高导热性复合基覆铜箔板CEM3.doc

高导热性复合基覆铜箔板 CEM-3陕西生益科技有限公司 曾耀德摘要 本文介绍了导热性复合基覆铜箔板 CEM-3 的发展、开发、测试方法 、性能特点与市场发展关键词 导热 复合基覆铜箔板 CEM-3Abstract: This paper introduces the development,research,test method,features and markets of the thermalconductivity CEM-3Key words: thermal conductivity, Composite epoxy material copper clad laminate, CEM-3前言光效率的不断提高 、 成本的不断降低 、LED封装技术完善、政府对此行业的大力推动等 等 ，LED 照明等产品将快速市场化 ， 对导热 性基板需求将迅猛增加 。而随着 LED 发光效 率的提高，LED 发热量将会下降 ， 相应的对 基板的散热性要求将会降 低， 普通照明的 LED 采用高导热性 CEM-3 或 FR-4 或许可满 足要求 ，即原来所用的高成本的铝基覆铜板 部分将可能会被低成本、加工性良好的高导 热性 CEM-3 所替 代。CEM-3 是以环氧树脂玻纤布粘结片为 面料 、环氧树脂玻纤纸粘结片为芯料 ，单面 或双面覆铜箔后热压而成的复合基覆铜箔 板 。CEM-3 的电性能 、耐热性能 、镀通孔可靠 性等与 FR-4 相当 ， 它具有优异的冲孔加工 性 。 作为一种综合性能优良 、价格适宜的复 合基覆铜板，CEM-3 极大地满足了电子产品 的低成本 、高品质和高可靠性要求 。 高导热性 CEM-3 是近年来应搭载 LED芯片用的基板材料需要相对高的导热性要 求 ，以及为减少 PCB 上元器件与导体温升而 发展出来的一个新产 品 ， 其结构与普通 CEM-3 相同 ，除具有普通 CEM-3 性能及 PCB 加工方便灵活性外 ，它在低成本特性 、耐电 压性 、耐金属离子迁移性方面比高导热铝基 覆铜板具有明显的优势 。近年来随着 LED 大功率化的进展以及 LED 封装技术的不断完善 ，LED 背光源 、照明等方面的应用得到迅速发展，对具有导热 性的覆铜箔基板特别是铝基覆铜板的需求 快速增加 。专家预测未来两三年随着 LED 发1 高导热 CEM-3 发展日本松下电工株式会社于 2008 年首先 向市场推出高导热性的玻纤布 - 有机树脂 复合基型覆铜板即高导热性 CEM-3 ，其牌号 为 R-1787 ， 该产品的热导率比普通 CEM-3 提高了 2 倍以 上，达到 1W/mk 。2008 年日本 CHINO 技研率先使用松下 R1787 生产 LED 散热基板，获得了高散热热性和低成本两方 面都有成效的成绩 。继日本松下之后日本住友电木 、 台湾南 亚 、陕西生益等相继推出导热系数 1.0W/km的 高 导 热 性 CEM-3 ， 牌 号 分 别 为ELC-4970GS 、CEM-3-09 、ST210 。 2010 年 1 月 日本松下电工又推出导热系数达 2.0W/km的 CEM-3 新产品 。的结构形状 ，即形成导热网络 。 当导热网链 的取向与热流方向一致时 ，材料的导热性能 提高很快。对于聚合物基复合材料的导热模型与测 算有许多理论与经验的方程式 ，例如粒子填 料 模 型 有 Maxwell 、Bruggeman 、Y . Agari 等模 型 ； 对于短纤维填充模型有 Halpin-Tsai 、Y. Agari 等模型 ；对于纤维布增强复合材料模型 有 J.M . Goyheneche 。但导热性 CEM-3 结构较 复杂 ，不但有玻璃布、无纺布，而且一般有多 种填料 ，不是均相体系 ，尚未有一理想模型 进行测算 。 不过经过实验验证，CEM-3 的热 导率用 Y.Agari 模型估算与实测值还是有一 定的吻 合，即2 高导热 CEM-3 开发导热性 CEM-3 是由铜箔与绝缘层组成 ，绝缘层是由增强材料 、 树脂与填料组成，其 中增强材料是由上下两张玻璃纤维布、中间 为玻璃无纺布组成 。 玻璃纤维的热导率不 高 ，热导率约 0.78W/k.m ；树脂的热导率一般 较低 ， 只有 0.15W/k.m 至 0.4W/k.m，PI 树脂 是目前高分子材料导热性最好的树脂，但工 艺性较差 ，环氧树脂热导率只有 0.19W/k.m， 但其有优异的电绝缘性、 良好的粘结性、耐 热性等优点，所以导热 CEM-3 一般采用环氧 树脂 。导热性 CEM-3 仍是采用高导热填料来 实现产品的良好的导热性 ，CEM-3 中间所用 的玻璃无纺布一般是由 9 至 11mm 短纤维丝 用抄纸方式生产的，它的蓬松结构特点可以 含浸高比例的胶水 ， 一般可以含浸 10 倍于 无纺布单重的胶，因此工艺上容易实现体系 中更高比例的填料 ， 相对于导热性 FR-4 有 明显工艺与制造成本优势 。高导热 CEM-3 开发设计重点仍是填料 的选择 ，与高导热铝基板相似 ，填料通常选 用氧化铝 、氮化铝 、氧化镁等具有较高导热 性和良好介电性能的填料，同时为了提高导 热性 CEM-3 产品的阻燃性与加工性 ，可以加 入一些氢氧化铝等填料 。 有报道介绍日本三 洋半导体公司的金属基覆铜板产品 ，被注册 为“ IMST ”，它的特点则是采用硅填料代替传 统的氧化铝 ，实现了低成本 、高加工性的突 破 。 产品导热性不仅与填料热导率有 关，而且与填料的颗粒形状 、粒径大小 、填充密度 等息息相关， 特别是填料与树脂的体积比， 当填料使用量达到临界体积比时，填充物之 间相互作用，体系内形成了类似网状或链状 式中 ：V 表示体积分数 ，K 表示产品导热 系数 ，Kf 、Km 分别表示填充材料和基体树脂 导热系数 ，Cf 是表征填充材料在复合材料中 形成导热通路难易程度的因子 ，Cp 是表征复 合材料中与晶体结晶程度和结晶区大小有关 的因子 。 估算时将玻璃纤维与其它填料均作 为填充材料 ，分别计算其体积百分比 ，这样 可用于配方的设计与估算 。对于 LED 照明及 LED 电视用导热性 CEM-3 材料 ，为了提高光的反射性 ，市场有 提出需具有白色与高光反射性的需 求。 对于 白色导热性 CEM-3 ，要求具有耐加热变色性 与耐紫外光变色性。 白色导热性 CEM-3 ，除 了做好钛白粉类型 、粒径选择之外 ，为了提 高耐高温变色性，一般采用或部分采用多官 能团环氧树脂或双酚 A 型氰酸酯树 脂，或 BT 树脂 ，或硅树脂 。导热性 CEM-3 生产工艺与普通 CEM-3 生产工艺相同 ，同样也是混胶 、浸胶 、热压成 型三大工序 ，其中混胶工序应特别关注填料 的分散与沉降问 题。 铜箔厚度能够影响导热 性 CEM-3 的散热能力 ，增加铜箔厚度能够提 高导热 CEM-3 的散热能力 。- 22 -有稳态法如稳态热流法，如中国印印制电路 行业标准 CPCA 4105-2010 与美国 ASTM D5470-06 标准 ，是采用稳态平板热流法 ；非稳 态法如激光闪射法 ，如 ASTM E1461-07 。其它 性能采用普通 CEM-3 或无铅 CEM-3 标准 ， 如 IPC4101/81 。对于热导率 ， 同一样品采用不同标准方 法测试 ，其结果是有差异的 ，非稳态法测试 结果一般比稳态热流法测试结果要高一些。同 一 稳 态 平 板 热 流 测 试 法 ， 如 CPCA4105-2010 与 ASTM D5470-06 的测试结果也 是有差异的 ， 因为样品测试设定温度有差 异 。 同一样品即使是采用同一标准方法 ，不 同厂家测试的结果也可能会稍有差异，主要 是仪器的热流损失差异与对接触热阻的准确 测算可能有差异 。 因 CEM-3 结构特点 ，芯料 中的填料比例通常比表面料要大，CEM-3 不 是均相材料 ， 所以同一配方不同厚度板材， 其热导率会有一定的差 异。 用稳态平板热流 法测试 CEM-3 时 ，不能用不同试样厚度与对 应的测试热阻值作图外推出厚度为零时的接 触热阻 。3 高导热 CEM-3 性能特点高导热 CEM-3 与普通 CEM-3 相比 ，具 有高热传导性 、高耐热性、高耐热老化性 ，因 此具有较高的可靠性 。导热性 CEM-3 与铝基 板相比， 具有以下优点 ， 一是成本较低，以1.1mm 厚度 、 热导率 1.0W/k.m 基板为例 ，导 热性 CEM-3 的原材料成本比铝基板要低 50%以上 ；二是导热性 CEM-3 的 PCB 外形加 工成本相对较低 ，铝基板对切磨加工刀具磨 损大 ，导热性 CEM-3 可以直接冲外形及冲孔 加工 ，对钻头与模具的磨损较小 ；三是导热 性 CEM-3 的 PCB 设计容易 ， 导热性 CEM-3可直接镀通孔 ，镀通孔工艺与可靠性与 FR-4 相当 ， 而铝基双面板的镀通孔工艺相对复 杂 ；四是导热 CEM-3 耐电压高 ，铝基板的绝 缘层一般只有 0.1mm 左右 ，其耐电压一般只 有 5KV 左右 ， 而导热性 CEM-3 的耐电压大 于 45KV ； 另外导热性 CEM-3 还有相对较好 的耐离子迁移性 、机械强度较佳等特 点。高导热 CEM-3 与铝基板相比 ，主要缺点 是导热性与散热性没有铝基板好 。 虽然两者 介质层的热导率相同 ，但高导热性 CEM-3 的 热阻大 ， 铝基板热阻要小 ， 以厚度为 1.1mm（铝基绝缘介质层厚度为 0.11mm）、 热导率 同样为 1.0W/k.m 产品为例 ， 导热性 CEM-3的热阻约是铝基板热阻的十倍 。 PCB 散热效 率除与散热材料热阻有关外 ，还与散热材料 的散热面积有关 ，足够厚的铝板可以将热能 较快扩散出去 。 另外 ，导热性 CEM-3 的 X 轴 与 Y 轴的热膨胀系数比铝基板要大，X 轴与 Y 轴的热膨胀系数是 LED 封装关注的重要 性能指标，所以对导热性 CEM-3 一般要求 X 轴与 Y 轴的热膨胀系数小于 20ppm/ 。5高导热 CEM-3 市场应用高导热 CEM-3 主要应用于 LED 照明 、LED 电视 、 电源基板、 工业类有散热需求的 产品等， 其中 LED 照明市场潜在需求最大。对于低功率即小于 0.5W 及低热流密度的 LED 封装 ，普通 CEM-3 即可满足要求 。 随着 LED 制造技术的不断进步 ，现今 LED 发光效 率已经可以达 150lm/W， 今后 1W 至 3W 的 LED 将是普通照明市场的主流 。 随着发光效 率的提升， 它的发热量将会减少，LED 照明 原来所用的高成本铝基板 ，部分将会逐渐被 具有较好成本优势 、 较好加工性的导热性 CEM-3 所替代 。 松下电工积极看好导热性 CEM-3 市场 ，现已在苏州工厂投资新线用于 生产高导热性 CEM-3 产品 。4 高导热 CEM-3 标准高导热 CEM-3 目前尚无统一的标准 ，对于热导率的测试 ，企业一般是采用金属基覆 铜箔板的热导率测试方法 。 热导率测试方法 - 23 -导热性 CEM-3 应用于电源基板时 ，导热 性 CEM-3 能够将铜箔线路所产生的热损耗 更快的扩散出去 。 相比普通 CEM-3 或传统 FR-4，对同一厚度基材采用相同的铜箔线宽 和相同的铜箔厚度， 可承载更高的电流，电 流引起的温升更小 ， 产品具有更高的可靠 性 。 对于电源基板的通电流的线路导体大 小 ，设计时需重点考虑的是温升 ，在通过相 同功率与控制相同温升指标条件下 ，导热性 CEM-3 采用的铜箔厚度可以相应的降低，即可以降低产品成本 。导热性 CEM-3 更适合大电流散热基板 ，大 电 流 散 热 基 板 一 般 是 采 用 105m 至210m ，甚至 400m 的超厚铜箔。这些超厚 铜箔基板主要应用于汽车等行业中的电源控 制器 、电源分线盒 、平面变压器等 ，以及工业 自动控制等需要大电流及散热需求的领域，今后还将会在混合动力汽车、电动汽车上得 到更多的应用 。参考文献：1、来自日本散热基板前线的报道 祝大同 编译， 印制电路信息，2010 年 6 月（连载 一）至 12 月（连 载十四）2、高热导高可靠 CCL 设计与开发 师剑英 ，2011.23、聚合物基复合材料导热模型及其研究进 展闫 刚，玻璃钢 / 复合材料2006 年 03 期（上接 32 页）固化剂对聚酰亚胺挠性覆铜板剥离强度的影响 / 蒋英; 张竞; 周鹏来; 黄培/ 南京工业 大学材料化学工程国家重点实验 室 / 高分子材料科学与工程 ,2010-01摘要 ： 采用双氰胺 (DICY)、 间苯二胺 (m-PDA)、长链柔性二胺 (DAMI) 固化双酚 A型环氧树脂(E-51),制备了三种环氧胶粘剂 , 分别考察了三种固化剂对挠性覆铜板剥离 强度的影响 。 根据差示扫描量热仪 (DSC) 曲线 , 通过 t- 外推法得到了各固化剂固化环 氧胶粘剂的固化工 艺。 采用扫描电子显微镜 (SEM)考察其不同的破坏形式 。 结果表明 , 采 用双氰胺固化的环氧胶粘剂粘接的挠性覆 铜板 , 剥离后聚酰亚胺薄膜、铜箔表面都留有 大量的胶粘剂 , 此破坏形式属于内聚破 坏。同 时双氰胺固化的环氧胶粘剂剥离强度最高, 粘接强度达到 0.7 4 N/mm 。受到大家的重视。 目前 FCCL 最常用的材料 为环氧树脂胶黏剂 , 虽然添加型阻燃剂能达 到阻燃效果 , 但是对力学性能影响很 大。反应 型的环氧树脂及其固化剂的无卤化是 FCCL无卤化的两个重要方面 。 综述了近年来国内 外在无卤阻燃环氧树脂 ( 含磷 、含硅 、含氮环 氧树脂及苯酚 - 芳烷基型自熄性环氧树脂 )及其固化剂 ( 含磷 、含硅固化剂 , 含氮酚醛树 脂和苯酚 - 芳烷基型环氧树脂固化剂 ) 的研 究进展 ,并对其今后的发展做一展望 。挠性覆铜板用磷 -