中國(guó)粉體網(wǎng)訊 印制電路板是幾乎所有電子元件和控制裝置電氣隔離、支撐的核心部件。電路板基板按照材質(zhì)的不同可以分為3類：聚合物絕緣基板、金屬基板和陶瓷基板。不同的基板介質(zhì)材料在耐熱性、熱傳導(dǎo)性、耐電壓性、熱膨脹系數(shù)、機(jī)械強(qiáng)度、加工性以及成本方面差異顯著，從而應(yīng)用于不同功率等級(jí)的電力電子領(lǐng)域中。
聚合物絕緣基板用介質(zhì)材料
聚合物絕緣基板介質(zhì)材料也被稱為有機(jī)樹(shù)脂基板，具有設(shè)計(jì)自由度高、加工方便靈活和低成本的特性。該類基板多用于液晶顯示器用光源LED、LED照明產(chǎn)品、工業(yè)用機(jī)器人、低功率轉(zhuǎn)換電力電子器件裝置等。聚合物絕緣基板一般以環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、聚四氟乙烯等為有機(jī)基材，以紙或玻璃纖維等為增強(qiáng)材料。
目前應(yīng)用最廣、用量最大的一類基板材料FR-4覆銅板，是由一層或者多層浸漬過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂的玻璃纖維布為基材，溴化環(huán)氧樹(shù)脂或改性環(huán)氧樹(shù)脂為粘結(jié)劑的阻燃型覆銅板的統(tǒng)稱，其電氣性能和力學(xué)性能適用于多方面需求。
覆銅板結(jié)構(gòu)示意圖
針對(duì)電力電子器件封裝的應(yīng)用，聚合物電路板一般只能用于低功率的小家電等行業(yè)。為適應(yīng)電力電子器件功率損耗較大的特點(diǎn)，常通過(guò)對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行改性以獲得具有不同側(cè)重功能的環(huán)氧基板，如含萘結(jié)構(gòu)的低膨脹系數(shù)環(huán)氧樹(shù)脂、主鏈由雙酚A特殊結(jié)構(gòu)以及柔性分子鏈構(gòu)成的柔軟強(qiáng)韌型環(huán)氧樹(shù)脂、含磷元素的無(wú)鹵阻燃環(huán)氧樹(shù)脂、高分子量環(huán)氧樹(shù)脂等，以滿足電力電子器件封裝高散熱和降低應(yīng)力的相關(guān)要求。
近些年來(lái)，填料作為覆銅板產(chǎn)品的一種組成物，已經(jīng)越來(lái)越重要，儼然變成了覆銅板除樹(shù)脂、銅箔、玻纖布的第四大主材料。填料種類多，包括硅微粉（結(jié)晶硅微粉、熔融硅微粉、復(fù)合硅微粉、球形硅微粉等）、氫氧化鋁、滑石粉、云母粉、勃姆石、氧化鋁、球形氧化鋁等，但用得較多的是硅微粉和氫氧化鋁。
硅微粉
金屬基板用介質(zhì)材料
與聚合物絕緣基板相比，金屬基板具有更高的熱導(dǎo)率，多用于對(duì)散熱性能要求較高的領(lǐng)域；與厚膜陶瓷基板相比，金屬基板的力學(xué)性能更為優(yōu)良，因此，金屬基板具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
典型的金屬基板包括3層，第一層為導(dǎo)電層，即線路層，一般為銅箔；第二層為導(dǎo)熱絕緣層，主要起絕緣、粘接和散熱的作用；第三層為金屬基層，即底層散熱層，所用材料為鋁、銅等金屬板，以及像銅-石墨、鋁-碳化硅這樣的復(fù)合導(dǎo)電基板等。其中，鋁基覆銅板需求量最大。
鋁基覆銅板在LED功率器件中的散熱過(guò)程示意圖
中間的導(dǎo)熱絕緣層是金屬基板的關(guān)鍵材料，需要具備優(yōu)異的耐熱性、導(dǎo)熱性，較高的電氣強(qiáng)度，良好的柔韌性，并且能與金屬基板和線路層粘接良好。導(dǎo)熱絕緣層主要由提供粘接性能的有機(jī)樹(shù)脂和高導(dǎo)熱無(wú)機(jī)填料組成。有機(jī)高分子材料結(jié)構(gòu)中通常含有較多的缺陷，分子振動(dòng)和晶格振動(dòng)不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致聲子散亂程度高，因此具有較低的熱導(dǎo)率。目前有機(jī)樹(shù)脂使用最多的是環(huán)氧樹(shù)脂，也常用聚乙烯醇縮丁醛、丙烯酸酯、聚氨酯等改性的環(huán)氧樹(shù)脂。還有一些其他種類的樹(shù)脂如酚醛樹(shù)脂、聚酰亞胺樹(shù)脂、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯以及聚苯醚等。
導(dǎo)熱絕緣層的導(dǎo)熱性主要取決于其中的填料，可供選擇的填料有Al2O3、MgO、ZnO、BeO、h-BN、Si3N4以及AlN等。其中，Al2O3雖然熱導(dǎo)率不高，但是其球形度好，容易在有機(jī)樹(shù)脂中分散，適宜高填充量，并且價(jià)格便宜，因此應(yīng)用較多。
氮化硼不但具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，而且具有良好的耐化學(xué)腐蝕性，對(duì)于進(jìn)一步提高環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能具有重要作用。根據(jù)研究表明，氮化硼的粒徑和形狀對(duì)于復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)有很大的影響。AlN是優(yōu)良的電絕緣體，其導(dǎo)熱系數(shù)高，熱穩(wěn)定性好，可以極大地提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)。
幾種常見(jiàn)的電絕緣無(wú)機(jī)填料
常見(jiàn)電絕緣無(wú)機(jī)填料的優(yōu)缺點(diǎn)
高導(dǎo)熱金屬基板材料的生產(chǎn)廠家主要以美國(guó)貝格斯、日本理化工業(yè)所、CMK、松下、利昌工業(yè)株式會(huì)社等為代表。美國(guó)貝格斯公司作為熱管理領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)廠商，引領(lǐng)了當(dāng)前鋁基板的發(fā)展潮流；日本發(fā)條公司生產(chǎn)的高散熱基板熱導(dǎo)率可達(dá)10 W/(m·K)，主要應(yīng)用在汽車電子器件、中低功率電力電子器件封裝領(lǐng)域；松下公司開(kāi)發(fā)的CV-2079系列產(chǎn)品熱導(dǎo)率分別為3、5、10 W/(m·K)的基板材料。
金屬基板的絕緣性能主要依靠中間的導(dǎo)熱絕緣層，但是導(dǎo)熱絕緣層很薄，因此金屬基板整體耐壓性能不高，不能用于高電壓領(lǐng)域，但在中電壓的新能源汽車中已有應(yīng)用，如三菱SiC雙面封裝的電力電子模塊就采用了具有電路圖案的厚金屬銅箔（厚度約為800μm）絕緣粘結(jié)劑及底部銅箔的IMS基板技術(shù)。
三菱SiC電力電子器件雙面封裝拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
鋁基覆銅板的應(yīng)用
陶瓷基板用介質(zhì)材料
陶瓷基板由陶瓷基片和布線金屬層兩部分組成，金屬布線是通過(guò)在陶瓷基片上濺射、蒸發(fā)沉積或印刷各種金屬材料來(lái)制備薄膜和厚膜電路。在電子陶瓷封裝中，陶瓷基板除了為電路和芯片提供結(jié)構(gòu)支撐和電氣互連，還必須為其提供良好的熱處理以確保正常工作。
陶瓷基板以其優(yōu)良的熱導(dǎo)率、介電性能和機(jī)械強(qiáng)度等性能得到廣大消費(fèi)市場(chǎng)的青睞。如今電力電子器件主要以第三代化合物半導(dǎo)體(SiC和GaN)器件為主，其開(kāi)關(guān)速度快且具有高頻率、大功率的特點(diǎn)，因而其封裝對(duì)散熱和高頻特性有較高的要求。DBC陶瓷基板傳熱性能好、載流能力強(qiáng)、可靠性高，是電力電子器件的主要封裝載體。DBC陶瓷基板是在1 000℃以上的高溫條件下，在含氧的氮?dú)庵屑訜�，使銅箔和陶瓷基板通過(guò)共晶鍵合的方式牢固結(jié)合在一起，其鍵合強(qiáng)度高且具有良好的導(dǎo)熱性和熱穩(wěn)定性。
近些年，激光器和LED器件等光電子器件是研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)，其具有尺寸小、電光轉(zhuǎn)換效率高及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。然而隨著集成度越來(lái)越高，大功率激光器的開(kāi)發(fā)必然面臨功率密度大、器件散熱不及時(shí)從而降低使用壽命的挑戰(zhàn)。電子陶瓷基板以具有導(dǎo)熱性能良好、熱膨脹系數(shù)與器件相匹配的優(yōu)點(diǎn)在光電子器件中廣泛應(yīng)用。
陶瓷絕緣層材料性能參數(shù)
隨著功率器件、微波器件、光電器件等不斷向著小型化、集成化和多功能化等發(fā)展，為保持良好的信號(hào)傳輸和散熱等性能，對(duì)陶瓷基板提出了更高的要求。目前Al2O3陶瓷應(yīng)用最為成熟，雖然其面臨熱膨脹系數(shù)不匹配以及熱導(dǎo)率有限的問(wèn)題，但是因其性價(jià)比高，依然是陶瓷基板中主要的應(yīng)用材料。
AlN陶瓷熱膨脹系數(shù)與Si器件匹配度高，且熱導(dǎo)率高于Al2O3陶瓷，隨著AlN陶瓷工藝技術(shù)的日益成熟，在熱導(dǎo)率要求高的功率器件中逐漸替代Al2O3和BeO陶瓷是一大趨勢(shì)；Si3N4陶瓷熱導(dǎo)率適中、熱膨脹系數(shù)小、耐磨損、機(jī)械強(qiáng)度高，在大功率、高可靠的電力電子器件中具有廣闊的應(yīng)用前景。
參考來(lái)源：
佟輝等：導(dǎo)熱絕緣材料在電力電子器件封裝中的應(yīng)用，中國(guó)科學(xué)院電工研究所
曹家凱：覆銅板用填料發(fā)展趨勢(shì)，江蘇聯(lián)瑞新材料股份有限公司
經(jīng)龍：高導(dǎo)熱金屬基電路基板的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，杭州電子科技大學(xué)
陸琪等: 陶瓷基板研究現(xiàn)狀及新進(jìn)展，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
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