高熱導率陶瓷基印刷電路板及其製作方法

2023-12-06 05:46:36

專利名稱：高熱導率陶瓷基印刷電路板及其製作方法
技術領域：
本發明涉及印刷電路板，尤其涉及一種高熱導率陶瓷基印刷電路板及 其製作方法，屬於印刷電路板技術領域。
背景技術：
在封裝技術的發展中，功能提升及縮小化造成發熱密度越來越高，一些LED產品只靠封裝設計已無法散去足夠的熱，必須藉由PCB的設計來 加強散熱功能。目前，大功率半導體發光二極體(LED)照明光源主要應 用於金屬鋁材料為基材的印刷電路板，首當其衝的是選用金屬鋁基的印刷 電路板作為LED的載體，鋁基板一方面起固定作用，另一方面起散熱作用， LED正常工作時產生的熱量首先通過鋁基印刷電路板導出。對於運用傳統 加工工藝製造的金屬鋁基印刷電路板，在上導電層與底層鋁基板之間承擔 電氣絕緣的導熱絕緣層，其熱傳導率比較低，如樹脂的導熱率一般為 0.3w/mk，而玻璃纖維的導熱率也不足lw/mk，因此，鋁基印刷電路板限制了大功率半導體發光二極體用作照明光源時其優越性能的發揮。隨著LED科學研究的不斷發展和晶片工藝生產水平的不斷提升,大功 率LED封裝技術日臻成熟，發光效率得以大大提高，其應用領域不斷拓展。 但是，LED發光將電能轉變為光能的過程中，由於有電阻和輻射複合，LED 會產生大量的熱。如果，大功率LED用於特種燈具，或用於惡劣環境使用 的燈具，這些燈具的外殼防護等級一般都在IP65以上，如果外殼為非金屬 (如塑膠)材料，儘管LED連接上了鋁基板(MCPCB)，但鋁基板上的熱量如果不能被有效地傳導至外殼表面，則聚集的熱量會使鋁基板的溫度急 劇上升，導致溫度過高，增加了LED失效的可能性，造成LED光衰加劇、壽命縮短。因此，如何選擇印刷電路板材料及散熱研究已成為目前基板設 計的一大挑戰。發明內容本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種高熱導率陶瓷基印 刷電路板及其製作方法，旨在有效解決印刷電路板的散熱問題，明顯改善 導熱性能、電氣絕緣性能和機械加工性能。本發明的目的通過以下技術方案來實現高熱導率陶瓷基印刷電路板，包括底層、中間絕緣層和表面導電層， 導電層上分布有導電線路，其特徵在於所述底層是高熱導率的氮化鋁陶 瓷層，中間絕緣層為高導熱的環氧玻纖布粘結片或者高導熱環氧樹脂聚合 物。進一步地，上述的高熱導率陶瓷基印刷電路板，其中，所述陶瓷層的厚度為10 1000um，陶瓷粉末的顆粒大小為10 200 nm，其絕緣電阻 》100 MQ。更進一步地，上述的高熱導率陶瓷基印刷電路板，其中，所述導電層 的材料是銅、金、銀或鈀，導電層的局部還塗有銦金合金或者金錫合金。更進一步地，上述的高熱導率陶瓷基印刷電路板，其中，所述高熱導 率陶瓷基印刷電路板為雙面板，在高熱導率陶瓷層的下面也有導電層。再進一步地，上述的高熱導率陶瓷基印刷電路板的製作方法，其特徵在於包括以下步驟——① 選用環氧樹脂覆銅薄，採用機械、超聲波或者化學方法對板材表面 進行預處理，去油汙、毛剌，雜質，形成清潔平整的絕緣層；② 採用氣相澱積表面陶瓷化的方法在預處理後的絕緣層表面製作陶瓷層用高能量密度的雷射束、離子束作為熱源，輔助和誘導氣相反應制 備薄膜材料，用氣流吹送陶瓷粉末，向電路板高速噴射，利用與電路板的 撞擊而形成膜，表面形成強化陶瓷薄膜，然後對陶瓷薄膜進行封閉氣相澱積處理，經烘乾後獲得高熱導率陶瓷層；③在絕緣層的外面全部覆蓋導電層，再在導電層上面蝕刻製作導電線 路；或者在絕緣層的外面局部塗覆防護膜，再通過濺射或蒸鍍的方法直接 製作導電線路。本發明技術方案的突出的實質性特點和顯著的進步主要體現在 (1 )本發明在玻璃纖維布粘結片或者環氧樹脂聚合物表面生成陶瓷 薄膜層，採用氣相澱積法，工藝穩定可靠，主要反應在常溫下進行，原材 料符合環保要求；(2) 高熱導率陶瓷基印刷電路板的熱膨脹率小，具有優異的散熱性 能，其散熱效果卓越；在陶瓷膜厚度100pm時，板的原材料厚度方向的熱 膨脹係數差異小，受熱基材膨脹變化差異小，避免銅線路和金屬化孔間斷 裂而造成破壞；另外，氮化鋁陶瓷薄膜的熱阻較低，具有良好的散熱特性；(3) 防靜電性能較好，在陶瓷膜厚度100pm時，表面絕緣電阻可達 100MQ,為靜電耗散材料，能夠有效擴散靜電，防止靜電擊穿電器元件；(4) 高熱導率陶瓷基板具有高機械強度和韌性，在高熱導率陶瓷基板上可實現大面積的印製板的製造，與玻璃纖維布粘結片或者環氧樹脂聚 合物結合牢固，能夠有效地克服導電層、絕緣層、基板之間因不同膨脹係數而引起的應力效應，可承受鑽孔、衝剪、切割、蝕刻等加工；(5) 電磁屏蔽性能良好，高熱導率陶瓷基板可充當屏蔽板，起到屏 蔽電磁波的作用，可用於製造較大面積的線路板，在改善電子兼容性方面 具有較廣闊的應用前景；(6) 高熱導率陶瓷基印刷電路板可適用於有特殊要求的電路，如 大功率LED發光二極體器件電路、厚膜混合集成電路、多晶片模塊(multichip module)、陶瓷基片難以勝任的大規模基片、使用普通散熱器 不能解決可靠性的電路等。


下面結合附圖對本發明技術方案作進一步說明 圖1:本發明單面型高熱導率陶瓷基印刷電路板的結構示意圖； 圖2:本發明雙面型高熱導率陶瓷基印刷電路板的結構示意圖； 圖3:本發明高熱導率陶瓷基印刷電路板的製作工藝流程圖。 圖中各附圖標記的含義是l一導電層，2 —絕緣層，3 —高熱導率陶 瓷層，4一導電層。
具體實施方式
眾所周知，氮化鋁的性能和用途與氧化鈹類似，具有高熱導率(120 200W/mk)和優良的電氣、機械性能，但不像氧化鈹那樣具有毒性。氮化 鋁的熱膨脹係數(4.4xl(T6/°C)低，可與矽的熱膨脹係數(3xl(T6/°C) 形成良好的匹配。氮化鋁在陶瓷中具有較高的導熱性(比氧化鋁高3 5 倍)、低的電導率、介電常數及介電損耗。陶瓷層的厚度為10 1000um， 陶瓷粉末的顆粒大小為10 200 nm,其絕緣電阻》100 MQ;同時，氮化 鋁薄膜的導熱率可達120w/mk，遠遠高於一般的纖維和樹脂，而且薄膜質 地緻密均勻，耐熱性及抗腐蝕性好。本發明提供一種以陶瓷薄膜層作為底層的印刷電路板，陶瓷薄膜層的 化學成分是鋁的氮化物，即氮化鋁。單面板高熱導率陶瓷基印刷電路板的 基本結構分為三層，如圖1所示，包括外部導電層l、中間導熱絕緣層2、氮化鋁陶瓷薄膜層3;外部導電層1可以是全部覆蓋的金屬層，也可以是 直接製作的導電線路；中間導熱絕緣層2為高導熱的環氧玻纖布粘結片或 者特殊的高導熱環氧樹脂聚合物；高熱導率的氮化鋁陶瓷薄膜層3的厚度 為10 1000pm，其絕緣電阻^100MQ。圖2為雙面板高熱導率陶瓷基印刷電路板的結構示意圖，基本結構分 為四層外部導電層1和4、絕緣層2及陶瓷層3，外部導電層1和4的 材料為銅箔，厚度一般在9 70拜，可通過加大銅箔厚度和面積使導電層獲得較大的載流能力；絕緣層2的絕緣介質一般採用高導熱的環氧玻纖布 粘結片或者特殊的高導熱環氧樹脂聚合物，絕緣層的厚度為50 100拜， 熱阻小、粘結性能優良、具有抗熱老化的能力，並且能夠承受機械及熱應 力；高熱導率陶瓷層3的材料為氮化鋁，具有很強的尺寸穩定性和機械加 工性能及優良的散熱性。高熱導率陶瓷基印刷電路板的製作工藝為①選用環氧樹脂覆銅薄，採用機械、超聲波或者化學方法對板材表面進行預處理，去油汙、毛刺，雜質，形成清潔平整的絕緣層；②採用氣相澱積表面陶瓷化的方法在預處 理後的絕緣層表面製作陶瓷層用高能量密度的雷射束、離子束作為熱源， 輔助和誘導氣相反應製備薄膜材料，用氣流吹送陶瓷粉末，向電路板高速 噴射，利用與電路板的撞擊而形成膜，表面形成強化陶瓷薄膜，然後對陶 瓷薄膜進行封閉氣相澱積處理，經烘乾後獲得高熱導率陶瓷層；③在絕緣 層的外面全部覆蓋導電層，再在導電層上面蝕刻製作導電線路；或者在絕 緣層的外面局部塗覆防護膜，再通過濺射或蒸鍍的方法直接製作導電線 路。圖3是採用氣相沉積技術的加工工藝流程圖，製作時，通常採用厚度 為100 100(Him的高導熱的環氧玻纖布粘結片或者特殊的高導熱環氧樹 脂聚合物，大面積的材料表面需要採用機械和化學方法進行預處理，經過 去油和水洗，形成清潔平整的平面；然後利用高能量密度的雷射束、離子 束等作為熱源，輔助和誘導氣相反應製備薄膜材料，用氣流吹送陶瓷粉末， 陶瓷粉末的顆粒大小控制在10 200nm，向電路板高速噴射，利用與電路 板的撞擊而形成膜，表面形成強化陶瓷薄膜，然後對此陶瓷薄膜進行封閉 氣相澱積處理，烘乾後形成高熱導率陶瓷基印刷電路板的導熱絕緣層，克 服了普通化學氣相沉積和物理氣相沉積超硬薄膜材料性能上的不足，顯著 提高了薄膜的沉積效果。經過氣相沉積加工之後，表面陶瓷狀氧化膜緻密、均勻，顏色一致性好，厚度範圍可以控制在10 1000um，硬度和相對耐磨性得到提高，抗 氧化和耐腐蝕性能大大改善，且氮化鋁的耐熱度不低於IOO(TC。底層製作完畢，即可在其外層加工導電層，並布置導電線路，導電層 和導電線路的製作工藝方法可以採取先在導熱絕緣層上製作全部覆蓋的 金屬層，也可在製作雙面板時雙面敷銅，然後再在金屬層上蝕刻製作導電 線路。通常，導電層的導電線路採用金屬銅來製作，但是，根據印刷電路 板的應用需求，還可以使用或在銅層上輔助使用金、銀、鈀等金屬來製作 導電線路；在直接封裝大功率LED的晶片貼片之處還可以專門蒸塗銦金、 金錫或相似的合金，以形成適合晶片底面焊接的合金塗層。需說明的是，高導熱的環氧玻纖布粘結片板材的製作工藝為首先， 配置原料板材樹脂膠液，將二甲基甲醯胺、乙二醇甲醚、雙氰胺、環氧樹 脂、促進劑攪拌混合，再將一甲基咪唑預先溶於適量的二甲基甲醯胺，然 後加到上述物料中，繼續充分攪拌，熟化7小時後，取樣檢測，待符合技 術要求後進入製造流程。再將玻纖布開巻後，經導向輥進入膠槽，浸膠後通過擠膠輥，控制樹 脂含量，然後進入烘箱，經過烘箱期間，去除溶劑等揮發物，同時使樹脂 處於半固化狀態，出烘箱後，按尺寸要求進行剪切，並整齊的疊放在儲料 架上，調節擠膠輥的間隙以控制樹脂含量，調節烘箱各溫區的溫度、風量 和車速控制凝膠時間和揮發物含量。為了確保品質，必須定時地對各項技 術要求進行檢測，檢測樹脂含量、凝膠時間、樹脂流動度、揮發物含量， 待各項指標符合要求後，生成粘結片；粘結片應整齊疊放，粘結片中的環 氧樹脂處於半固化狀態，在存放過程中，粘結片的品質將隨存放條件和存 放時間的變化而變化，在溼度大的情況下，粘結片的吸溼率會明顯增大， 粘結片吸溼後將嚴重影響產品質量，將粘結片在溫度25"C以下、相對溼度 50%以下的條件進行存放。然後將粘結片進行壓制，基材的壓制過程大體分成升溫、保溫和降溫三個階段。壓制過程可手工操作，也可由電腦控制。在升溫階段，使熱量 從加熱板逐步傳遞到層間每塊產品，使樹脂熔化、流動。同時，根據樹脂 的熔化和流動情況，進行加壓。最後，對表面先進行機械和化學方法預處理，形成光潔平整的平面， 然後鋪覆薄薄一層的環氧玻璃布，再塗復一層特殊的聚合物構成高導熱的 環氧玻纖布粘結片板材。值得注意的是，當高熱導率陶瓷基印刷電路板是圖2所示的雙面板時， 製作過程在單面板的基礎上，通過化學沉銅方式在陶瓷基下表面實現表面 敷銅。主要工序包括①基板預處理烘烤，②刷板表面的清潔、除渣工藝， ③除油活化，④沉銅後板件除去表面鈍化膜，⑤直接電鍍酸銅。其具體工藝為首先，基板預處理烘烤，基板會吸潮和本身在壓合成 基板時部分樹脂固化不良，在鑽孔時會因樹脂本身的強度不夠而造成鑽孔 的質量很差，因此開料時需進行必要的烘烤，可將基板放入烤箱中，溫度 控制在50 80'C,時間控制在10 20分鐘，去除內部潮氣和水分。將烘 烤後的基板進行刷板處理，刷板通過機械方法去除表面的汙染和清除毛刺 和披鋒，進行表面的清潔。進行合理適當的除渣工藝，增加孔比的結合力 和內層連接的可靠性。另外，在氮化鋁陶瓷薄膜層3下表面形成前，應注 意陶瓷粉末的顆粒大小，粉末顆粒控制在10 200nm,否則表層顆粒較難 活化，沉銅後因鍍層在極度不平的基底上沉積，化學銅的應力會成倍的加 大，嚴重時會明顯看到沉銅後化學銅一片片從表層上脫落，造成後續無銅 的產生。其次，將單面板放入沉積槽液中，除油活化，除油劑的溫度控制在50 80°C，時間20 30分鐘，如果槽液溫度過高，槽液使用時間過長老化， 膠體鈀會發生沉澱。處理時間不足、加熱管或掛籃的材質不良或錯用而造 成槽液中的鐵離子、銅離子或其他金屬離子含量偏高，而影響槽液的活性。 當然水分的帶入、其他汙染物、槽液中四價錫的增加，對槽液的活化性都有一定影響。加速一般使用氟硼酸，活化和加速後沉積數小時，沉銅後板 件一般要浸硫酸除去表面的殘鹼和鹼性的鈍化膜，直接電鍍酸銅。殘存溼 氣需吹乾，如果吹乾溫度過高會造成化學銅的氧化，引發後續的變形。所以沉銅後應迅速電鍍一次銅，存留時間不能過長， 一般不超過12小時。 然後再在金屬層上蝕刻製作導電線路，進行機械加工，製得所需的印製板。 綜上所述，高熱導率陶瓷基印刷電路板具有良好的導熱性能、電氣絕 緣性能和機械加工性能。高熱導率陶瓷基印製電路板取代了傳統的環氧樹 脂基板、易碎的陶瓷基片；同時，高熱導率陶瓷基板有效解決了元器件的 散熱問題，降低了產品工作溫度，提高了產品可靠性和穩定性，延長了產 品的使用壽命。本發明提供的高熱導率陶瓷基印刷電路板可應用於某些特定的功率 型電子線路及裝置，如大功率LED發光二極體器件電路、厚膜混合集成 電路、多晶片模塊(multichipmodule)、陶瓷基片難以勝任的大規模基片、 使用普通散熱器不能解決可靠性的電路等。當然，以上僅是本發明的具體應用範例，對本發明的保護範圍不構成 任何限制。凡採用等同變換或者等效替換而形成的技術方案，均落在本發 明權利保護範圍之內。
權利要求
1. 高熱導率陶瓷基印刷電路板，包括底層、中間絕緣層和表面導電層，導電層上分布有導電線路，其特徵在於所述底層是高熱導率的氮化鋁陶瓷層，中間絕緣層為高導熱的環氧玻纖布粘結片或者高導熱環氧樹脂聚合物。
2. 根據權利要求l所述的高熱導率陶瓷基印刷電路板，其特徵在於 所述陶瓷層的厚度為10 1000um，其粉末的顆粒大小為10 200nm，其絕 緣電阻》100MQ。
3. 根據權利要求1所述的高熱導率陶瓷基印刷電路板，其特徵在於 所述導電層的材料是銅、金、銀或鈀，導電層的局部還塗有銦金合金或者 金錫合金。
4. 根據權利要求l所述的高熱導率陶瓷基印刷電路板，其特徵在於所述高熱導率陶瓷基印刷電路板為雙面板，在高熱導率陶瓷層的下面也有 導電層。
5. 權利要求l所述的高熱導率陶瓷基印刷電路板的製作方法，其特徵在於包括以下步驟——① 選用環氧樹脂覆銅薄，採用機械、超聲波或者化學方法對板材表面 進行預處理，去油汙、毛刺，雜質，形成清潔平整的絕緣層；② 採用氣相澱積表面陶瓷化的方法在預處理後的絕緣層表面製作陶瓷 層用高能量密度的雷射束、離子束作為熱源，輔助和誘導氣相反應製備 薄膜材料，用氣流吹送陶瓷粉末，向電路板高速噴射，利用與電路板的撞 擊而形成膜，表面形成強化陶瓷薄膜，然後對陶瓷薄膜進行封閉氣相澱積 處理，經烘乾後獲得高熱導率陶瓷層；③ 在絕緣層的外面全部覆蓋導電層，再在導電層上面蝕刻製作導電線 路；或者在絕緣層的外面局部塗覆防護膜，再通過濺射或蒸鍍、電鍍的方 法製作導電線路。
全文摘要
本發明涉及一種高熱導率陶瓷基印刷電路板，包括底層、中間絕緣層和表面導電層，導電層上分布有導電線路，底層是高熱導率的氮化鋁陶瓷層，中間絕緣層為高導熱的環氧玻纖布粘結片或者高導熱環氧樹脂聚合物。其製作工藝①選用環氧樹脂覆銅薄，採用機械、超聲波或化學方法對表面進行預處理，去油汙、毛刺、雜質後形成清潔平整的絕緣層；②採用氣相澱積法表面陶瓷化的方法，在預處理後的絕緣層表面加工製作散熱陶瓷層；③在絕緣層的外面進一步覆蓋導電層，進而在導電層上面蝕刻製作導電線路。本發明印刷電路板具有良好的導熱性能、電氣絕緣性能和機械加工性能，適用於大功率LED發光二極體器件電路、厚膜混合集成電路等。
文檔編號H05K1/03GK101232774SQ200710019440
公開日2008年7月30日 申請日期2007年1月24日 優先權日2007年1月24日
發明者孫建國, 健 李, 梁秉文 申請人:南京漢德森科技股份有限公司