我们拟将环氧树脂作为高导热型铝基覆铜箔层压板用树脂。环氧树脂的种类很多，但在覆铜板行业中应用最多的是双酚A环氧树脂。在双酚A环氧树脂结构中，环氧基和羟基赋予树脂良好的反应性，使树脂固化物具有很强的内聚力和粘结力；醚键和羟基有助于提高树脂的浸润性和黏附力；苯环赋予树脂聚合物优良的耐热性和刚性。因此双酚A环氧树脂具有：能与多种固化剂、催化剂及添加剂形成多种性能优异的固化物，满足各种要求；树脂工艺性好，固化时基本上不产生小分子挥发物，可低压成型，能溶于各种溶剂；固化物具有很高的强度和粘结强度；固化物具有较高的腐蚀性和电性能；固化物具有一定的韧性和耐热性。3.2 填料的选择填料的选择 3.2.1 填料导热性的选择 双酚A环氧树脂尽管综合性能优异，但导热性相对较低，所以要显著提高绝缘介质层的导热性和介电性能，必须加入导热性和介电性能良好的无机填料。常见的无机填料的热学和电学性能见表2。表 2 常见的无机填料的热学和电学性能 材 料 热导率(25)(Cal/seccm)热膨胀系数 2530(10-6/)击穿强度 EvKv/mm 电阻率(25)cm 比重 g/cm3 电瓷(R2AI2O3SiO2)0.006 6.0 6.113 1014 2.4 锆英石(Zr2SiO2)0.012 4.34.8 6.311.5 1014 3.7 滑石瓷(Mg OSiO2)0.006 6.97.8 7.913.8 1013 2.8 镁橄榄石(2 Mg OSiO2)0.0060.01 10 7.911.9 1017 2.8 堇青石(2 Mg O2 AI2O35SiO2)0.0050.0072.22.4 5.59.1 1016 2.22.9 氧化铝(AI2O39099.9%)0.060.07 8.0 1015.8 1016 3.853.9 尖晶石(Mg OAI2O3)0.018 6.6 11.9 1014 2.8 莫来石(3AI2O3 2SiO2)0.01 4.35.0 7.8 1014 2.63.2 氧化镁(MgO)0.040.09 1013 8.511 1014 3.33.5 氧化铍(BeO9699%)0.40.7 79 9.513.8 1016 2.82.95 氧化锆(ZrO2)0.020.05 4.38.3 5 109 5.435.56 氮化硼(BN)0.040.07 4.5 35.655.4 1014 2.22.3 氮化硅(Si3N4)0.030.07 2.53.5 15.819.8 101314 3.23.4 氮化铝(AIN)0.480.72 4 15 1013 2.612.93 碳化硅(SiC)0.1 2.64.3 3.13.2 从表2可以看出，氧化铍、氮化铝、氮化硼、碳化硅、氧化铝、氧化镁等具有较高的导热性和介电性能，但氧化铍有毒，不予考虑。剩余其它几种材料可供选择。3.2.2 填料工艺性的选择 导热填料树脂的工艺性与填料的颗粒形2007 年第 2 期 覆铜板资讯 覆铜板、印制板技术 -28-状、比表面积、粒径大小、密度、吸油量、填充密度等一些物理性质息息相关。先谈颗粒形状，球形颗粒具有最高的堆积密度和均匀的应力分布，可增加熔融流动性和粉末流动性，从而降低粘度；立方体和片状颗粒具有较高的堆积密度和良好的增强性；树枝状颗粒有非常大的表面积，有利于发生相互作用；薄片状颗粒有较大的反射表面，有利于取向，且具有较低的液体，气体和蒸汽的渗透性；细长状颗粒具有较高的强度，可减少收缩和热膨胀，并可提高触变性；不规则颗粒不具有特殊的优势，但一般容易制造。再谈比表面积，比表面积与颗粒尺寸有关，利用颗粒尺寸可以了解填料是如何影响树脂的性能。如无孔大颗粒如金属颗粒、热熔融制造的颗粒和玻璃珠，比表面积最小；矿物填料颗粒，尤其是劈裂成光滑表面的矿物填料，有适当孔的小颗粒填料的比表面积属中等；颗粒尺寸很小，聚集体积和高孔隙率的矿物颗粒的比表面积最大。另外还有吸油量也是广泛应用的参数，用于表征填料对被填充填料的流变性质的影响，如果填料的吸油量低，则填料对粘度的影响非常小；中等吸油量的填料是有效的共增稠剂；非常高的吸油量的填料则可用作增稠剂和吸收剂。而当要降低体系粘度，增加体系的热传导率、热分散性和提高电导率，设计高密度和低密度材料等时，还必须了解填充密度。接近最大解填充密度时，材料的机械性能快速降低。根据以上对填料的综合分析，我们选用工艺操作性较强的氧化镁、氧化铝、碳化硅、氮化硼和氮化铝进行试验。3.3 填料的处理和用量填料的处理和用量 对无机填料需进行表面处理，经过处理的填料，与树脂可以有机地结合，这样不仅可以降低胶液粘度，减少溶剂用量，而且消除了界面影响，提高了工艺操作性，进而提高板材的各项性能。至于填料的用量，从理论上讲，填料用量越大导热性越好，但由于填料的粒径大小、颗粒形状、比表面积、吸油量等一些物理性质的差异，使填料在树脂体系中的用量有着较大差异。如氮化硼虽然有较高的导热性，且有极高的击穿强度。但其单独使用量不宜过多，因为氮化硼密度较小(2.25g/cm3)，(一般填料的密度大多在 3g/cm3左右),当氮化硼用量超过树脂体系的 40%时，树脂粘度增大、分布不均、混胶非常困难，虽然板材击穿电压有较大幅度的提高，但其热阻没有明显降低。而氮化铝，国内近几年才开始大批量生产，产品质量和稳定性有待考察，另外价格较贵，单独使用成本过高。氧化镁、氧化铝和碳化硅虽然导热系数比氮化硼和氮化铝小，但其价格便易，应用广泛，制造工艺成熟，而且填料的粒径大小、颗粒形状、比表面积、吸油量等一些物理性质可随意筛选，另外碳化硅是一种半导体，少量加入还可提高板材的防电晕性和击穿电压。因此将氧化镁、氧化铝、碳化硅和少量高导热性氮化硼和氮化铝按一定的比例混合进行试验。通过大量试验，发现当树脂与混合填料用量比超过 1：5 时，填料分散不均，胶液粘度增大，板材耐热性及剥离强度等性能下降。当树脂与填料量用量比小于 1：1 时，虽然工艺性良好，但板材的导热效果将会大幅下降。因此树脂与混合填料的最佳比是 1：35。4、绝缘层的方案设计与制作 4.1 绝缘层的设计方案绝缘层的设计方案 制作高导热型铝基覆铜箔板绝缘层通常采用的方法有流延法、刮辊法、丝网漏印等。由于我们设计的高导热树脂体系和以往的树脂体系相比，其固体含量大，粘度小，且具有良好的柔韧性可连续化涂胶。如果采用常规的涂胶方法，胶层厚度难以控制，尤其对35m铜箔来说，不能有效的、精确的控制胶层厚度，板铜箔 涂胶 烘焙 剪切 图 2 涂胶方法示意图 胶液2007 年第 2 期 覆铜板资讯 覆铜板、印制板技术 -29-材的粘结强度和耐浮焊就无法保证。经过反复比较实验，我们设计了如图2所示的连续化涂胶方法，操作方便，胶层厚度均匀，为下一步的压制成型打下良好基础。4.2 绝缘层厚度的确定4.2 绝缘层厚度的确定 涂胶根据胶液的粘度、固体含量和对胶层厚度的要求，用塞尺严格控制刮胶辊的间隙，确保左、中、右一致。对于常用的 35m 铜箔，胶层厚度控制为 110 m120m 较好。胶层太薄时，胶粘剂不能很好的浸润铝板和铜箔粗化面，会导致击穿电压下降。而胶层过厚，因流动性过大而导致铜箔外观凸凹不平。另外对于铜箔和铝板来说，其粗糙度较大，容易被浸润，所以胶层不必太厚。为保证产品质量及实验的可操作性，胶层厚度控制在120m10m为宜。5、结论 在研制过程中，对热阻、导热率、击穿电压、介电性能、表体电阻率、剥离强度、耐热性等性能进行多次试验，从测试结果看，该产品性能稳定，基本可以达到国外同类产品技术指标。自制高导热型铝基板与进口板的性能比较见表3。表 3 几种高导热型铝基覆铜板的性能比较 项 目 美 国 Bergquist 日本 TH-1 普通型(环氧玻璃布)高导热型铝基覆铜板抗剥强度 N/cm 1.5 2.0 1.9 1.5 平均热阻/W 0.65 0.7 2.1 0.7 导热系数(W/mk)1.3 0.3 1.14 耐浸焊性(288)大于 2min 大于 2min 0.5 min 大于 5min 表面电阻()1013 1013 1012 1013 体积电阻()1014 1014 1013 1014 击穿电压(KV)6 3.2 2 3.6 介电常数 5.56.0 7.7 4.6 5.56.5 6、结束语 笔者研制的高导热型铝基覆铜箔层压板虽然热阻和击穿电压等技术指标基本可以达到美国Bergquist公司的同类产品技术指标，但今后还应在已有的基础上继续寻找性能更好的高导热型填料和高导热型有机树脂，对高导热填料的粒径大小、颗粒形状、比表面积、吸油量等一些物理性质进行更深的研究，以便制作更高层次的导热型铝基覆铜箔板。参考文献 1.陈祥宝 高性能树脂基体 化工学出版社 2.功能材料及其应用手册 机械工业出版社 3.区英鸿 塑料手册 兵器工业出版社 4.祝大同 印制电路信息 金属基覆铜箔板 1998 5.李桂林 环氧树脂与环氧涂料 化学工业出版社 6.毕荣、杨琨超主编电子材料(科研开发、生产加工技术与质量监测标准适用手册)，金版电子出版公司 7.程斌、于运花、黄玉强译 填料手册(第二版)，中国石化出版社。天津盛世伟业电子材料有限公司天津盛世伟业电子材料有限公司 卧式浸胶机转让 卧式浸胶机转让 我司是生产覆铜板产品的专业厂家，现有日本原装卧式浸胶机生产线 2 条，烤箱总长 30 米，速度每分钟 30 米，由于调整产品结构，准备转让，有意购买者，请与我公司联系。联系电话：[phone] 联系人：唐国富