高導(dǎo)熱性玻璃布復(fù)合基板材料

1、高導(dǎo)熱性玻璃布復(fù)合基板材料覆銅板印制板技術(shù)覆銅板資訊2011年第4期高導(dǎo)熱性玻璃布復(fù)合基板材料編譯龔瑩由于電路基板上安裝的元件會(huì)發(fā)熱,為了提高基板的散熱效果,在玻璃布復(fù)合基板材料中大量填充粒徑不同的各種無(wú)機(jī)氧化物,以提高覆銅板導(dǎo)熱率,得到了加工性和耐熱性?xún)?yōu)異的覆銅箔層壓板.新型的覆銅板的導(dǎo)熱率超過(guò)1w,m?k,在新型覆銅板上安裝的發(fā)熱元件的上升溫度相當(dāng)于使用傳統(tǒng)的普通型環(huán)氧玻璃布覆銅板時(shí)的2/3.雖然在覆銅板的樹(shù)脂組成中采用了大量無(wú)機(jī)氧化物填料,但仍能確保與傳統(tǒng)產(chǎn)品同等的鉆頭磨損率.1.前言隨著電子線(xiàn)路向高密度化,高頻化推進(jìn),設(shè)備內(nèi)部的元件的密度增加,產(chǎn)生的熱量也相應(yīng)地增加,基板的散熱性越來(lái)越

2、重要.LED屬于低耗電,可以減少CO:的排放量,而且壽命長(zhǎng),節(jié)省空間,預(yù)計(jì)今后將會(huì)普及,但是如果進(jìn)一步提高LED的發(fā)光效率,增加壽命,就需要將散熱作為課題來(lái)進(jìn)行研究.散熱可利用熱傳導(dǎo),熱對(duì)流,熱輻射三種方式的物理現(xiàn)象進(jìn)行,但象LED,功率半導(dǎo)體那樣的局部產(chǎn)熱,使熱能夠有效地向外部逃逸,主要通過(guò)線(xiàn)路基板這樣的介質(zhì),利用熱傳導(dǎo)的方法進(jìn)行的.因此,安裝這些元件的線(xiàn)路基板,多使用導(dǎo)熱性?xún)?yōu)異的金屬鋁制成的金屬基板.但是與環(huán)氧玻璃布覆銅箔層壓板(FR一4)及環(huán)氧玻璃布玻璃無(wú)紡布覆銅箔層壓板(CEM.3)相比,金屬基板形成電路的工藝復(fù)雜,而且存在加工性不好等問(wèn)題.圖l顯示FR一4,CEM.3以及金屬基板的基

3、材構(gòu)成.這里簡(jiǎn)單地說(shuō)明一下各種基板的特征,FR-4:基材僅由玻璃布構(gòu)成,樹(shù)脂用的是環(huán)氧樹(shù)脂.CEM一3:為了提高機(jī)械強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性等,在基板的最表層使用了玻璃布,中心層則用玻璃無(wú)紡布代替玻璃布.為了提高沖剪加工性,電連接可靠性,以及尺寸穩(wěn)定性,添加氫氧化鋁,滑石粉等無(wú)機(jī)填鋁板(a)FR-4(b)CEM一3(C)金屬基板圖1各種覆銅板的結(jié)構(gòu)圖表1各種材料的導(dǎo)熱率材料導(dǎo)熱率(W/m?k)玻璃布E型玻璃布1.00環(huán)氧樹(shù)脂雙酚A型0.19氧化鋁28.9無(wú)機(jī)填充長(zhǎng)石0.842.09滑石2.09材料鎂橄欖石3.35堇青石1.68-2.15CEM一3Irt一1786J0.45FR一4rR一1705J0.3

4、8充材料.金屬基板:涂覆的絕緣層薄,通過(guò)金屬板傳熱容易,可以提高散熱性能.覆銅板資訊2011No.4覆銅板印制板技術(shù)表1中是玻璃布,環(huán)氧樹(shù)脂,代表性無(wú)機(jī)填充材料,以及普通型FR.4和CEM.3的導(dǎo)熱率.無(wú)機(jī)填充材料比玻璃布及環(huán)氧樹(shù)脂的導(dǎo)熱率大,隨著無(wú)機(jī)填充材料的填充量增加,希望能提高整體導(dǎo)熱率.從CEM一3的復(fù)合結(jié)構(gòu)和無(wú)機(jī)填充材料著手,不僅僅只是高導(dǎo)熱化,還要考慮實(shí)際的電路基板加工以及元件的安裝,松下電工的研究者們開(kāi)發(fā)了高導(dǎo)熱性復(fù)合基材覆銅箔層壓板rR.1787j.新開(kāi)發(fā)的rR-l787j具有與FR-4及CEM.3的鉆孔加工性,沖剪加工性,耐熱性同樣優(yōu)異的性能,并且導(dǎo)熱率超過(guò)1.0W/rn?k

5、,希望作為至今除金屬基板之外的散熱對(duì)策的新選擇.本文對(duì)rR.1787J的加工性,耐熱性,散熱性及高導(dǎo)熱化方法進(jìn)行論述.2.rR一17871的高導(dǎo)熱化方法2.1開(kāi)發(fā)目標(biāo)基板要達(dá)到高導(dǎo)熱化,導(dǎo)熱率,加工性,耐熱性,可靠性就要達(dá)到如下開(kāi)發(fā)目標(biāo):(1)導(dǎo)熱率超過(guò)1.0W/m?k.(2)用普通的方法能夠進(jìn)行鉆孔加工(3)可以進(jìn)行無(wú)鉛焊料安裝(4)耐漏電痕跡性達(dá)到CTI600(5)絕緣性十分可靠.其中導(dǎo)熱率的目標(biāo)是以超過(guò)普通的CEM.3及FR.4的2倍的1.0W/m?k為目標(biāo).2.2探討要提高電路基板的導(dǎo)熱率,是否就要提高樹(shù)脂,玻璃布基材,無(wú)機(jī)填充材料各自的導(dǎo)熱率呢?增加導(dǎo)熱率高的無(wú)機(jī)填充材料的比例非常有

6、效.從成本方面考慮,選定價(jià)格便宜的無(wú)機(jī)填充材料種類(lèi),提高添加比例.導(dǎo)熱率高的無(wú)機(jī)填充材料例如有氮化鋁,氮化硼,金剛石等.但這些非氧化物的無(wú)機(jī)填充材料價(jià)格較高,不適合用于普通電路基板材料.另一方面,也如表1所示那樣,氧化鋁作為無(wú)機(jī)氧化物具有較高的導(dǎo)熱率,但硬度非常高,莫氏硬度是9,估計(jì)會(huì)對(duì)鉆孑L加工性有妨礙,通常不作為復(fù)合材料基覆銅箔層壓板的填充材料使用.本文中重點(diǎn)研究的是約1um粒子直徑的氧化鋁,使用該粒徑的氧化鋁,對(duì)于覆銅箔層壓板的鉆孑L加工性幾乎沒(méi)有壞的影響,但其填充量受到限制.為了不降低覆銅板成形時(shí)的樹(shù)脂流動(dòng)性,像圖2所示的那樣,用粒徑尺寸不同的填料,按照多種不同粒徑的組合混合添加到樹(shù)脂

7、組成物中,以增加無(wú)機(jī)填充材料的添加量.圖2高填充化設(shè)想小粒徑無(wú)機(jī)填充材料主要是由氧化鋁構(gòu)成,大粒徑無(wú)機(jī)填充材料則采用氫氧化鋁,氫氧化鎂,滑石,粘土,薄水鋁石等,用這些組成的無(wú)機(jī)填充材料可以達(dá)到開(kāi)發(fā)目標(biāo).表2無(wú)機(jī)填充材料的構(gòu)成和主要特性配比1配比2配比3配比4無(wú)機(jī)氧化鋁(4.0IXm)03000填充氧化鋁(0.7m)003020無(wú)機(jī)氧化物A(13IXm17035O30材料無(wú)機(jī)氧化物8(5.5m)30357050評(píng)價(jià)導(dǎo)熱率(w/m?k)0.91_3l-31.2260C耐焊性(s)70180180180結(jié)果鉆頭磨損率(%)36l005245100份體積的環(huán)氧樹(shù)脂,各種無(wú)機(jī)填充材料體積合計(jì)為100份添

8、加混合時(shí)的評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表2.該數(shù)據(jù)來(lái)自板厚為lmrn的CEM一3樣品.鉆孔加工條件是:鉆頭直徑0.6mm,轉(zhuǎn)速60000min,進(jìn)鉆速度O.035mm/rev,樣品晨銅板印制板技術(shù)覆銅板資訊2011年第4期采用三張粘結(jié)片疊合層壓而成.從表2中可以看出,沒(méi)有使用氧化鋁的配比1,導(dǎo)熱率低,耐焊性都不十分好.配比2無(wú)機(jī)氧化物與氧化鋁并用,導(dǎo)熱率增高,但因氧化鋁的粒徑大,對(duì)鉆頭磨損大,所以不實(shí)用.由粒徑為5.51am以及131am的無(wú)機(jī)氧化物和0.71am的氧化鋁組成的配比4,制成的復(fù)合材料基覆銅箔層壓板具有優(yōu)異的高導(dǎo)熱性,鉆LJJn工性和耐熱性.3.高導(dǎo)熱性復(fù)合基覆銅箔層壓板的特性以表2中配比4為基礎(chǔ)

9、開(kāi)發(fā)的rR.1787J和松下電工公司的普通型CEM一3及FR-4的特性對(duì)比見(jiàn)表3.評(píng)價(jià)采用板厚為1.6mm,銅箔為351.1m的雙面板.表3顯示FP.一1787的導(dǎo)熱率數(shù)值約是FR.4的3倍,有關(guān)其使電子元件以及導(dǎo)體的溫度降低的效果在下一章進(jìn)行說(shuō)明.耐焊性及Tg與CEM一3,FR一4相等,耐漏電痕跡也符合IEC標(biāo)準(zhǔn)中的CTI600,絕緣可靠性高.并且,厚度方向的熱膨脹系數(shù)顯示的數(shù)值比CEM一3,FR一4小,導(dǎo)通孔可靠性約是CEM一3,FR.4的2倍.特別是使用氧化鋁粒子后,鉆孔加工性也良好,其水平可與CEM一3,FR.4匹敵(表4)像上述的rR.1787,不但導(dǎo)熱率超過(guò)表3rR一1787/GE

10、M一3FR一4基板的特性開(kāi)發(fā)品松下公司的松下公司的試驗(yàn)項(xiàng)目測(cè)定方法測(cè)定條件單位rR一1787J普通型CEM一3普通型FR一4導(dǎo)熱率Laserflash常態(tài)?kl-10.450-38絕緣電阻JISC6481常態(tài)Mn5l0s5X101l0s耐漏電痕跡IEC常態(tài)6006oo200介電常數(shù)JISC64811MHz5.14.54.7介質(zhì)損耗因數(shù)JISC64811MHz0.0l60.015O.O15耐焊性JISC6481260S120以上120以上120以上rrgTMA140140140熱膨脹系數(shù)TMA室溫Tg10-6/506565(厚度方向)1.0W/m?k而且還具有高可靠性,與松下電工公司的普通型CE

11、M一3及FR一4在同等條件4.高導(dǎo)熱復(fù)合材料的效果下可進(jìn)行焊接安裝和鉆孔加工.表4鉆頭磨損性評(píng)價(jià)結(jié)果鉆頭磨損率(%)2000hlt4o00hlt6000hh開(kāi)發(fā)品(R一1787)384853松下公司的普通型CEM一3273845松下公司的普通型FR一4394954加工條件:鉆頭直徑0.6mm轉(zhuǎn)速60000min進(jìn)鉆速度0.035mm/rev疊壓張數(shù)3張(1.6mm)4.1在開(kāi)發(fā)品rR一1787/上安裝LED時(shí),LED正下方的基板溫度以及LED表面溫度降低將耗電為1W級(jí)的LED封裝安裝在開(kāi)發(fā)品l-P.一1787j和松下公司的普通型FR.4上,測(cè)定LED正下方的基板溫度和LED的表面溫度.測(cè)定條件

12、如下:(1)安裝的LED封裝lSPEHCW1-FJfNingboEmitterElectron制)(2)評(píng)價(jià)樣品一22銅板資訊2011No.4覆銅板印制板技術(shù)曩)b)一1c)一1FR一4:板厚i.6mm,銅箔351Jm單面FR.1787j:板厚1.6mm,銅箔35pm單VR-1787J:板厚1.6mm,銅箔35pm雙3)溫度測(cè)定方法ED正下方的基板溫度:熱電偶ED表面溫度:溫度記錄法在大氣溫度為30下進(jìn)行測(cè)定,LED正下方的基板溫度以及LED表面溫度的測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖3.使用FR-4的(a)時(shí)LED正下方的基板溫度超過(guò)70,LED表面溫度超過(guò)90.同樣的條件下,只是將基板換成fR.1787的(b)

13、,LED表面溫度超過(guò)10,LED正下方的基板溫度比(a)降低了l4.rR.1787J內(nèi)側(cè)也有銅箔的(c),效果更好,溫度總共比(a)降低了約30(a)松下公司的醬通FR_4(單面銅箔)(b)R787(單面銅箔)(c)JR-1787(雙面銅箔)圖3LED的表面溫度及LED正下方的基板溫度.2高導(dǎo)熱復(fù)合材料在通電時(shí)能使導(dǎo)體的溫降低為了驗(yàn)證電路基板材料因?qū)崧实奶?對(duì)通電時(shí)的導(dǎo)體溫度上升的控制效果,要與松下公司的普通型FR一4進(jìn)行比較才宦評(píng)價(jià).測(cè)定方法如下:1)評(píng)價(jià)用的導(dǎo)體電路圖4所示是所用基板的表面形成的電圖形,基板內(nèi)部的銅箔全部除掉.2)測(cè)定方法使用穩(wěn)定的電源裝置,在圖4的A.B之圖4測(cè)定導(dǎo)體溫

14、度用的電路圖23一lAT80OCI/.,lmln時(shí)間(a)開(kāi)發(fā)品JR-1787IT=133O=Cl|,|fmIn_.,時(shí)間(b)松下公司的普通型FR一4圖5導(dǎo)體溫度上升結(jié)果覆銅板印制板技術(shù)覆銅板資訊9011年第4期間施加DC100V,5A,用熱電偶測(cè)定電路表面溫度.且大氣溫度是25.圖5顯示的是導(dǎo)熱率為1.1W/m?k的開(kāi)發(fā)品rR.1787和導(dǎo)熱率為0.38W/m?k的松下電工公司普通型FR-4上的導(dǎo)體溫度上升結(jié)果.電路基板的導(dǎo)熱率變高后,可以抑制導(dǎo)體溫度上升.在該條件下,rR-1787J的導(dǎo)熱率約是普通型FR一4的3倍,評(píng)價(jià)結(jié)果是開(kāi)發(fā)品FR-1787j能使導(dǎo)體溫度上升控制到約2/3的程度.5

15、.結(jié)論因?yàn)殡娐坊迳习惭b的元件會(huì)發(fā)熱,為了提高基板的散熱效果,在玻璃布復(fù)合基板材料中大量填充粒徑不同的各種無(wú)機(jī)氧化物,這樣,提高導(dǎo)熱率,得到了加工性和耐熱性?xún)?yōu)異的覆銅箔層壓板.使用新型的覆銅板的導(dǎo)熱率超過(guò)1.0W/m?k,已安裝的發(fā)熱元件的上升溫度相當(dāng)于使用傳統(tǒng)的普通型環(huán)氧玻璃布覆銅板時(shí)的約2/3.并且,雖然也大量地填充無(wú)機(jī)氧化物,但仍能確保與傳統(tǒng)產(chǎn)品同等的鉆頭磨損率.因此,高導(dǎo)熱性復(fù)合基板材料作為散熱對(duì)策的新選擇,期待著今后普及使用.本文編譯自松下電工技報(bào)(Vo1.59,No.1】,野末明羲,鈴江隆之,高熟怯尊性萬(wàn)叉求基板材料(上接第38頁(yè))40oC,以提高溶解度.對(duì)于溶劑是否足夠量判斷方法:雙氰胺量為溶液10%左右,最好檢測(cè)雙氰胺溶液中含固量.對(duì)于雙氰胺是否完全溶解判斷,取適量溶液放到偏振光顯微鏡下,觀(guān)察有否雙氰胺微晶存在.如有雙氰胺微晶存在,可能溶劑量不足,溶解時(shí)間不夠,或因室溫較低,降低了雙氰胺溶解度,可采取相應(yīng)措施處理它.B,因化促進(jìn)劑量雖少,但起很關(guān)鍵作用.應(yīng)先將咪唑用二甲基甲酰胺溶解后,再倒入雙氰胺溶液中充分?jǐn)嚢杌旌?要防止因咪唑與環(huán)氧樹(shù)脂混和不均影響制程.c,由于雙氰胺跟銅反應(yīng)會(huì)生成”胺銅”鹽類(lèi),降低了銅箔與基材結(jié)合力;雙氰胺對(duì)基板耐離子遷移性f