高散热性覆铜板的性能、技术与应用(上)――特殊性能CCL的发展综述之一

　　综述与评论高散热性覆铜板的性能、技术与应用（上〉一一特殊性能CCL的发展综述之一祝大同要随着PCB在应用市场领域的不断扩大，也对所使用的基板材料性能提出了许多特殊的要求。文章对近年高散热性覆铜板的技术与应用领域的发展变化作以综述。

　　求、原材料使用、生产工艺、性能测试都与常规CCL有所不同，还表现在研发思路上的差别。但也应看到，特殊性能CCL在工艺技术上与常规CCL存在着许多共性。绝大多数的特殊性能CCL的工艺技术是在常规CCL工艺技术基础上的继承、延伸与新的发展。本文将以连载形式分别介绍曰本在典型的特殊性能CCL品种上的应用及技术新进展，特别是13它与常规CCL在特性上与共性上做一些综述。一本篇主要介绍汽车电子产品中采用的高散热性CCL的技术进展。

　　随着印制电路板在应用市场领域的不断扩大，对所使用的基板材料性能提出了许多特殊的要求。

　　这对于覆铜板生产厂家开辟新的市场、推出新的品种，甚至构筑一种新的CCL品牌提供了一个好的机遇。近年来在世界CCL业界，特别是在曰本CCL业界，具有特殊性能的CCL的制造工艺上有了长足的进展，研发特殊性能CCL工作开展要比以往表现得更为活跃，更为普遍。

　　特殊性能CCL表现在它的应用领域与常规CCL有所不同，这也就注定了它在性能的重点项目与要综述与评论1覆铜板的散热生与此产品的开发1.1高分子复合材料的导热性个新研究领域的开辟随着高分子科学技术的进步，高分子材料也成为导电、导热领域中的新角色，由此它颠覆了多年来的传统高分子材料绝缘隔热的概念。近年高分子复合材料研究、应用的重要进展之一，使它既保留原有的绝缘性、耐热性，又赋予它新的高导热性的功能。一类具有高导热系数性CCL的问世及应用领域的扩展，就是这一科学技术新进步的代表例之一。

　　热能传输不是沿着一条直线从物体的一端传到另一端，而是采用扩散形式。热能的荷载者包括有电子、光子和声子（Phonon）。对于绝大多数固体物质，热能荷载者是电子和声子。对于大多数高分子聚合物材料来讲，它们都是饱和体系，结构中没有（或极少有）自由电子的存在，所以它的热传导主要是晶格搌动的结果，即热能的荷载者是声子。

　　提高填充型高分子复合材料导热性能的途径有两种：（1）合成具有高导热系数的结构聚合物，主要通过它的芫整结晶性构成协调的晶格搌动，以声子为热能载流子去实现高导热性；（2）通过高导热无机填料对聚合物进行填充，提高复合材料的导热性能。由于良好导热性能高分子树脂价格昂责，利用具有原子晶体形式和致密结构的无机填料的填充，制备出高导热性能高分子复合材料已成为目前较广泛采用的方法。当然，上述两种手段的并用，也会达到更好的散热效果。

　　1.2导热系数与导热模型表征基板材料导热性能的特性参数有导热系数（又）、热扩散系数（a）、比热、热阻等。导热系数（又称为热导率、热导系数）是表示材料热传导能力的物理量，一般以“瓦/米度（华氏）（W/mK）”来表示，也可以“干卡/米小时-C（kW/mhC）”表示。表1中例举了各种材料（多数是与CCL结构组成相关的材料）的导热系数、绝缘性能情况。

　　Agari等较早地提出了复合材料的导热模型，用此模型对高填充和超高填充的导热材料的散热功效进行了预测。他对不同压力下填充粒子的表观密，。PrintedCircuitInformation印制电路信息25W.5表1不同材料的导热系数导热体积电阻W-cmi环氧树脂固化物酚醛树脂固化物聚酰亚胺树脂固化物双酚A环氧树脂固化物金钼属铜铁填氮化硼（立方体晶型）充氮化硼（六方晶型）三氧化二铝增氮化铝强硅微粉（结晶型）材硅微粉（熔融型）料碳化硅E型玻璃纤维布基氧化铝陶瓷基板板氮化铝陶瓷材较高性能的铝基CCL料一般FR-4基CCL度进行测量，并计算了空隙度（FV），FV与粒子的临界体积分数（CPVC）有关，即CPVC=12FV.他提出：由于在复合材料的制备中，填料会影响聚合物的结晶度和结晶尺寸，从而改变聚合物的导热系数，因此他考虑了填料的影响，并假定均匀分散，而得到了理论等式见公；第四等级，导热系数在10.0W/mK以上的基板材料' 1.3散热性CCL给CCL业提出了新课题与开辟了新市场自进入20世纪90年代以来，电子产品的散热问题无疑已成为摆在电子设计苜们面前的大挑战之一。随着PCB业向着高密度、多层化方向的不断发展，元器件在PCB上搭载、安装的空间大幅减少，整机电子产品对功率元器件的功率要求越来越高。小空间大功率不可避免地产生更多的热量聚集，造成元器件电气性能下降甚至损。另一方面，需在高耐热环境长期工作的PCB的应用市场在不断迅速的扩大，像汽车电子、高集成度的IC封装基板、LED基板、新型电源模块等。对于搭载元器件并导通它们之间的电路的基板来讲，赋予它高散热性的这一新功能，则要求其基板材料既要有高热传导性，又要具有高绝缘性。

　　陶瓷基覆铜板或金属基覆铜板是同时兼备这两项性能的基板材料，10，但由于陶瓷基CCL或是金属基CCL在实现轻质、优异加工性、多层化、低成本方面都存在着不易解决的问题，近些年来世界CCL业中许多厂家努力在有机树脂-玻纤基CCL方面开展新技术、新品种的研发，以达到部分替代陶瓷基CCL或是金属基CCL产品的目的。它不仅开拓了有机树脂一玻纤基CCL的新应用市场，而且还很大程度的推进了CCL制造技术的进步。然而，如何选择、应用高散热性的树脂和无机填料，就成为开发此类CCL产品中的关键。

　　2汽车电子产品应用及对PCB性能的特殊要求在有机树脂-玻纤基CCL产品开辟有高导热性需求的基板材料市场的进程中，已获较大成效的目标市场之一是汽车电子产品。

　　自20世纪50年代半导体开关元件在汽车上采用，创建了一个新兴产业一一汽车电子制造业。它发展至今已有354亿美元（以2007年计）年销售收入。2004年~2007年，汽车电子产品市场的发展趋势如圄1所示。从圄1可以看出，在2007年世界汽车电子产品的市场中，安全和舒适类的汽车电子产品销售额占4 8；动力传动系统产品占30；车身和底盘控制类产品占14；仪表和显示类产品约占8.汽车电子的高速发展，给印制电路板及其基板材料提供一个迅速扩大以及前景广阔的新兴市场。

　　世界汽车电子产品的市场变化当前，在汽车制造技术发展中具有迅速实现电子信息化的特点。搭载汽车上的电子产品主要追求四大性能的提高：更好的安全性，更快的信息处理，更密切的环境保护的对应，更快捷，便利性。这类电子产品主要包括gps、abs、etc、eps等，还有避免碰撞，确保夜间行车安全的电子控制产品、安全防卫系统等。汽车电子产品用PCB，更需高耐电压、高耐热的特性，并在它的运行环境上要比一般电子产品用PCB要恶劣、严酷。

　　综述与评以圄2所示为例，搭载在汽车发动机内的基板，以及在它周围部件的基板，它的长时间工作温度超过了100C.特别是汽车中换流器装置用的印制电路板，有大电流通过及施加高电压。因此，用于汽车电子的许多PCB的基板材料都需要具有高热传导性、高绝缘性的性能特点。

　　综述与评论3新神户电机汽车电子用高散热性覆铜板开发过程的概述2001年起新神户电机公司与曰立制作所共同合作开发高散热性的覆铜板。担当这项开发工作的两个研究机构在分工上是：由曰立制作所提供高导热系数的环氧树脂，由新神户电机公司开发用这种环氧树脂为主要基体树脂的此类特性的CCU2002年6月这项课题获得初步的成果，开始由两家共同申请专利。

　　2002年在曰立制作所网站上发表了题为《采用纳米工艺技术开发成功具有世界高的热传导率的环氧树脂》的文章，首次报道了曰立制作所开发的这种含有中间基（MfesoGenic）高热导性环氧树脂的成果。它比一般环氧树脂的导热系数的金属材料所不同的是不带自由电子的绝缘材料，它是利用声子来作为热能传导的荷载体。为提高声子的导热功效，他们在树脂中引入了纳米级的结构，避免会使声子散乱的现象发生（声子散乱会造成导热系数的下降），实施了树脂结构的取向、延伸等物理的处理。“刊物上，首次发表了新神户电机公司与曰立制作所研发的高散热性覆铜板成果（此文以下简称为高热传导性的无机填料（导热系数约为30W/m>K）作为树脂胶液的主要成分，浸以玻纤材料、压制成型而构成的。CCL的热导率高于一般FR~4板2.5倍，达到1.2W/m>K~1.35W/m>K. 2004年1月8曰，曰本专利局批准公开了新神户电机公司的首篇高散热性覆铜板成果的专利。

　　专利发明人有伊藤玄、野田雅之、驵田满利（以上三位为新神户电机公司的技术人员），竹泽由高、赤正树（以上两位为曰立制作所的技术人员），他们五人都是在2003年发表有关高散热性覆铜板成果文章的作者。不久，曰立制作所的首篇高热导性环氧树脂成果的专利于2004年1月25曰由曰本专利局批准公开。此专利发明人有竹泽由高、赤正树、师冈寿至。该专利是在世界原有的这类树脂合成技术成果上又在树脂合成方面的新突破（其技术进步的内容主要表现在降低了原环氧树脂的熔点、简化了合成路线、降低了工业生产的成本）。

　　性CCL所开展的研究成果以论文的形式在《新神户亍々二力儿bTR―卜》刊物上第二次、第三次发表（以下分别简称为“2005年版”和“2007年版”

　　r8，对此课题的主要技术进步与物（据该公司在同期申请的专利内容分析得知，它是氮化硼），替代了原采用的无机物（在“2003年版”文章提及，它的导热系数为30W/mK），这不仅使得所制出的CCL在导热系数方面比初创的高散热性CCL提高了近五倍（达到10W/mvK），而且还提高了CCL的吸湿后绝缘性；（2）进一步解决了填料在树脂胶液中的均一分散问题；（3）提高了铜箔剥离强度。

　　2007年版“文章中，对此课题研究与前两篇文章比，又有两方面的技术改进：（1）采用了两种以上的高散热性无机填料的复合技术，对初创的高散热性CCL在厚度方向散热性相对表现较低的问题加以解决，改善了CCL的散热异向性；（2）在填料与树脂的混合手段上，由原来的强制混合工艺改用为混炼混合的方式，以实现高散热性无机填料的高填充量（占树脂组成的60以上）。

　　2007年版“文章中还可分析出，研发者针对高散热性ccl的不同应用领域，将产品的形态分为两种：一种是中等填充量型的高散热性CCL产品，它主要应用在PCB制造中，或者是钼金属基CCL制造中（作为它的树脂绝缘层），以代替传统的金属基CCL；另一种是高填充量型的高散热性CCL产品，它主要应用于有机树脂一玻纤基模块基板（即IC封装基板）中，以代替传统的用于IC封装衬底的陶瓷基板。对这类高散热性CCL的导热系数值的定位，他们又有新的认识：他们并未一味追求导热系数的更高值，可能是出于实现板的表2.表2两种高散热性CCL的产品形态中等填充量型的高填充量型的树脂体系以含中间基结构的液晶环氧树脂为主体填料种类氮化硼类高导热系数填料+非鳞片填料以上导热系数增强基材玻纤布、玻纤纸（毡）玻纤纸（毡）产品形态印制电路板、铝基板模块基板应用领域替代传统的铝基板替代陶瓷基板4新神户电机公司高散热性覆铜板技术开发的要点综述4.1高散热性环氧树脂的开发与应用声子作为热能的荷载者，它对导热系数影响的自身因素主要表现在声子散乱程度上。声子散乱又分为静态散乱和动态散乱。静态散乱是由材料中存在缺陷而造成；动态散乱（UnklappProcess）主要是由分子搌动和晶格搌动的非协调性引起声子间的相互碰撞所造成。一般的高分子绝缘材料，都具有材料中缺陷多及分子搌动和晶格搌动不协调的特点，因此它不能很好利用声子作为荷载体，达到高传热的效果。

　　新神户电机公司所研发的高散热性覆铜板，始终是与曰立制造所共同合作进行的。曰立制造所在世界上较早的开发出高散热性液晶型环氧树脂。

　　这种具有高导热系数性的环氧树脂的主要发明人一竹泽由高、赤正树等的开发思路是：大环氧树脂的组成分子结构的“秩序性”，从而提高分子搌动和晶格搌动的协调性，减少树脂材料中的分子缺纟综陷，克服声子散乱，达到在分子裢间方向的导热性I述提高。而要实现分子结构的“秩序性”，他们主U要采用了在CCL用环氧树脂分子中引入含有中间基与的结构，通过聚合成为液晶性树脂的技术路线。i平圄3描述了这种液晶性环氧树脂实现有序的分子论取向，所经过的三个阶段演变过程：初在含中间基的单体中，分子是处于取向无序的状态，见圄3（a）；在它的聚合条件温度下（150C左右），有部分的分子以中间基为中心，形成有序的取向状态，见圄3（b）；在经过了聚合反应的后固化阶段，它的绝大多数分子达到了有序的取向的良好状态见圄3查寻很多新神户电机公司以开发高散热性CCL为主题的曰本专利，可以得到这样一个结论：这些专利的实施例中所采用的高散热、含中间基的液晶性环氧树脂，都是睢一的一个品种，即曰本环氧树脂公司（中八工术牛シレク>）生产的YL6121HYL6121H是一种含联苯型结构的环氧树脂品种。它的ICI粘度为0.15（P/150C）；环氧当量170~180（g/eq）；其化学结构式见圄4，YL6121H是按照所示的R=H和R=CH3的化合物约1：1的混合物。

　　4.2高散热性无机填料选择与应用在新神户电机公司这项开发中，提高CCL导热系数的重要的两个手段有：用高散热性树脂和高综述与评论又mix树脂材料的导热系数；又filler填料的导热系数；v―填料在树脂组成中的比例（体积比）；x一一填料的形状常数（x=2为球形，小。

　　自2001年起，随着该公司对高散热性CCL研发工作的不断深入，他们对所选择的主要填料，自身导热系数、粒径、形态、表面处理、混入于树脂中的含量及加工条件、形成填料型复合材料的成形加工条件（温度、压力等）对CCL导热系数的影响有了越来越深刻的认识。

　　在填料的选择上，鉴于填料填充量过份的大，会造成半固化片和CCL的固化成形加工的困难，因此采用高导热系数的无机填料是此课题中需要首要解决的问题。研发者经过多年的试验，确定的是导热系数为60W/n>K的鳞片状氮化硼填料（曰本电气化学工业公司产，牌号“GP”）。从它的结构分析氮化硼是具有原子晶体形式和致密的结构，利于以声子作为载流子的热能传导。

　　填料的粒径大小也是一个影响CCL导热系数的重要因素。在该公司一篇研究高散热性CCL的专利中提到：当填料的平均粒径（rf）过小（如选用的氮化硼c/<1mm），填料粒子间的接触点大，当它的平均粒径过大（如选用的氮化硼rf>20mm），它对玻纤布经纬纱所围成空隙的填充效果变差，这两方面都造成CCL的导热系数无法提高。

　　填料的形态不同，在所制出的CCL散热方向上也有较大的差异。新神户电机公司根据高散热性CCL的不同应用领域，对散热性（特别是散热方向）的不同要求，进一步的对填料形态与基板散热方向作了更细、更深的研究。近两三年，他们其中一个重点的研究方向是提高汽车电子产品用PCB基板材料厚度方向的导热系数。过去他们在高散热性CCL开发成果的重要技术基础之一是采用了高导热系数的氮化硼填料。运用这种鳞片状填料所制出的基板，它的散热通道主要是在板的侧面（圄6），而安装在汽车发动机内的换流器上PCB，所接受到的主要热源在其上方。基板理想的散热通路应是垂直于基板的方向，这样可将热能由基板的上方传至基板的底部，再经散热板、通有冷却水的装置散到部件以外（圄7）。

　　搭载汽车发动机内电子装置情况及散热通路针对这一要求，研发者在提高CCL的厚度方向导热系数方面作了有效的改进：一方面大玻纤强材料的孔隙率；另一方面，改用复合型填料，将鳞片状氮化硼与粒状无机填料混合在一起使用。将较高导热系数以及粒状形态的无机填料也加入到树脂表3新神户电机公司专利中高散热性gcl研发的试验配方及其评价举例实施例比较例综述与评注：YL6121H为含联苯型结构的液晶型环氧树脂，日本环氧树脂公司产。EP828为一般双酚A型环氧树脂，环氧当量185，曰本环氧树脂公司产。◎代表优；O代表良；△代表一般；x代表差。

　　祝大同。PCB用高耐热性基板材料的技术进展。覆铜板蔡建华。高散热印制电路板及其应用化工设计通讯，袁大宏。未来十年汽车电子发展趋势。ECN2006祝大同。多层PCB用基板材料的技术发展趋势。覆铜板资讯，2007，吣3于亍々口一活用世界高率在有才伊藤玄等（日）。大流用高放峰板檫半。新神户亍々二力术一卜15号（2005.3）山仲浩之伊藤玄等（日）大流用高放峰板檫半新神户亍々二力儿k术一卜17号（2007.3）中，所制的CCL加强了垂直散热的特点，这种做法有利于CCL的厚度方向导热系数提高。据在新神户电机公司的有关专利中提及，所选用的这种粒状无机填料主要是氧化钼，由曰本住友化学公司产，产品牌号为“AA-3”，平均粒径为2mm，导热系数为30W/mK.表3是从新神户电机公司的特开2007-224269专利中所摘录部分实施例、比较例。从中得到不同的环氧树脂结构、无机填料品种及形态、无机填料粒径、无机填料的填加量、玻纤布的空隙量对所制CCL厚度方向的散热效果（以厚度方向导热系数、元器件发热的散热程度作评价）影响。

　　此文撰写中得到了清华大学材料科学与工程系田民波教授的指导，特表示衷心的感谢。E51