高导热性玻璃布复合基板材料

1、高导热性玻璃布复合基板材料覆铜板印制板技术覆铜板资讯2011年第4期高导热性玻璃布复合基板材料编译龚莹由于电路基板上安装的元件会发热,为了提高基板的散热效果,在玻璃布复合基板材料中大量填充粒径不同的各种无机氧化物,以提高覆铜板导热率,得到了加工性和耐热性优异的覆铜箔层压板.新型的覆铜板的导热率超过1w,m?k,在新型覆铜板上安装的发热元件的上升温度相当于使用传统的普通型环氧玻璃布覆铜板时的2/3.虽然在覆铜板的树脂组成中采用了大量无机氧化物填料,但仍能确保与传统产品同等的钻头磨损率.1.前言随着电子线路向高密度化,高频化推进,设备内部的元件的密度增加,产生的热量也相应地增加,基板的散热性越来越

2、重要.led属于低耗电,可以减少co:的排放量,而且寿命长,节省空间,预计今后将会普及,但是如果进一步提高led的发光效率,增加寿命,就需要将散热作为课题来进行研究.散热可利用热传导,热对流,热辐射三种方式的物理现象进行,但象led,功率半导体那样的局部产热,使热能够有效地向外部逃逸,主要通过线路基板这样的介质,利用热传导的方法进行的.因此,安装这些元件的线路基板,多使用导热性优异的金属铝制成的金属基板.但是与环氧玻璃布覆铜箔层压板(fr一4)及环氧玻璃布玻璃无纺布覆铜箔层压板(cem.3)相比,金属基板形成电路的工艺复杂,而且存在加工性不好等问题.图l显示fr一4,cem.3以及金属基板的基

3、材构成.这里简单地说明一下各种基板的特征,fr-4:基材仅由玻璃布构成,树脂用的是环氧树脂.cem一3:为了提高机械强度和尺寸稳定性等,在基板的最表层使用了玻璃布,中心层则用玻璃无纺布代替玻璃布.为了提高冲剪加工性,电连接可靠性,以及尺寸稳定性,添加氢氧化铝,滑石粉等无机填铝板(a)fr-4(b)cem一3(c)金属基板图1各种覆铜板的结构图表1各种材料的导热率材料导热率(w/m?k)玻璃布e型玻璃布1.00环氧树脂双酚a型0.19氧化铝28.9无机填充长石0.842.09滑石2.09材料镁橄榄石3.35堇青石1.68-2.15cem一3irt一1786j0.45fr一4rr一1705j0.3

4、8充材料.金属基板:涂覆的绝缘层薄,通过金属板传热容易,可以提高散热性能.覆铜板资讯2011no.4覆铜板印制板技术表1中是玻璃布,环氧树脂,代表性无机填充材料,以及普通型fr.4和cem.3的导热率.无机填充材料比玻璃布及环氧树脂的导热率大,随着无机填充材料的填充量增加,希望能提高整体导热率.从cem一3的复合结构和无机填充材料着手,不仅仅只是高导热化,还要考虑实际的电路基板加工以及元件的安装,松下电工的研究者们开发了高导热性复合基材覆铜箔层压板rr.1787j.新开发的rr-l787j具有与fr-4及cem.3的钻孔加工性,冲剪加工性,耐热性同样优异的性能,并且导热率超过1.0w/rn?k

5、,希望作为至今除金属基板之外的散热对策的新选择.本文对rr.1787j的加工性,耐热性,散热性及高导热化方法进行论述.2.rr一17871的高导热化方法2.1开发目标基板要达到高导热化,导热率,加工性,耐热性,可靠性就要达到如下开发目标:(1)导热率超过1.0w/m?k.(2)用普通的方法能够进行钻孔加工(3)可以进行无铅焊料安装(4)耐漏电痕迹性达到cti600(5)绝缘性十分可靠.其中导热率的目标是以超过普通的cem.3及fr.4的2倍的1.0w/m?k为目标.2.2探讨要提高电路基板的导热率,是否就要提高树脂,玻璃布基材,无机填充材料各自的导热率呢?增加导热率高的无机填充材料的比例非常有

6、效.从成本方面考虑,选定价格便宜的无机填充材料种类,提高添加比例.导热率高的无机填充材料例如有氮化铝,氮化硼,金刚石等.但这些非氧化物的无机填充材料价格较高,不适合用于普通电路基板材料.另一方面,也如表1所示那样,氧化铝作为无机氧化物具有较高的导热率,但硬度非常高,莫氏硬度是9,估计会对钻孑l加工性有妨碍,通常不作为复合材料基覆铜箔层压板的填充材料使用.本文中重点研究的是约1um粒子直径的氧化铝,使用该粒径的氧化铝,对于覆铜箔层压板的钻孑l加工性几乎没有坏的影响,但其填充量受到限制.为了不降低覆铜板成形时的树脂流动性,像图2所示的那样,用粒径尺寸不同的填料,按照多种不同粒径的组合混合添加到树脂

7、组成物中,以增加无机填充材料的添加量.图2高填充化设想小粒径无机填充材料主要是由氧化铝构成,大粒径无机填充材料则采用氢氧化铝,氢氧化镁,滑石,粘土,薄水铝石等,用这些组成的无机填充材料可以达到开发目标.表2无机填充材料的构成和主要特性配比1配比2配比3配比4无机氧化铝(4.0ixm)03000填充氧化铝(0.7m)003020无机氧化物a(13ixm17035o30材料无机氧化物8(5.5m)30357050评价导热率(w/m?k)0.91_3l-31.2260c耐焊性(s)70180180180结果钻头磨损率(%)36l005245100份体积的环氧树脂,各种无机填充材料体积合计为100份添

8、加混合时的评价结果见表2.该数据来自板厚为lmrn的cem一3样品.钻孔加工条件是:钻头直径0.6mm,转速60000min,进钻速度o.035mm/rev,样品晨铜板印制板技术覆铜板资讯2011年第4期采用三张粘结片叠合层压而成.从表2中可以看出,没有使用氧化铝的配比1,导热率低,耐焊性都不十分好.配比2无机氧化物与氧化铝并用,导热率增高,但因氧化铝的粒径大,对钻头磨损大,所以不实用.由粒径为5.51am以及131am的无机氧化物和0.71am的氧化铝组成的配比4,制成的复合材料基覆铜箔层压板具有优异的高导热性,钻ljjn工性和耐热性.3.高导热性复合基覆铜箔层压板的特性以表2中配比4为基础

9、开发的rr.1787j和松下电工公司的普通型cem一3及fr-4的特性对比见表3.评价采用板厚为1.6mm,铜箔为351.1m的双面板.表3显示fp.一1787的导热率数值约是fr.4的3倍,有关其使电子元件以及导体的温度降低的效果在下一章进行说明.耐焊性及tg与cem一3,fr一4相等,耐漏电痕迹也符合iec标准中的cti600,绝缘可靠性高.并且,厚度方向的热膨胀系数显示的数值比cem一3,fr一4小,导通孔可靠性约是cem一3,fr.4的2倍.特别是使用氧化铝粒子后,钻孔加工性也良好,其水平可与cem一3,fr.4匹敌(表4)像上述的rr.1787,不但导热率超过表3rr一1787/ge

10、m一3fr一4基板的特性开发品松下公司的松下公司的试验项目测定方法测定条件单位rr一1787j普通型cem一3普通型fr一4导热率laserflash常态?kl-10.450-38绝缘电阻jisc6481常态mn5l0s5x101l0s耐漏电痕迹iec常态6006oo200介电常数jisc64811mhz5.14.54.7介质损耗因数jisc64811mhz0.0l60.015o.o15耐焊性jisc6481260s120以上120以上120以上rrgtma140140140热膨胀系数tma室温tg10-6/506565(厚度方向)1.0w/m?k而且还具有高可靠性,与松下电工公司的普通型ce

11、m一3及fr一4在同等条件4.高导热复合材料的效果下可进行焊接安装和钻孔加工.表4钻头磨损性评价结果钻头磨损率(%)2000hlt4o00hlt6000hh开发品(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加工条件:钻头直径0.6mm转速60000min进钻速度0.035mm/rev叠压张数3张(1.6mm)4.1在开发品rr一1787/上安装led时,led正下方的基板温度以及led表面温度降低将耗电为1w级的led封装安装在开发品l-p.一1787j和松下公司的普通型fr.4上,测定led正下方的基板温度和led的表面温度.测定条件

12、如下:(1)安装的led封装lspehcw1-fjfningboemitterelectron制)(2)评价样品一22铜板资讯2011no.4覆铜板印制板技术曩)b)一1c)一1fr一4:板厚i.6mm,铜箔351jm单面fr.1787j:板厚1.6mm,铜箔35pm单vr-1787j:板厚1.6mm,铜箔35pm双3)温度测定方法ed正下方的基板温度:热电偶ed表面温度:温度记录法在大气温度为30下进行测定,led正下方的基板温度以及led表面温度的测定结果见图3.使用fr-4的(a)时led正下方的基板温度超过70,led表面温度超过90.同样的条件下,只是将基板换成fr.1787的(b)

13、,led表面温度超过10,led正下方的基板温度比(a)降低了l4.rr.1787j内侧也有铜箔的(c),效果更好,温度总共比(a)降低了约30(a)松下公司的酱通fr_4(单面铜箔)(b)r787(单面铜箔)(c)jr-1787(双面铜箔)图3led的表面温度及led正下方的基板温度.2高导热复合材料在通电时能使导体的温降低为了验证电路基板材料因导热率的提,对通电时的导体温度上升的控制效果,要与松下公司的普通型fr一4进行比较才宦评价.测定方法如下:1)评价用的导体电路图4所示是所用基板的表面形成的电图形,基板内部的铜箔全部除掉.2)测定方法使用稳定的电源装置,在图4的a.b之图4测定导体温

14、度用的电路图23一lat80oci/.,lmln时间(a)开发品jr-1787it=133o=cl|,|fmin_.,时间(b)松下公司的普通型fr一4图5导体温度上升结果覆铜板印制板技术覆铜板资讯9011年第4期间施加dc100v,5a,用热电偶测定电路表面温度.且大气温度是25.图5显示的是导热率为1.1w/m?k的开发品rr.1787和导热率为0.38w/m?k的松下电工公司普通型fr-4上的导体温度上升结果.电路基板的导热率变高后,可以抑制导体温度上升.在该条件下,rr-1787j的导热率约是普通型fr一4的3倍,评价结果是开发品fr-1787j能使导体温度上升控制到约2/3的程度.5

15、.结论因为电路基板上安装的元件会发热,为了提高基板的散热效果,在玻璃布复合基板材料中大量填充粒径不同的各种无机氧化物,这样,提高导热率,得到了加工性和耐热性优异的覆铜箔层压板.使用新型的覆铜板的导热率超过1.0w/m?k,已安装的发热元件的上升温度相当于使用传统的普通型环氧玻璃布覆铜板时的约2/3.并且,虽然也大量地填充无机氧化物,但仍能确保与传统产品同等的钻头磨损率.因此,高导热性复合基板材料作为散热对策的新选择,期待着今后普及使用.本文编译自松下电工技报(vo1.59,no.1】,野末明羲,铃江隆之,高熟怯尊性万叉求基板材料(上接第38页)40oc,以提高溶解度.对于溶剂是否足够量判断方法:双氰胺量为溶液10%左右,最好检测双氰胺溶液中含固量.对于双氰胺是否完全溶解判断,取适量溶液放到偏振光显微镜下,观察有否双氰胺微晶存在.如有双氰胺微晶存在,可能溶剂量不足,溶解时间不够,或因室温较低,降低了双氰胺溶解度,可采取相应措施处理它.b,因化促进剂量虽少,但起很关键作用.应先将咪唑用二甲基甲酰胺溶解后,再倒入双氰胺溶液中充分搅拌混和,要防止因咪唑与环氧树脂混和不均影响制程.c,由于双氰胺跟铜反应会生成”胺铜”盐类,降低了铜箔与基材结合力;双氰胺对基板耐离子迁移性f