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77995.com【独家连载】绝缘介质层直接导热印制板

更新时间:2019-10-07

  摘要:文章概述了导热性介质覆铜箔基板的特征,按其导热系数的等级可归纳为五类。通过开发导热绝缘有机聚合物和导热绝缘无机物可以得到导热率为0.2~100 W/m.K或更高的覆铜箔基材。这些导热性介质覆铜箔基材所形成的PCB基本上可以满足各个领域的应用要求。

  随着PCB产品高密度化、信号高频化和高可靠性化的发展,要求PCB的导热性能越来越高。由于PCB的导热系数主要取决于介质层的导热性能,因此改造、77995.com,开发导热性介质层变成突出而重要的课题,必然带动了PCB导热化的开发与进步!近十多年来,PCB产品已经由常规(传统)PCB产品(导热系数在0.2 W/m•K左右)→导热性PCB产品(导热系数在0.6 W/m•K左右)→高导热性PCB产品(导热系数在1~10 W/m•K之间)→“甚高”导热性PCB产品(导热系数在10~100 W/m•K之间)→“超高”导热性PCB产品(导热系数大于100W/m•K)发展着! 对于“甚高”导热性PCB产品10~100 W/m•K之间和“超高”导热性PCB产品(大于100 W/m•K)必须采用纯陶瓷材料形成的陶瓷基印制板等方能达到。

  本课题系列主要基于传统印制板为基础如何提高导热性能的举措。为了提高传统PCB产品的导热系数,首先是发展金属芯印制板,由于金属是导电体,导线(体)不能直接做在金属的表面上,必须把金属表面绝缘起来,目前主要的采用导热性树脂进行绝缘,但是从目前来看导热性绝缘树脂导热性能仍然不高,金属芯印制板的导热系数很难超过10 W/m•℃,大多数是在2~6 W/m•K之间。其次,开发了金属基印制板,同样道理,金属基印制板的导热系数也是在2~6 W/m•K之间,主要是以单面板而应用于高发热的领域(如照明的发光二极管等)。最后,又把提高和开发导热的方向放在介质层上:

  (1)在介质树脂中加入导热(无机物如Al2O3等)粉末来提高导热性能,但是其导热系数很难超过1 W/m•K,大多数是在0.3~0.6 W/m•K之间;

  (2)有报道,通过高分子聚合物的结构的结晶“有序化”和“液晶化”来提高导热性能,目前已能开发出导热系数达到1~10 W/m•K之间的导热性树脂。近几年来,采用无机材料来取代有机高分子材料,开发的玻璃基印制板导热系数在1~10 W/m•K之间,而开发的陶瓷基印制板的导热系数在10~300 W/m•K之间,这些都是导热性介质的发展方向!高导热性以上PCB产品大多应用于医疗、国防军事、航空和航天等领域的特种要求和高可靠性部位中。

  (1)绝缘介质层直接导热印制板,通过导热性或高导热性介质层直接实现导热;

  (3)金属基印制板,金属板的一侧通过导热树脂贴压印制板而加强导热。下面按三个分题给予介绍(对于玻璃基印制板和陶瓷基印制板已专题介绍过,本文仅作简要介绍)。

  随着PCB高密度化、信号高频(或高速数字)化和元器件高功率(集成)化的快速发展与进步,给PCB带来了急剧地高温化和高热化耗,其操作温度由传统的70 ℃左右上升到100 ℃、甚至高达130 ℃以上,严重威胁着PCB和元器件的工作性能、可靠性和使用寿命,必须快速把温度降下来,所以解决PCB导热化已经成为突出的课题!因此必须采取导热、降温等措施,保证PCB和元器件的温度稳定在≤80 ℃之内。目前对于PCB内部来说,采取降温的最有效的措施是把PCB内部的热量导(散)出来,除了采用“金属芯PCB”(包括局部埋嵌金属块、柱等)和“金属基PCB”等导热措施外,最经济而有效的方法是采用高导热介质层的PCB结构来达到目的!目前,提高PCB介质层的导热系数的主要方法有:

  (1)采用导热性有机树脂介质层CCL材料,它是采用导热性树脂或添加有导热性材料(大多数为陶瓷粉末、如Al2O3或SiO2等)的CCL(见表1所示)而制造的印制板;

  (2)采用导热性无机物绝缘介质层CCL材料,如高导热的陶瓷基板材料、或导热性的玻璃基板材料等。

  导热性覆铜箔层压板(CCL)和印制板(PCB)的介质层应具有的主要特征:

  (2)是导热的,比起传统的覆铜箔层压板(CCL)的导热系数(率)要大几倍到几百倍、甚至上千倍;

  (3)导电和介质等所产生的热量能直接从介质层传导或散发出去。而目前,传统的CCL材料的介质层,它是以树脂和玻纤布为主体组成的,由于树脂是低导热率(大多数为0.2 W/m•K左右)的,而玻纤布(导热率在1.0W/m•K左右)导热率也不高,其“加权和”的结果的导热系数(率)只能在0.24 W/m•K以下,这样的CCL已经越来越不适应高温化印制板的要求。

  从表1中可看到,由环氧树脂和玻纤布组成的常规FR-4而制造的PCB,其介质层的导热系数是由环氧树脂导热系数(高的为0.19 W/m•K)和玻纤布导热系数(1.0 W/m•K)的体积“加权和”的结果,其导热系数为0.24 W/m•K左右。很显然,这样低的导热系数(0.24 W/m•K),PCB是无法“担当”PCB高温(热)化或导热性要求的!

  由于导热介质层的材料不同,必然得到不同的导热系数和等级。因此,我们可以把PCB基材所涉及的导热性能加以分类,如表2所示。

  导热性介质覆铜箔基板(材)的最主要特征是介质层本身是绝缘而导热性好的材料,而不是采用金属芯或金属基等来提高导热性能的。在导热性介质覆铜箔基板中,由于“介质层”的材料不同,其导热性能(等级)也不一样,除了常规型基材和印制板外,大概可分成为四大类:

  在目前情况下,导热性基材和印制板是指覆铜箔层压板(CCL)的介质层中加入导热材料后具有导热系数为0.3~1.0 W/m•K的基材和加工形成的印制板。这种导热性覆铜箔层压板(CCL)是在介质树脂中加入(或取代部分树脂)导热性粉料(一般为无机物的陶瓷粉、如在环氧树脂中加入导热性好的粉状Al2O3、SiO2等)来提高介质层的导热性。但是,在传统的介质层中,环氧树脂的含量在40%~80%之间,含量太少必然影响粘结力和可靠性(如剥离、分层等),所以加入导热性粉料是有限的,一般为10%~30%之间,同时由于加入的粉料硬度很高、制造加工过程困难(特别是钻孔时钻刀磨损、孔壁缺陷与粗糙度和成本等存在问题),加上介质层中玻纤布的导热系数不大,而环氧树脂的导热系数就更低了,所以其“加权和”*(按体积比率)的结果而得到的介质层导热系数大多在0.3~0.6 W/m•K之间。因此,在环氧树脂和玻纤布的介质层中采用加入导热粉料来提高其导热系数是有限的,这种导热型基材和形成的印制板的导热率都在0.3~1.0 W/m•K之间,而且主要应用于一般导热要求不高的工业领域!

  高导热型基材和印制板是指覆铜箔层压板(CCL)的介质层的导热系数为(1.0~10)W/m•K的基材和加工形成的印制板。目前,高导热型基材主要有两类:(1)导热玻璃覆铜箔基材;(2)高导热树脂覆铜箔层压板。

  普通玻璃的导热系数(率)为1.0 W/m•K,但是我们可以通过增加导热性好的氧化铝(Al2O3)取代或部分取代导热性差的二氧化硅(SiO2)或氧化钙(CaO)等来提高导热系数,因为氧化铝(Al2O3)的导热系数是普通玻璃导热系数的20多倍,其“加权和”的导热系数(率)可处在1.0~10.0 W/m•K之间。如果加入硼酸盐材料,其导热系数可超过10.0 W/m•K以上(双位数的导热系数)。利用高导热玻璃覆铜箔基材(这种玻璃基板经过表面处理而形成覆铜箔)经过PCB工艺技术加工形成PCB、或者就在高导热玻璃表面进行(物理的或化学的)加工而形成PCB。

  尽管高导热玻璃印制板脆性大(可通过热处理来改善),但是由于高导热玻璃是透明的、而且是各向同性的,因此在LED的照明领域将有广阔的应用前景,在大功率的LED照明领域必会逐步取代铝基印制板!

  高导热树脂覆铜箔层压板是指这类CCL的介质层导热系数(率)在是(1.0~10.0)W/m•K之间,其组成所谓直接由新近开发的高导热树脂(导热系数大于1.0 W/m•K)和玻纤布组成的,如通过对环氧树脂的改造而形成的结构“有序化”和“液晶化”,使“声子”(声子和电子、光子一样是能很好导热的)的运动速度提高和运动行程增大,形成新的高导热型环氧树脂,其导热系数(率)可达到3~11 W/m•K之间。

  采用高导热树脂覆铜箔层压板来形成的印制板是最接近常规PCB的加工方法,不仅制造过程等非常成熟,而且加工的产品尺寸可很大、成品率也高,很显然,这种类型的材料和制造技术应是PCB今后发展的方向!

  注:“声子”只能存在于固体中,当树脂结构“有序化”和“液晶化”,晶格发生振动形成的“简正模能量量子”便规律有序而大大提高传递热量速度和能量!常规的树脂内的机关是杂乱无章的,不仅电子被束搏着不能导电,而且“声子”的振动小而乱,无法传递能量。

  甚高导热型基材和印制板是指其覆铜箔层压板(CCL)介质层的导热系数为(10~100)W/m•K之间的基材和加工形成的印制板。目前主要是指电子陶瓷类中的氧化铝(Al2O3)基(或碳化硅(SiC基))覆铜箔基材及其形成的印制板,其特点是介质层是由氧化铝(Al2O3)、或碳化硅(SiC)组成的,改变它们的组成和含量可以得到(10-100)W/m•K之间一系列导热系数的甚高导热型基材和印制板。

  由于氧化铝(Al2O3)和碳化硅(SiC)的硬度很高,又是在很高温度下烧结形成的,既硬又脆,虽然可通过添加物来改善,但改善程度有限,所以要采用激光加工技术(钻孔、切割等)才能获得高的合格率。同时,正因为质地“既硬又脆”,不仅加工过程要仔细小心,而且尺寸也不能太大,大多数所形成的产品,其尺寸大多在50~150 mm2见方左右。在航天、航空和国防军事等高尖领域已经得到了广泛的应用。

  超高导热型基材和印制板是指覆铜箔层压板(CCL)的介质层的导热系数为大于100 W/m•K的基材和加工形成的印制板。

  目前,主要是指电子陶瓷类中的氮化铝(AlN)基、或氧化铍(BeO)基覆铜箔基材及其形成的印制板,其特点是介质层是由氮化铝(AlN)基、或氧化铍(基)组成的,改变它们的组成和含量可以得到大于100 W/m•K的各种超高导热型基材和印制板。目前,氮化铝(AlN)基覆铜箔基材及其形成的印制板在航天、航空和国防军事等高尖特殊领域已经得到了广泛的应用。

  由于PCB的高密度化、信号传输高频数字化和元器件大功率(集成)化等带来PCB内部高温化并威胁着PCB和元器件的使用可靠性和寿命,因此要求PCB内部(介质层)必须提高导热性能,这就是说导热性很差的传统环氧树脂覆铜箔层压板必须改造成为导热性、高导热性的CCL。

  由于传统环氧树脂覆铜箔层压板的导热性(≤0.24 W/m•K)很差,越来越无法满足PCB发展的要求,必须开发导热性或高导热性的CCL。

  大家知道,经典导热的方式有:热传导、热扩散和热辐射等三种方法,而PCB内部的热量要散发出来主要是依靠“热传导”方法来完成。但是PCB内部的热量要进行传导只能通过介质层中的分子、原子和电子等的移动、转动、振动等来实现热的传递。实际上,热传递的“载荷者”是电子、光子和声子来完成的。由于常规PCB内部介质层是绝缘材料组成的,而且这些绝缘材料都处在饱和状态,分子或原子内的电子是“束缚”着、不存在像金属内的电子(形成公共电子)可自由活动着,而是依靠分子内晶格振动的“声子”来传递热量的。由于有机高分子聚合物无规则结构缠绕多、有序结晶结构极少,造成“声子”行程既短又慢,这是大多数的有机高分子绝缘材料的导热性很差的根本原因!

  那么,有机高分子绝缘材料的导热是如何提高呢?研究结果表明,主要是靠高分子聚合物的有序排列度和结晶结构程度,通过“有序化”和“液晶化”就可以提高“声子”的运动速度和增大行程,从而提高导热率!目前,正是通过对环氧树脂的改造而提高结构“有序化”和“液晶化”,使“声子”的运动速度提高和运动行程增大,形成新的高导热型环氧树脂的导热系数(率)可达到(3~11)W/m•K之间。如果在这种新的高导热型环氧树脂在添加导热好的氧化铝(Al2O3)粉料,还可进一步提高导热系数。

  目前,导热性覆铜箔层压板已经有在常规环氧树脂中添加陶瓷粉料(如氧化铝粉等)来获得导热系数为(0.3~0.6)W/m•K的产品,还有开发了导热系数为(3~11)W/m•K的新型树脂产品。这些不同导热性介质等级覆铜箔层压板已经覆盖了金属基基板材料和金属芯印制板的导热系数范围,从而可取代它们,这就很大地扩展了导热介质覆铜箔层压板和所形成的印制板的应用范围和深度。

  为了适应PCB高密度化、信号高频化和元器件大功率(集成)化以及特殊(航天、航空和国防军事、医疗等)应用领域的需求,PCB所用的导热介质层覆铜箔层压板的导热系数应该建立起从0.3 W/m•K至几百W/m•K的一系列产品(表2),供各种应用领域的PCB产品选用。

  (1)以绝缘的有机树脂聚合物导热介质为主体来提高导热系数(率),主要是开发导热性环氧树脂和玻纤布以及添加高导热性陶瓷粉料,形成0.3~20.0 W/m•K的一系列产品(CCL);

  (2)以绝缘的无机物为导热介质为主题来提高导 热系数(率),主要是开发导热性玻璃和陶瓷等(表2和表3)的导热性覆铜箔基材,形成(10~100)W/m•K或更高的一系列产品(CCL)。

  总之,从PCB工艺制造角度、经济成本等方面来看,开发导热性介质覆铜箔层压板、形成从0.3-100 W/m•K或更高的一系列产品(CCL)是形成导热性PCB的主要课题和方向!


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