日立化成高导热性多层板用基板材料的研制与特性.doc

日立化成高导热性多层板用新型基板材料的研制与特性 中国电子材料协会覆铜板材料分会 李小兰1 前言近年来，汽车用基板、大功率元器件及LED等小型、高功能化材料发热量增大，因此对采用的高热导性基板的散热性提出了更高的要求。现有高导热性基板品种有陶瓷系列基板、金属基导热基板等，为了满足电子产品的小型化、多层化、高密度化、低成本化等，非常需要对新型多层板用高导热性有机树脂基材的基板材料进行研发、生产。 近年来，环境保护问题成为人们一直关心的热点问题。在欧洲已经出台并实施以RoHS为代表的电子仪器对有害物的限制规定的法规，因此无溴化的基板材料在电子产品用PCB中得到应用已成势在必行之事。另外，PCB的加工过程中含有铅，使用时会对人体造成危害，采用无铅焊料去替代有铅焊料，现已成为一种潮流。但无铅焊料的熔点较高，要求PCB使用的基板材料在耐热性方面要表现得更佳。因为，在开发高导热性有机树脂型基板材料时，必须还要考虑不能使用像PBB、PBDE等含溴的阻燃剂，而是采用不含溴的阻燃剂。在以上的市场需求背景下，日本日立化成公司开发出了适应无铅化焊接安装的高耐热性、无卤化高导热性多层板的基板材料（即高导热性FR-4型覆铜板）。它的产品型号为“MCL-E-51G”（覆铜板型号）。2 MCL-E-51G高导热性能的实现途径具有高导热性的MCL-E-51G开发，其中一个重要的课题，是赋予这种基板材料树脂的高导热性。通常使基材具有高导热性的办法有以下三种：（1）在基板材料树脂中使用高导热性的填料；（2）在基板材料中树脂加入的高导热性填料，实现它的高填充比例；（3）在基材树脂组成中，采用部分的高导热性聚合物树脂。在图1中表示现在通常使用于PCB用基板材料树脂中的各种高导热性填料的导热性能的比较。在图1中所举例的高导热性填料包括：二氧化硅（SiO2，即硅微粉）、氧化铝（Al2O3）、氧化镁（MgO）、氮化硼（BN）、氮化硅（SiN4）、碳化硅（SiC）、硅（Si）。BI性能的优缺点。图1 各种填料的热导率表1 各种填料的性能项目Al2O3MgOBNSi3N4AlNSiC钻孔加工性×××耐药品性、耐水性××充填性×××价格××××注：表1中 良好，中，×差日立化成公司在开发此种高导热性有机树脂覆铜板新产品中，在选择导热性填料问题上，坚持了几条原则，即基材的热传导率大于1W/m·k；既考虑要达到基材的各项常规性能又要突出低成本性；要达到良好的钻孔加工性和其他性能。在这个原则下通过各方面实验，确定了合适的导热填料。在提高导热性填料的填充比例的试验中，该公司遇到的难题是高比例的无机填料的加入到树脂中，由于填料产生聚集，使得基板材料的绝缘性能等变差。因此，研发者利用采用新型表面处理剂的手段，改善树脂和填料的界面，使高比例加入的填料尽可能分散均匀，树脂和填料结合良好。日立化成公司本公司采用以上技术成功地开发出高导热性（MCL-E-51G）。它具有钻孔加工性能优异，基材的基本性能良好的特性，可适用于生产高导热性多层线路板中。3 MCL-E-51G主要特性3.1 MCL-E-51G常规性能 MCL-E-51G的主要常规性能见表2所示，它的绝缘可靠性见图2所示。 表2 MCl-E-51G检测性能项目条件单位MCL-E-51G通用FR-4是否含溴无溴含溴热导率Xe-闪光法W/m·K1.00.3TgTMA165175120130CTE *1）Z（Tg）ppm/20305070（Tg）90120200300吸湿耐热性PCT 5h后*2）28820秒Dip无气泡、无分层有气泡介电常数（1MHz）A5.25.34.74.8介质损耗因数（1MHz）A0.01300.01400.01400.0160耐漏电痕迹性（CTI值）AV600以上耐燃性（UL-94）AV-0V-0钻孔加工性*3）常用钻孔方法3000孔3000孔多层化真空压制可行可行注：*1）CTE的板厚：0.8mm；*2）吸湿条件PCT：121/0.2 MPa；*3) 常用的通孔直径：0.3mm图2 MCL-E-51G的绝缘可靠性对MCL-E-51G的导热性的评价，是采用Xe-闪光法测试其热导率，其测定结果为1 W/m·k，是常规FR-4型覆铜板的热导率的3倍。采用TMA法测试该CCL的Tg为170。经PCT 5h处理后，焊锡在288条件下进行的浸焊耐热性的试验，可在20s内基材不出现分层、起泡。因此这种高导热性CCL新产品具有适用于无铅焊锡高温热冲击的高耐热性。经测定，基材的厚度方向的Tg以上的热膨胀系数（CTE）为90120ppm/,只是常规FR-4型覆铜板CTE值的1/2以下。同时可采用普通钻头（通孔直径：0.3mm）进行钻孔性的评价，它的钻孔加工性可采用通用的真空压制方法制作多层的高导热材料。在图2中所表明此基材的绝缘可靠性。基材的试验样品的金属孔间距0.3mm，经过前处理后，在85/85%RH，100V条件下进行耐金属离子迁移（CAF）的评价试验。基材试验样品经过1000小时的严酷环境条件的处理，其绝缘电阻没有产生变差的现象，这也说明该开发品具有优异的绝缘可靠性。3.2 MCL-E-51G散热性能 MCL-E-51G的散热性能是如图3所示的评价样品散热性能的试验装置。封装后的大功率器件输入功率是15W ，器件的表面温度是由非接触性温度计测定的。图4是元件温度的测定结果，可以看出在MCL-E-51G上安装的器件温度比安装在常规FR-4基材上的器件温度要降低5080。 图3 评价测试CCL样品散热性的装置 图4 器件温度测定结果图5表示在自然对流条件下（JESD51-2A）对CCL样品的热阻值评价装置。组装后的芯片输入功率是2W，从芯片表面设置的二极管的性能可以求得恒定的芯片表面的温度。图6是两种CCL的热阻测定结果，FR-4的热阻大约是62.5/w，本开发品的热阻是56.2 /W，因此在自然对流条件下，采用本开发品的芯片表面温度可以由采用FR-4时的148降低到136，多降低了12，可见芯片表面温度的确降低了。图5 自然对流条件下的样品评价图6 两种CCL的热阻测定结果4 结论日立化成公司在近期开发、并推向市场的MCL-E-51G覆铜板，其热导率约是常规FR-4的3倍，并是一种可制作适用于无铅制程的高耐热性的高热导率的多层板基材。由于它具有优良的导热性能，很适用于目前市场迅速扩大的车载用ECU基板、高功率器件基板和LED基板等。它作为一种可制作多层印制电路板的高导热性基板材料，利于今后的元器件向小型化、高密度化和高性能方向发展。 本编译自：（日） JPCA Show 2010/ 2010/2010 /JISSO PROTEC 2010 NPI