特殊基板材料在印制电路板中应用的新进展

1、特殊基板材料在印制电路板中应用的新进 展作者：陈世金徐缓 罗旭 覃新乔鹏程来源：科技创新导报 2012年第24期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:TN405 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2012)08(c)-0019-031 刖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PCB技术和基板材料等均提岀了更高的要求。要求基

2、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,有更多特殊性能要求的提出。这就,以满足各类电子产品日益发展的不同度的提高，基板的的介电性能、散热性等也引起人们的关注 要求我们要不断开发具有特殊性能、高可靠性的基板材料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,并提岀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

3、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 (-160220C)和频率范围(1 X 1041X 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270C ,Td(热分解温度)为420C ,弯曲强度为170MPa,模量为3.2GPa,吸水率约为2%, 表现岀力学性能优、耐热性高、吸水率低的优点。特别突岀的是，氰酸酯树脂在从

4、 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( =2.643.11)和介电损耗值(tan S =0.0010.008), 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

5、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

6、各项性能检测，可满足HDI和IC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。2.2 AlN 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

7、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AI2O3、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Al2O3和BeO, 但 Al2O3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 Al2O3的23倍，而介电常数(8.0)与Al2O3相似，高温下(1300 C)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

8、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 AlN 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 。AIN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AIN陶瓷基板对工艺要求非常严格,要得到优良的

9、 AIN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 AIN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,AIN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。AIN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,KamCheu nYung等10提岀了一种制作 AIN陶瓷基板印制电路板

10、的新方法 ，该方法采用加成法制作，利用激光直 接对AIN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这种新的制作工艺岀现，将会极大地促进 AIN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PCB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。近几年丄ED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

11、场开发中11。为适应中高端 LED照明市场铝基板基材性能的要求，国内外专家研制岀高导热性胶膜，并结合多年覆铜板压合经验，推岀适用于高性能 LED照明市场性能稳定的铝基板。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。S撰池躺谄5侏襄越再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

12、铝基板行业中高端导热系数的铝基板，目前在全球有510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LED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LED照明用于岀口 ，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

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,MCPCB加工也有其独特的地方，这往往会给 MCPCB勺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

14、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PCB基板材料首次提岀了适应高密度化的问题，要求对PCB及其基板材料在功能、性能上提岀了新的要求，如高导热性、耐热性和尺寸稳定性等。新型的HDI和IC载板对基板甚至提岀了三元结构，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岀现，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。参考文献1 唐玉生，曾志安，陈立新，等.氰酸酯树

15、脂改性及应用概况J.工程塑料应用，2004,10.辜信实.HDI和IC封装用高性能覆铜板的开发J.印制电路信息，2006,6.2 王零森. 特种陶瓷 M, 长沙;中南大学出版社 ,2005.3 Markstein H W. A wide choice of materials for MCMsJ.Electronic Packaging and Production,1997,37(3):34-38.4 石功奇,王健,丁培道 .陶瓷基片材料的研究现状 J. 功能材料 ,1994.24(2):176-180.5 李秀清 .AlN 陶瓷封装的研究现状 J. 半导体情报 ,1999,36(2):13

16、-20.6 孟献丰，朱宏.AIN基板材料研究进展J.陶瓷研究与职业教育，2003,1(1):41-45.7 王超.AIN陶瓷基板材料的典型性能极其制备技术D.中国有色金属学报,2007.11(17):1729-1736.8 吴音, 周和平 . 缪卫国流延法制 AIN 陶瓷基片工艺 J. 电子元件与材料 ,1996,15(1):20- 23.9 Kam Cheun Yung,Cong Chen,Chung Pang Lee.”Laser induced activationof circuit Iines and via-hoIes on AIN for eIectroIess metaI pIating ”.AppIiedSurface Science On Science Direct,257(2011):6601-6606.10 刘阳,刘玉群 ,