深圳电子展
2023年10月11-13日
深圳国际会展中心(宝安新馆)

半导体封装测试展|电路板用导热缘介质材料印制

电路板是几乎所有电子元件和控制装置电气隔离、支撑的核心部件。电路板基板按照材质的不同可以分为3类:聚合物缘基板、金属基板和陶瓷基板。不同的基板介质材料在耐热性、热传导性、耐电压性、热膨胀系数、机械强度、加工性以及成本方面差异显著,从而应用于不同功率等级的电力电子领域中。今天就由半导体封装测试展小编为你解读更多行业新趋势。

 

1. 聚合物缘基板用介质材料

 

聚合物缘基板介质材料也可称为有机树脂基板,具有设计自由度高、加工方便灵活和低成本的特性。该类基板多用于液晶显示器用光源LED、LED照明产品、工业用机器人、低功率转换电力电子器件装置等。聚合物缘基板一般以环氧树脂、酚醛树脂、聚四氟乙烯等为有机基材,以纸或玻璃纤维等为增强材料。

 

20世纪80年代之前,电路板主要是以纸基酚醛树脂板(FR-2)为基板的单面印制电路板。FR-2价格低廉、加工性好,在诸如家用收音机和电子玩具等低封装密度和低附加值的产品中仍有应用。后来发展的FR-4覆铜板是由一层或者多层浸渍过环氧树脂的玻璃纤维布为基材,溴化环氧树脂或改性环氧树脂为粘结剂的阻燃型覆铜板的统称,其电气性能和力学性能适用于多方面需求,是目前应用广、用量大的一类基板材料。FR-4覆铜板具有非常多的系列化产品,如普通FR-4、中玻璃化转变温度FR-4、高玻璃化转变温度FR-4、无铅焊FR-4、无卤FR-4、高模量FR-4、低热膨胀系数FR-4、低介电常数FR-4等。IPC在2009年8月颁布的PCB基材标准(IPC-4101C)中,增添了12个FR-4覆铜板新品种,业界大多以此12个品种作为标准。

 

针对电力电子器件封装的应用,聚合物电路板一般只能用于低功率的小家电等行业。为适应电力电子器件功率损耗较大的特点,常通过对环氧树脂进行改性以获得具有不同侧重功能的环氧基板,如含萘结构的低膨胀系数环氧树脂、主链由双酚A特殊结构以及柔性分子链构成的柔软强韧型环氧树脂、含磷元素的无卤阻燃环氧树脂、高分子量环氧树脂等,以满足电力电子器件封装高散热和降低应力的相关要求。为满足印制电路板产品的可靠性、复杂性、电性能和装配性能等不同需求,研究人员也对其他种类聚合物缘基板材料做了很多研究。氰酸酯树脂具有介电常数和介质损耗因数低、玻璃化转变温度(Tg)高、热膨胀系数低等优点,可用于高频封装基板;双马来酰亚胺-三嗪树脂耐受压力、耐蒸煮性能较好,可用于芯片封装;热固性聚苯醚树脂具有较低的介电常数和介质损耗因数,同时也具有较高的Tg和较低的热膨胀系数,不仅综合介电性能优异,而且热力学性能良好,适用于高频封装领域。与上述基板材料相对应,采用高耐热、热阻性好的聚酰亚胺树脂为基材的柔性基板制备的柔性电路板,可应用于需要三维高封装密度的中低功率电力电子模块装置。

 

2. 金属基板用介质材料

 

与聚合物缘基板相比,金属基板具有更高的热导率,多用于对散热性能要求较高的领域;与厚膜陶瓷基板相比,金属基板的力学性能更为优良,因此,金属基板具有独特优势。典型的金属基板包括3层,如图4所示,层为导电层,即线路层,一般为铜箔;第二层为导热缘层,主要起缘、粘接和散热的作用;第三层为金属基层,即底层散热层,所用材料为铝、铜等金属板,以及像铜-石墨、铝-碳化硅这样的复合导电基板等。

 

导热缘层是金属基板的关键材料,需要具备优异的耐热性、导热性,较高的电气强度,良好的柔韧性,并且能与金属基板和线路层粘接良好。导热缘层主要由提供粘接性能的有机树脂和高导热无机填料组成。有机高分子材料结构中通常含有较多的缺陷,分子振动和晶格振动不协调,导致声子散乱程度高,因此具有较低的热导率。目前有机树脂使用多的是环氧树脂,也常用聚乙烯醇缩丁醛、丙烯酸酯、聚氨酯等改性的环氧树脂。还有一些其他种类的树脂如酚醛树脂、聚酰亚胺树脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯以及聚苯醚等。导热缘层的导热性主要取决于其中的填料,可供选择的填料有Al2O3、MgO、ZnO、BeO、h-BN、Si3N4以及AlN等。其中,Al2O3虽然热导率不高,但是其球形度好,容易在有机树脂中分散,适宜高填充量,并且价格便宜,因此应用较多。高导热金属基板材料的生产厂家主要以美国贝格斯、日本理化工业所、CMK、松下、利昌工业株式会社等为代表,相关产品牌号和特性如表2所示。例如,美国贝格斯公司作为热管理领域的领导厂商,引领了当前铝基板的发展潮流;日本发条公司生产的高散热基板热导率可达10 W/(m·K),主要应用在汽车电子器件、中低功率电力电子器件封装领域;松下公司开发的CV-2079系列产品热导率分别为3、5、10 W/(m·K)的基板材料,主要包括高导热环氧树脂和无机填料,该系列产品具有一定的刚性,不易折断。

 

3. 陶瓷基板用介质材料

 

陶瓷基板主要在宽禁带半导体器件中起连接芯片与外电路的作用,同时兼具支撑、散热、保护和缘的功能。目前所知的能够用于缘基板的、导热性能优越的材料当属金刚石,其热导率高达3 000 W/(m·K),其他的具有强共价键键合结构的Al2O3、AlN等单晶共价键材料热导率也仅大于30 W/(m·K)。陶瓷基板由陶瓷缘层和镀覆金属层组成,目前常用的陶瓷缘层材料主要有Al2O3、AlN和Si3N4。

 

Al2O3是常用的陶瓷缘层材料,具有与镀覆金属附着力高、机械强度高以及成本低的优点。不过Al2O3的热导率相对较低,不适用于高功率密度半导体器件;AlN材料的热导率比较高,相应的基板具有良好的散热性,更适用于高功率密度半导体电力电子器件的封装。另外,AlN的热膨胀系数也与Si和SiC比较接近,在器件受热时有利于保持稳定的封装结构;Si3N4的热膨胀系数也与SiC接近,是理想的基板材料,同时其断裂韧性和挠曲强度高,有利于增加覆铜层的厚度,从而提高基板的电流承载能力,不过Si3N4的成本较高,并且热导率比较低。除了以上3种陶瓷缘层材料,还有BeO,其热导率比上述3种陶瓷缘层材料高,但是因为有剧毒,不能实际应用于电力电子器件封装。

 

以上便是半导体封装测试展小编为大家整理的相关内容,如果大家对这方面比较感兴趣,可以到半导体封装测试展参观交流。2023年10月11日-13日,半导体封装测试展将于深圳国际会展中心(宝安新馆)隆重开幕,将以“跨界+芯+智造”为创新理念,展会将汇聚1,200个企业及品牌参展,展示电子元器件、PCBA制程、智能制造、 EMS服务、半导体封测等相关的国内外设备新品及先进技术解决方案。与同期多展联动,带来消费电子、家电、工控、通信通讯、汽车、触控显示、新能源、医疗器械、光电等领域跨界商机,绽放亚洲电子工业新活力。此外,同期将举办超30场跨国、跨界活动,覆盖PCBA制程、半导体封装、工业机器人、智能仓储与物流、机器视觉、智慧工厂、工业互联网、激光、3C、家用电器、通信、汽车、5G、物联网、人工智能、AR/VR、新能源、医疗器械、照明等热门话题,创新打造多元化国内、外商务配对社交机会,一站式捕捉亚洲跨界商贸网络,诚邀您莅临参观,为您解读更多行业发展新趋势。

 

文章来源:凯文蔡说材料