特殊基板材料在印制电路板中应用的新进展

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1 前言
随着电子产品逐渐向轻薄化、微型化和多功能化方向发展,以及在半导体安装技术的驱动下,对PC B技术和基板材料等均提出了更高的要求。

要求基板必须具备高Tg、高耐热性、高耐CAF性和低热膨胀系数(CTE)等性能,以提高互连和安装的可靠性。

同时,随着通信技术和计算处理速度的提高,基板的的介电性能、散热性等也引起人们的关注,有更多特殊性能要求的提出。

这就要求我们要不断开发具有特殊性能、高可靠性的基板材料,以满足各类电子产品日益发展的不同需求。

本文将介绍就几种应用于印制电路板中的特殊基板,对其特性、优点和制作控制要点等进行讲解,并提出了今后特殊基板
的发展方向。

2 特殊基板的应用
2.1氰酸酯及其改性[1,2]
氰酸酯简称CE(CyanateEster),它是单
体结构中含有两个或多个氰酸酯官能团(-OCN)的树脂,经过三嗪环化聚合反应后形成具有交联固化网络结构的一类热固性树脂(如图1)。

由于高度交联的三嗪环结构,加上大量的芳香环、芳杂环结构,是氰酸酯固化物具有很高的耐热性。

另外,由于三嗪环结构高度对称,极性很小,加上交联密度高,即使有微量的极性基团也只能有很小的旋转运动,因而在很宽的温度范围(-160～220℃)和频率范围(1×104～1×1011Hz)内,具有很低的介电常数和介质损耗。

以常见的双酚A型氰酸酯(BADCy)为例,它的Tg(玻璃化转变温度)为270℃,T d (热分解温度)为420℃,弯曲强度为170M P a ,模量为3.2G P a ,吸水率约为2%,表现出力学性能优、耐热性高、吸水率低的优点。

特别突出的是,氰酸酯树脂在从X 波段到W 波段的较宽频带范围内具有非常低的介电常数(ε=2.64～3.11)和介电损耗值(tanδ=0.001～0.008),是一种良好的透波材料和绝缘功能材料。

目前市场上的氰酸酯种类较多,国产氰酸酯也开始上市,主要代表产品有:双酚A型氰酸酯、芳杂环型氰酸酯、诺夫拉克型氰酸酯等。

与已规模生产的酚醛树脂、环氧树脂(EP)和双马来酰亚胺树脂(BMI)等热固性树脂相比,氰酸酯树脂具有更优的综合性能,与其它正处于研究阶段的树脂(如聚酰亚胺树脂、聚苯并环丁烯树脂、聚苯并咪唑树脂等)相比,氰酸酯树脂成本低廉,具有更高的性价比。

因此,氰酸酯树脂已经被认为是21世纪具有巨大社会效益和经济效益的一类重要的树脂基体材料。

氰酸酯的改性方法较多,可以通过共聚改性氰酸酯实现,如氰酸酯与环氧树脂共聚,与聚醚多元醇共聚等。

也可以通过互穿网格结构改性氰酸酯,如氰酸酯与双马来酰亚胺互穿网格、氰酸酯与环氧树脂互穿网格、氰酸酯与聚氨酯互穿网格等。

也通过氰酸酯、聚胺亚胺和环氧树脂共聚的工艺方法来实现,调整三者之间的比例和工
特殊基板材料在印制电路板中应用的新进展①
陈世金 徐缓 罗旭 覃新 乔鹏程
(博敏电子股份有限公司 广东梅州 514768)
摘 要:文章概述了目前几种特殊板材在印制电路板中的应用,重点介绍了特殊板材的特性、优点和制作控制要点等,并提出了特殊板材今后的发展方向。

关键词:特殊板材 氰酸酯 氮化铝 导热胶膜 铝基板中图分类号:TN 405文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)08(c)-0019-03
①作者简介:陈世金(1978-),男,毕业于北京科技大学,高级工程师,主要从事新技术研究及新产品的开发。

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图1 氰酸酯单体的三聚反应
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艺条件,必要时添加适量的球形硅微粉,用丁酮做稀释剂,在高速搅拌下配制成固定含量在60%～70%的树脂溶液,按正常的压制条件,制成双面覆铜板。

可在产品的耐热性、介电性能、尺寸稳定性和和阻燃性等方面取得良好的综合效果。

该类覆铜板已通过各项性能检测,可满足HD I和I C 封装用高性能的开发需求,填补了国内空白,也表明我国覆铜板生产技术已经发展到一个崭新的水平。

由于改性后的氰酸酯具有以上优良特性,在高性能PCB、宇航结构部件、隐身材料、雷达罩、人造卫星等领域得到广泛地应用。

相信在不久的将来,随着科学人员研究的不断深入,氰酸酯及其改性的氰
酸酯树脂将具有更加优异的性能,应用将日趋广泛。

2.2AlN陶瓷基板
近年来随着电子元器件的功率和密度的增大,致使单位体积发热量也随之增加,对新一代电路基板的散热能力即热导率要求也越来越高。

由于大多数陶瓷是离子键或共价键极强的材料,具有优异的综合性能,如高绝缘性和高频特性,同时线膨胀系数与电子元件非常接近,化学性能非常稳定且导热率高[3-5]。

因此,陶瓷基板被广泛引用于某些特殊印制板中。

目前已投入使用的高导热陶瓷基板材料有Al 2O 3、AlN、SiC、BeO等,其性能各有不同。

在很长一段时间里,大功率混合集成电路的基板材料一直沿用Al 2O 3和BeO,但Al 2O 3的热导率低,热膨胀系数与Si不大匹配,而BeO因其成本高和具有剧毒特性而限制了应用推广。

AlN陶瓷基板的导热性是Al 2O 3的2～3倍,而介电常数(8.0)与Al 2O 3相似,高温下(1300℃)的机械能力相对于室温下只下降20%。

因此,它被广泛应用在大功率电力电子模块、汽车类高热部位电路板等要求电路板的高散热性领域。

随着航空、航天和其它智能功率系统对大功率耗热要求的提高,近年来迅速崛起的Al N已成为高温大功率射频封装应用的一种重要的新型无毒环保封装材料,其优良的性能受到世界各国的青睐,其研究已取得令人瞩目的进展[6]。

AlN晶体的晶格常数为a=0.31nm,c =0.498nm,属六方晶系,是以[AlN4]四方体为结构单元的矿型
共价键化合物,其结构图如图2所示[7-8]。

A lN 陶瓷基板的主要以流延成型法制备,该方法具有生产效率高、易实现连续化和自动化生产等优点,其具体工艺流程如图3所示[9]。

流延法制备A l N 陶瓷基板对工艺要求非常严格,要得到优良的AlN陶瓷基板,必须对流程中的每一道工序做到最优化。

影响制备基板性能的因素较多,主要包括有浆料粘度、排胶技术和预烧结等几个方面,此制备工艺流程设计诸多学科方面的知识,在此不做赘述。

虽然AlN陶瓷基板的应用前景十分广阔,但作为集成电路理想的材料,还存在着成本高、高温下难致密烧结和生产重复性等问题。

因此,AlN陶瓷基板要获得更广泛的应用还需要做更多的研究和工艺改进等。

A lN 陶瓷基板在印制电路板中还处于开发和小批量应用阶段,在近几年的应用逐渐增多,这主要得益于新型电子元件产品的快速发展和印制电路技术的提高。

如在2011年,KamCheunYung等[10]提出了一种制作AlN陶瓷基板印制电路板的新方法,该方法采用加成法制作,利用激光直接对AlN 陶瓷基板进行钻孔和线路制作,经激光照射后的区域形成一种活化物质,在随后的化学沉铜阶段不再需要钯离子的活化过程,直接进行铜沉积,最后电镀加厚形成所需PCB。

这种新的制作工艺出现,将会极大地促进Al N陶瓷基板在印制电路板中的应用,推动越来越多的特殊基板材料被深入研究和应用。

2.3高导热胶膜、铝基板
随着PCB向高密度化布线方向的发展,
其对P C B 基板材料散热的要求越来越高,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推崇。

近几年,LED作为一种环保节能光源,其在照明
领域发展前景广阔,吸引全球照明大厂家都先后加入LED光源及市场开发中[11]。

为适应中高端LE D照明市场铝基板基材性能的要求,国内外专家研制出高导热性胶膜,并结合多年覆铜板压合经验,推出适用于高性能L ED 照明市场性能稳定的铝基板。

塑化剂
粘合剂
A lN 和添加剂 球状研磨成粉末（24h）
球状研磨成粉末（24h）
真空条件下清除泡沫（30m i n）
流延成型
分散剂 溶解
消沫剂
粘度测试
清除塑料 （650℃条件下）
预烧结
（1100℃、有N 2条件下）
烧结
（1650℃、有N 2条件下）
测试 金属基层 导热绝缘层 导电层
图3
A l N 陶瓷基板流延法制备工艺流程图
图2 AlN的晶体结构
图4 高导热连续化胶膜结构示意图图5 高导热铝基板结构示意图
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高导热连续化胶膜由离型薄膜和高导热绝缘层组成,它是由提供粘接的树脂和高导热的无机填料组成的,是一种用于制造印制线电路板的特殊基材。

其结构示意图如图4所示。

金属基板用的高导热胶膜对制备材料的选择和加工工艺有着严格的要求,如树脂体系、填料的选择要考虑制成基板的热传导性、耐热性、耐击穿电压性和绝缘可靠性等。

对该类胶膜的制备及材料选择等在相关文献中有详细的讲述[11-12],大家可以参阅,在此不再详述。

高导热铝基板是铝基板行业中高端导热系数的铝基板,目前在全球有5～10家厂家在生产制造。

高导热铝基板的产品项目涵盖了照明产品整个行业,如商业照明,室内照明等,中国的高导热铝基板行业近5年的快速发展,到今天也造成了激烈的竞争局面。

因L E D照明相关技术与散热性能等原因,使LED在国内市场发展缓慢,而大部分LE D照明用于出口,这方面不断给于高导热铝基板发展空间与时间。

高导热铝基板是一种具有良好散热功能的金属基覆铜板,它由电路层(铜箔)、绝缘层和金属基层三层结构所组成(如图5)。

与传统的FR-4相比,铝基板能够将热阻降至最低,使其具有极好的热传导性;与厚膜陶瓷电路相比,它的机械性能有极为优良,具有许多独特的优势[13]。

铝基板PCB (MCPCB)的加工与FR-4PCB的加工有很多相似之处,也能共线生产。

但是,M CPC B加工也有其独特的地方,这往往会给MCP CB 的加工带来一定的麻烦甚至风险,如铝基板厚铜箔的蚀刻制作、铝基面浸蚀保护、铝基板机加工和印阻焊等。

高导热铝基板作为这一种特殊基板材料,其发展前景十分看好。

随着中国经济的迅猛发展,其庞大的市场需求将会推动铝
基板销量的增长,但国内高导热铝基板的
技术水平还处于一个较低的层次,与国外
同行技术相差甚远。

那么,如何摆脱这种产
业结构和技术水平的局限,赶超世界一流
水平,将成为国内同行业者所需要深思的。

3 结语
随着PCB和电子安装技术的不断发展,
特殊基板在印制电路板中的应用将逐渐广
泛,这已成为电子技术发展的新潮流,并趋
于向更多的应用领域蔓延。

表面安装技术
的问世,向PC B基板材料首次提出了适应
高密度化的问题,要求对PC B及其基板材
料在功能、性能上提出了新的要求,如高导
热性、耐热性和尺寸稳定性等。

新型的HDI
和IC载板对基板甚至提出了三元结构,基
板材料的辐射导热方式、远红外线放射的
散热方式等实例研究成果的出现,都将极
大地促进特殊基板的开发和应用[14-15]。

因
此,加强对特殊基板产业的投入,促进技术
研发、科技创新和完善制备工艺,大力发展
我国特殊基板及上下游配套产业,将会成
为未来发展的必然趋势,也会为我们迎来
更多的市场先机。

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[15]祝大同.C PC A展会上散热基板材料专
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计和分析软件的帮助,使得一些设计工作变得十分快捷。

传统的设计和分析过程是一项耗时且复杂的工作,必须经过不断改进、评估、试误以获得最佳结果。

比如最初的轮毂设计是:依据个人经验的积累对产品做出初步的设计,再由初步的设计去做出原始模型,生产出样品。

样品完成以后,进行试验以确保产品的可靠性。

初级样品经测试不能满足顾客对产品质量的需求时,再去修改原设计图,再做样品然后再测试。

此种方法费时且成本相当的高。

有了电脑辅助工程用于产品的开发、设计、分析与制造,省时又省力[7]。

现在的轮毂开发是:首先运用C A D、
U G设计图纸,在图纸设计完成后,运用
AN SY S软件作相关的性能模拟分析,然后
再调整再分析,直至达到理想状态。

最终设
计定型后,再进行模具设计、模具制作。

模
具完成后,进行试制,对试制的样品进行试
验验证,只要工艺正常,样品一次通过试验
的几率可达95％以上。

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