日立化成高導(dǎo)熱性多層板用基板材料的研制與特性

1、日立化成高導(dǎo)熱性多層板用新型基板材料的研制與特性 中國(guó)電子材料協(xié)會(huì)覆銅板材料分會(huì) 李小蘭1 前言近年來(lái)，汽車用基板、大功率元器件及l(fā)ed等小型、高功能化材料發(fā)熱量增大，因此對(duì)采用的高熱導(dǎo)性基板的散熱性提出了更高的要求?，F(xiàn)有高導(dǎo)熱性基板品種有陶瓷系列基板、金屬基導(dǎo)熱基板等，為了滿足電子產(chǎn)品的小型化、多層化、高密度化、低成本化等，非常需要對(duì)新型多層板用高導(dǎo)熱性有機(jī)樹脂基材的基板材料進(jìn)行研發(fā)、生產(chǎn)。 近年來(lái)，環(huán)境保護(hù)問(wèn)題成為人們一直關(guān)心的熱點(diǎn)問(wèn)題。在歐洲已經(jīng)出臺(tái)并實(shí)施以rohs為代表的電子儀器對(duì)有害物的限制規(guī)定的法規(guī)，因此無(wú)溴化的基板材料在電子產(chǎn)品用pcb中得到應(yīng)用已成勢(shì)在必行之事。另外，pcb的加

2、工過(guò)程中含有鉛，使用時(shí)會(huì)對(duì)人體造成危害，采用無(wú)鉛焊料去替代有鉛焊料，現(xiàn)已成為一種潮流。但無(wú)鉛焊料的熔點(diǎn)較高，要求pcb使用的基板材料在耐熱性方面要表現(xiàn)得更佳。因?yàn)?，在開發(fā)高導(dǎo)熱性有機(jī)樹脂型基板材料時(shí)，必須還要考慮不能使用像pbb、pbde等含溴的阻燃劑，而是采用不含溴的阻燃劑。在以上的市場(chǎng)需求背景下，日本日立化成公司開發(fā)出了適應(yīng)無(wú)鉛化焊接安裝的高耐熱性、無(wú)鹵化高導(dǎo)熱性多層板的基板材料（即高導(dǎo)熱性fr-4型覆銅板）。它的產(chǎn)品型號(hào)為“mcl-e-51g”（覆銅板型號(hào)）。2 mcl-e-51g高導(dǎo)熱性能的實(shí)現(xiàn)途徑具有高導(dǎo)熱性的mcl-e-51g開發(fā)，其中一個(gè)重要的課題，是賦予這種基板材料樹脂的高導(dǎo)熱

3、性。通常使基材具有高導(dǎo)熱性的辦法有以下三種：（1）在基板材料樹脂中使用高導(dǎo)熱性的填料；（2）在基板材料中樹脂加入的高導(dǎo)熱性填料，實(shí)現(xiàn)它的高填充比例；（3）在基材樹脂組成中，采用部分的高導(dǎo)熱性聚合物樹脂。在圖1中表示現(xiàn)在通常使用于pcb用基板材料樹脂中的各種高導(dǎo)熱性填料的導(dǎo)熱性能的比較。在圖1中所舉例的高導(dǎo)熱性填料包括：二氧化硅（sio2，即硅微粉）、氧化鋁（al2o3）、氧化鎂（mgo）、氮化硼（bn）、氮化硅（sin4）、碳化硅（sic）、硅（si）。bi性能的優(yōu)缺點(diǎn)。圖1 各種填料的熱導(dǎo)率表1 各種填料的性能項(xiàng)目al2o3mgobnsi3n4alnsic鉆孔加工性耐藥品性、耐水性充填性價(jià)格

4、注：表1中 良好，中，差日立化成公司在開發(fā)此種高導(dǎo)熱性有機(jī)樹脂覆銅板新產(chǎn)品中，在選擇導(dǎo)熱性填料問(wèn)題上，堅(jiān)持了幾條原則，即基材的熱傳導(dǎo)率大于1w/mk；既考慮要達(dá)到基材的各項(xiàng)常規(guī)性能又要突出低成本性；要達(dá)到良好的鉆孔加工性和其他性能。在這個(gè)原則下通過(guò)各方面實(shí)驗(yàn)，確定了合適的導(dǎo)熱填料。在提高導(dǎo)熱性填料的填充比例的試驗(yàn)中，該公司遇到的難題是高比例的無(wú)機(jī)填料的加入到樹脂中，由于填料產(chǎn)生聚集，使得基板材料的絕緣性能等變差。因此，研發(fā)者利用采用新型表面處理劑的手段，改善樹脂和填料的界面，使高比例加入的填料盡可能分散均勻，樹脂和填料結(jié)合良好。日立化成公司本公司采用以上技術(shù)成功地開發(fā)出高導(dǎo)熱性（mcl-e-5

5、1g）。它具有鉆孔加工性能優(yōu)異，基材的基本性能良好的特性，可適用于生產(chǎn)高導(dǎo)熱性多層線路板中。3 mcl-e-51g主要特性3.1 mcl-e-51g常規(guī)性能 mcl-e-51g的主要常規(guī)性能見(jiàn)表2所示，它的絕緣可靠性見(jiàn)圖2所示。 表2 mcl-e-51g檢測(cè)性能項(xiàng)目條件單位mcl-e-51g通用fr-4是否含溴無(wú)溴含溴熱導(dǎo)率xe-閃光法w/mk1.00.3tgtma165175120130cte *1）z（tg）ppm/20305070（tg）90120200300吸濕耐熱性pct 5h后*2）28820秒dip無(wú)氣泡、無(wú)分層有氣泡介電常數(shù)（1mhz）a5.25.34.74.8介質(zhì)損耗因數(shù)（1

6、mhz）a0.01300.01400.01400.0160耐漏電痕跡性（cti值）av600以上耐燃性（ul-94）av-0v-0鉆孔加工性*3）常用鉆孔方法3000孔3000孔多層化真空壓制可行可行注：*1）cte的板厚：0.8mm；*2）吸濕條件pct：121/0.2 mpa；*3) 常用的通孔直徑：0.3mm圖2 mcl-e-51g的絕緣可靠性對(duì)mcl-e-51g的導(dǎo)熱性的評(píng)價(jià)，是采用xe-閃光法測(cè)試其熱導(dǎo)率，其測(cè)定結(jié)果為1 w/mk，是常規(guī)fr-4型覆銅板的熱導(dǎo)率的3倍。采用tma法測(cè)試該ccl的tg為170。經(jīng)pct 5h處理后，焊錫在288條件下進(jìn)行的浸焊耐熱性的試驗(yàn)，可在20s內(nèi)

7、基材不出現(xiàn)分層、起泡。因此這種高導(dǎo)熱性ccl新產(chǎn)品具有適用于無(wú)鉛焊錫高溫?zé)釠_擊的高耐熱性。經(jīng)測(cè)定，基材的厚度方向的tg以上的熱膨脹系數(shù)（cte）為90120ppm/,只是常規(guī)fr-4型覆銅板cte值的1/2以下。同時(shí)可采用普通鉆頭（通孔直徑：0.3mm）進(jìn)行鉆孔性的評(píng)價(jià)，它的鉆孔加工性可采用通用的真空壓制方法制作多層的高導(dǎo)熱材料。在圖2中所表明此基材的絕緣可靠性?；牡脑囼?yàn)樣品的金屬孔間距0.3mm，經(jīng)過(guò)前處理后，在85/85%rh，100v條件下進(jìn)行耐金屬離子遷移（caf）的評(píng)價(jià)試驗(yàn)?；脑囼?yàn)樣品經(jīng)過(guò)1000小時(shí)的嚴(yán)酷環(huán)境條件的處理，其絕緣電阻沒(méi)有產(chǎn)生變差的現(xiàn)象，這也說(shuō)明該開發(fā)品具有優(yōu)異的絕

8、緣可靠性。3.2 mcl-e-51g散熱性能 mcl-e-51g的散熱性能是如圖3所示的評(píng)價(jià)樣品散熱性能的試驗(yàn)裝置。封裝后的大功率器件輸入功率是15w ，器件的表面溫度是由非接觸性溫度計(jì)測(cè)定的。圖4是元件溫度的測(cè)定結(jié)果，可以看出在mcl-e-51g上安裝的器件溫度比安裝在常規(guī)fr-4基材上的器件溫度要降低5080。 圖3 評(píng)價(jià)測(cè)試ccl樣品散熱性的裝置 圖4 器件溫度測(cè)定結(jié)果圖5表示在自然對(duì)流條件下（jesd51-2a）對(duì)ccl樣品的熱阻值評(píng)價(jià)裝置。組裝后的芯片輸入功率是2w，從芯片表面設(shè)置的二極管的性能可以求得恒定的芯片表面的溫度。圖6是兩種ccl的熱阻測(cè)定結(jié)果，fr-4的熱阻大約是62.5/w，本開發(fā)品的熱阻是56.2 /w，因此在自然對(duì)流條件下，采用本開發(fā)品的芯片表面溫度可以由采用fr-4時(shí)的148降低到136，多降低了12，可見(jiàn)芯片表面溫度的確降低了。圖5 自然對(duì)流條件下的樣品評(píng)價(jià)圖6 兩種ccl的熱阻測(cè)定結(jié)果4 結(jié)論日立化成公司在近期開發(fā)、并推向市場(chǎng)的mcl-e-51g覆銅板，其熱導(dǎo)率約是常規(guī)fr-4的3倍，并是一種可制作適用于無(wú)鉛制程的高耐熱性的高熱導(dǎo)率的多層板基材。由于它具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，很適用于目前市場(chǎng)迅速