CN101415295A

CN101415295A - 一种石墨基新型电子电路板及其制作工艺

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Publication number: CN101415295A
Application number: CNA2007101340903A
Authority: CN
Inventors: 耿世达; 陈宣甫
Original assignee: ROCKWELL (QINGDAO) ADVANCED MATERIALS CO Ltd
Current assignee: ROCKWELL (QINGDAO) ADVANCED MATERIALS CO Ltd
Priority date: 2007-10-19
Filing date: 2007-10-19
Publication date: 2009-04-22

Abstract

本发明涉及一种石墨基新型电子电路板及其制作工艺，该电子电路板至少由石墨基层、绝缘涂层、金属电路层构成。石墨层至少包括一层石墨板，石墨板采用鳞片石墨膨胀后成型或与沥青等高分子聚合物混合成型，绝缘涂层优选氮化硼涂料或用耐温高分子聚合物树脂绝缘涂料，金属电路层使用厚度不小于10μm导电金属薄膜。本发明的制作工艺采用天然鳞片石墨通过插层膨胀成型或与沥青等高分子聚合物混合成型，经切割制成石墨板，在石墨板表面喷涂、刷涂或浸渍一层绝缘涂料，干燥后胶合或电镀上一层导电金属薄膜制作而成。本发明石墨基新型电子电路板的导热系数不小于20W/m·k，且降低了产品重量、成本及运行温度，提高了电子器件寿命和运行稳定性。

Description

一种石墨基新型电子电路板及其制作工艺

技术领域

本发明涉及一种新型电子电路板，特别是一种为产生高热量电子组件设计的石墨基新型电子电路板及其制作工艺。

技术背景

随着电子工业的飞速发展，电子产品的体积尺寸越来越小，功率密度越来越大，解决散热的问题已经被提到了一个新的高度，这是对电子工业设计的一个巨大的挑战。

面对电子产品越做越小，电子电路板上的组件日趋复杂；也产生越多不必要的热量。随着电子技术的迅速发展，为提高元器件和设备的热可靠性以及对各种恶劣环境条件的适应能力，使电子元器件和设备的热控制和热分析技术得到了普遍的重视和发展。

自1948年半导体器件问世以来，电子元器件的小型化、微小型化和集成技术的不断发展，使每个集成电路所包含的元器件数超过了250000个，由于超大规模集成电路(VLSIC)、专门集成电路(ASIC)、超高速集成电路(VHSIC)等微电子技术的不断发展，微电子器件和设备的组装会造成热量难以扩散而产生相对极端的温度。

研究表明，芯片级的热流密度高达100W/cm²，它仅比太阳表面的热流密度低两个数量级，太阳表面的温度可达6000℃，而半导体集成电路芯片的结温应低于100℃，如此高的热流密度，若不采取合理的热控制技术，必将严重影响电子元器件和设备的热可靠性。这些热量都是造成产品寿命变短、甚至无法使用的元凶。

电子设备热控制的目的是要为芯片级、组件级、组件级和系统级提供良好的热环境，保证它们在规定的热环境下，能按预定的方案正常、可靠的工作。热控制系统必须在规定的使用期内，完成所规定的功能，并以最少的维护保证其正常工作的功能。

防止电子元器件的热失效是热控制的主要目的。热失效是指电子元器件直接由于热因素而导致完全失去其电气功能的一种失效形式。严重的失效，在某种程度上取决于局部温度场、电子元器件的工作过程和形式，因此，就需要正确地确定出现热失效的温度，而这个温度应成为热控制系统的重要判据，在确定热控制方案时，电子元器件的最高允许温度和最大功耗应作为主要的设计参数。

传统的电子电路板对于高热组件难以提供其散热。金属基电子电路板由于具有良好的导热性(导热系数大约为0.5～12W/m·k)、电气绝缘性能和机械加工性能而越来越得到广泛应用。金属基电子电路板主要由导电金属薄膜(如金、银、铜、铝、铂等)、导热绝缘层及金属基板三层组成，导电金属薄膜为线路板层，金属基板多采用铝或铜等导热材料(铝的导热系数：270W/m·k，铜的导热系数380W/m·k)，导热绝缘层多采用进口陶瓷基聚合物材料。

但是金属电子电路板也有一些不可克服的缺点：

(1)金属基板铜、铝价格居高不下。对于电子电路板加工制造业，技术已不是企业的核心竞争力，成本成为制约每个企业的瓶颈。

(2)金属基板铜、铝重量。金属的重量过大容易引起电路板破裂。尤其当散热组件的散热面积显著大于电子器件的面积时，如纯铜重8.96g/cm³，纯铝重2.70g/cm³，在许多应用中，散热部件需要设置在电路板(或类此的组件)上，以散发来自板上各个组件的热量。如果使用金属散热部件，板上金属的重量会增加板破裂的机会，并且也增加组件自身的重量，这对于便携式电子装置及顺应目前电子器件小型化和轻量化的趋势，尤其重要。

(3)绝缘层一般为聚合物材料，进口的陶瓷聚合物材料导热系数2.2W/m·k，可以耐回焊温度7～8次不起泡，国产陶瓷聚合物材料导热系数1.5W/m·k，可以耐回焊温度1～2次不起泡，由于高分子的老化现象而不能保证电路板及产品的问题。

目前如何增加电子电路板的导热系数，稳定性能、降低重量、降低成本以满足不同热管理系统的需要，已成为一个急待解决的课题。

发明内容

本发明目的是克服现有电子电路板的缺点，顺应电子产业需求，提供了一种以石墨为导热材料的新型电子电路板。

石墨是一种很好的散热材料，其导热系数高，可达100～1000W/m·k。在相同面积下，石墨的导热系数比铜、铝高3～5倍，而重量却是铜的1/8，是铝的1/2，尤其符合电子行业的发展方向——轻薄短小高功能产品的散热要求。

国内石墨资源丰富，开采工艺简单，耗费较少。石墨原料与铜铝性能、价格对比见下表。

由表中可以看出，在同等体积下，以石墨为原料来制作散热材料，具有重量最小、原料价格便宜，导热性能好的优点。

为实现上述目的，本发明给出的石墨基新型电子电路板的构成包括石墨基层、绝缘涂层和金属电路层，绝缘涂层位于石墨基层上，金属电路层位于绝缘涂层上；该电子电路板的导热系数不小于20W/m·k。

在上述技术方案中，所述的石墨基层至少包含一层石墨板，该石墨板采用鳞片石墨膨胀后成型或鳞片石墨与沥青、树脂等高分子聚合物混合成型，因具有高导热及重量轻性能而被使用；其中鳞片石墨膨胀压制成型的石墨板含碳量不低于90％，而与沥青、树脂等高分子聚合物混合成型的石墨板含碳量不低于60％。其中与沥青、树脂等高分子聚合物混合成型的石墨板具有更高的强度。

在上述技术方案中，所述的绝缘涂层因为石墨具有高导电性而起到绝缘作用，绝缘层也可用耐温250摄氏度以上的高分子聚合物树脂或采用导热陶瓷无机绝缘物质。所述的高分子聚合物树脂，如环氧树脂、硅树脂、间苯二酚树脂等；所述的导热陶瓷材料，如氮化硼、氮化铝、氧化铝等，其中氮化硼因自身的优良导热性、电绝缘性能、抗高温性能和化学稳定性而被优选，该材料可长时间耐温500摄氏度，导热系数高于2.2W/m·k，且作为绝缘涂料时氮化硼的含量不低于90％；绝缘涂层均匀布于石墨板或石墨纸上，使具有绝缘涂层的石墨板一面具有电绝缘性和优良的导热性。

在上述技术方案中，所述的金属电路层要求具有很大的载流能力，从而应使用较厚的高导电金属薄膜，如金、银、铜、铝、铂等，厚度不小于10μm。

为实现上述目的，本发明给出了两种石墨基新型电子电路板的制作工艺，其一是：

该制作工艺包括以下步骤和条件，

(1)插层：对含碳量不低于90％的天然鳞片石墨进行插层，插层处理时的插层剂为硫酸(80％～98％)、硝酸(65％～90％)、高氯酸(50％～70％)或者是其中二者或二者以上的混合酸；氧化剂采用双氧水(30％～50％)、高锰酸钾或重铬酸钾；在30～60℃的温度下插层处理30～60分钟；

(2)水洗：插层后的产物水洗至pH值4～7，离心脱水；

(3)干燥：将经过离心脱水后的物料于80～100℃的温度下干燥至含水量低于1％；

(4)高温膨胀化：高温膨化处理在800～1100℃的温度下进行，时间不超过60秒，制备出膨胀石墨蠕虫；

(5)成型：将膨胀石墨蠕虫压制成型为厚度不小于0.05mm，密度为不小于1.0g/cm³的石墨板；

(6)切割：把石墨板切割或裁切为所需大小的石墨板；

(7)敷绝缘涂料：

使用喷涂方式，即使用压力为0.35～0.42MPa的喷枪将极细的绝缘涂料均匀喷在石墨板的一个表面上；

(8)干燥：将表面的石墨板在适合温度的真空干燥箱中，干燥30～60分钟；

(9)涂层处理：涂层干燥后用干燥的软棉布进行处理、修平和抛光，控制涂层的厚度在0.2mm以下；

(10)布置电路图：使用胶合方法，将按照电路设计形状的导电金属薄膜胶合在涂敷了绝缘涂料的石墨板上面，再次喷涂或刷涂绝缘涂料，厚度不大于0.2mm，然后将导电金属薄膜表面刻蚀部分的保护纸或保护膜撕掉即可。

上述制作工艺步骤(7)敷绝缘涂料过程中，还可使用涂布方式将绝缘涂料均匀涂布在石墨板的一个表面上；或者使用浸渍方式将石墨板在常温常压下或真空浸渍设备中置于绝缘涂料中进行浸渍处理。

上述制作工艺步骤(10)布置电路图中，还可使用电镀方法将导电金属薄膜(如金、银、铜、铝、铂等)布于绝缘涂层的表面，即按照电路设计形状涂布上与印刷电路相同的导电介质，通过电镀法在石墨绝缘涂层上电镀一层导电金属薄膜(如金、银、铜、铝、铂等)。

本发明还给出了另一种石墨基新型电子电路板的制作工艺，

该制作工艺包括以下步骤和条件，

(1)石墨板成型：将鳞片石墨或膨胀石墨蠕虫石墨板与沥青、树脂等高分子聚合物混合成型为厚度不小于0.05mm，密度为不小于1.0g/cm³的石墨板。

(2)切割：把石墨板切割或裁切为所需大小的石墨板；

(3)敷绝缘涂料：使用喷涂方式，即使用压力为0.35～0.42MPa的喷枪将极细的绝缘涂料均匀喷在石墨板的一个表面上；

(4)干燥：将表面的石墨板在适合温度的真空干燥箱中，干燥30～60分钟；

(5)涂层处理：涂层干燥后用干燥的软棉布进行处理、修平和抛光，控制涂层的厚度在0.2mm以下；

(6)布置电路图：使用胶合方法，将按照电路设计形状的导电金属薄膜(其中刻蚀部分有保护纸或保护膜，优选胶带)胶合在涂敷了绝缘的石墨板上面，再次喷涂或刷涂绝缘涂料，厚度不大于0.2mm，然后将导电金属薄膜表面刻蚀部分的保护纸或保护膜撕掉即可。

上述制作工艺步骤(1)石墨板成型过程中，石墨板成型可采用挤出成型或注射成型及模压或辊压成型，挤出或注射成型时的工作压力为100～200MPa，模压或辊压成型时的工作压力为50～200MPa。

上述制作工艺步骤(3)敷绝缘涂料过程中，还可使用涂布方式将绝缘涂料均匀涂布在石墨板的一个表面上；或者使用浸渍方式将石墨板在常温常压下或真空浸渍设备中置于绝缘涂料中进行浸渍处理。

上述制作工艺步骤(6)布置电路图过程中，还可使用电镀方法将导电金属薄膜(如金、银、铜、铝、铂等)布于绝缘涂层的表面，即按照电路设计形状涂布上与印刷电路相同的导电介质，通过电镀法在石墨绝缘涂层上电镀一层导电金属薄膜(如金、银、铜、铝、铂等)。

本发明的优点为：

1.提供一种质量轻并具备高导热系数之电子电路板；高导热系数得以延长电子组件之寿命；轻量化则可以减轻产品重量。

2.绝缘层避免电子组件产生短路。

3.绝缘层可承受因焊接电子组件所产生之高热避免更改生产工序造成困扰。

4.制作工艺步骤简单，生产条件便于控制。

附图说明

图1是石墨基新型电子电路板的纵面示意图。

图中，1是金属电路层，2是绝缘涂层，3是石墨层。

具体实施方式

首先介绍膨胀石墨蠕虫的制备方法如下：

采用含碳量不低于90％的天然鳞片石墨，插层剂为浓度98％的浓硫酸与浓度为90％的浓硝酸混酸，石墨∶浓硫酸＝1∶2.5(重量比)，氧化剂采用35％的双氧水，添加比例为石墨∶双氧水＝1∶0.18(重量比)。控制反应温度在30～60℃，插层反应40分钟，然后，将插层后的产物水洗至PH值大于4，随后在100℃下烘干2小时至水分含量小于1％，然后在950℃的温度下膨胀低于60秒，制备出膨胀石墨蠕虫。

下面提供以下实施例进一步说明和解释石墨基新型电子电路板的制作工艺。

实施例一：

将膨胀石墨蠕虫压制成型为厚度不小于0.05mm，密度为不小于1.0g/cm³的石墨板；然后经过切割成需要大小，使用Bink型7号喷枪在表面喷涂氮化硼涂料，在真空干燥箱中干燥后，用软棉布进行表面处理，控制涂层厚度在0.1mm，将表面有保护膜的导电铜薄膜胶合在涂敷了氮化硼的石墨表面上，再次喷涂0.1mm的氮化硼涂料，然后揭去导电铜薄膜表面的保护膜。

此种电子电路板导热系数35W/m·k。

实施例二：

将膨胀石墨蠕虫压制成型为厚度不小于0.05mm，密度为不小于1.0g/cm³的石墨板；然后经过切割成需要大小，使用喷枪在表面喷涂氮化硼涂料，在真空干燥箱中干燥后，用软棉布进行表面处理，控制涂层厚度为0.1mm，按照电路设计形状涂布上与印刷电路相同的导电介质，通过电镀法在石墨氮化硼上电镀一层铜。

此种电子电路板导热系数50W/m·k。

实施例三：

将膨胀石墨蠕虫压制成型为厚度不小于0.05mm，密度为不小于1.0g/cm³的石墨板；然后经过切割成需要大小，使用油漆刷将氮化铝涂料均匀刷涂在石墨板的一个表面上，在真空干燥箱中干燥后，用软棉布进行表面处理，控制涂层厚度为0.2mm，将表面有保护膜的导电铝薄膜胶合在涂敷了氮化铝的石墨表面上，再次喷涂0.2mm的氮化铝涂料，然后揭去导电铝薄膜表面的保护膜。

此种电子电路板导热系数23W/m·k。

实施例四：

将膨胀石墨蠕虫压制成型为厚度不小于0.05mm，密度为不小于1.0g/cm³的石墨板；然后经过切割成需要大小，使用油漆刷将氮化硼涂料均匀刷涂在石墨板的一个表面上，在真空干燥箱中干燥后，用软棉布进行表面处理，控制涂层在厚度为0.2mm，按照电路设计形状涂布上与印刷电路相同的导电介质，通过电镀法在石墨氮化硼上电镀一层铝。

此种电子电路板导热系数28W/m·k。

实施例五：

将鳞片石墨与沥青混合放入双螺杆挤出机中在140～190℃下混合3分钟后，在工作压力为110MPa下挤出或注射成型，然后将成型后的石墨板切割成需要大小，使用喷枪在石墨板表面喷涂氮化硼涂料，放于真空干燥箱中干燥后，用软棉布进行表面处理，控制涂层厚度为0.2mm，按照电路设计形状涂布上与印刷电路相同的导电介质，通过电镀法在石墨氮化硼上电镀一层铜。

此种电子电路板导热系数40W/m·k。

实施例六：

将鳞片石墨与硅树脂逐渐放入反应釜中，在150～170℃混合3小时，高温混合制得浓稠状碳混合液体。然后将浓稠碳混合液体进行辊压，辊压温度为200℃，压力为200MPa压成石墨板，然后切割成需要大小，使用油漆刷将氮化硼涂料均匀刷涂在石墨板的一个表面上，在真空干燥箱中干燥后，用软棉布进行表面处理，控制涂层厚度在0.2mm，按照电路设计形状涂布上与印刷电路相同的导电介质，通过电镀法在石墨氮化硼上电镀一层铝。

此种电子电路板导热系数23W/m·k。

实施例七：

将膨胀石墨蠕虫与沥青混合放入双螺杆挤出机中在140～190℃下混合3分钟后，在工作压力为110MPa下挤出或注射成型，然后将成型后的石墨板切割成需要大小，使用喷枪在石墨板表面喷涂氮化硼涂料，放于真空干燥箱中干燥后，用软棉布进行表面处理，控制涂层厚度为0.2mm，按照电路设计形状涂布上与印刷电路相同的导电介质，通过电镀法在石墨氮化硼上电镀一层铜。

此种电子电路板导热系数39W/m·k。

Claims

1、一种石墨基新型电子电路板，其特征在于：该电子电路板构成包括石墨基层、绝缘涂层和金属电路层，绝缘涂层位于石墨基层上，金属电路层位于绝缘涂层上。

2、根据权利要求1所述的石墨基新型电子电路板，其特征在于：所述的石墨基层至少包含一层石墨板，其中鳞片石墨膨胀压制成型的石墨板含碳量不低于90％，而与沥青、树脂等高分子聚合物混合成型的石墨板含碳量不低于60％。

3、根据权利要求1所述的石墨基新型电子电路板，其特征在于：所述的绝缘涂层采用导热陶瓷绝缘涂料，或采用耐温250摄氏度以上的高分子聚合物树脂绝缘涂料，所述导热陶瓷绝缘涂料优选氮化硼或氮化铝或氧化铝，其中氮化硼涂料氮化硼含量应不低于90％，所述高分子聚合物树脂绝缘涂料优选环氧树脂或硅树脂或间苯二酚树脂。

4、根据权利要求1所述的石墨基新型电子电路板，其特征在于：所述的金属电路层的导电金属薄膜为金、银、铜、铝、铂等高导电金属，该导电金属薄膜厚度不小于10μm。

5、一种石墨基新型电子电路板的制作工艺，其特征在于：

所述制作工艺包括以下步骤和条件，

(2)水洗：插层后的产物水洗至pH值4～7，离心脱水；

(5)成型：将膨胀石墨蠕虫压制成型为厚度不小于0.05mm，密度为不小于1.0g/cm3的石墨板；

(6)切割：把石墨板切割或裁切为所需大小的石墨板；

(7)敷绝缘涂料：

6、根据权利要求5所述石墨基新型电子电路板的制作工艺，其特征在于：该制作工艺步骤(7)中，使用涂布方式将绝缘涂料均匀涂布在石墨板的一个表面上；或者使用浸渍方式将石墨板在常温常压下或真空浸渍设备中置于绝缘涂料中进行浸渍处理。

7、根据权利要求5所述石墨基新型电子电路板的制作工艺，其特征在于：该制作工艺步骤(10)中，使用电镀方法将导电金属薄膜布于绝缘涂层的表面，即按照电路设计形状涂布上与印刷电路相同的导电介质，通过电镀法在石墨绝缘涂层上电镀一层导电金属薄膜。

8、一种石墨基新型电子电路板的制作工艺，其特征在于：

所述制作工艺包括以下步骤和条件，

(1)石墨板成型：将鳞片石墨或膨胀石墨蠕虫石墨板与沥青、树脂或其它高分子聚合物混合成型为厚度不小于0.05mm，密度为不小于1.0g/cm³的石墨板；

(2)切割：把石墨板切割或裁切为所需大小的石墨板；

(6)布置电路图：

使用胶合方法，将按照电路设计形状的导电金属薄膜胶合在涂敷了绝缘的石墨板上面，再次喷涂或刷涂绝缘涂料，厚度不大于0.2mm，然后将导电金属薄膜表面刻蚀部分的保护纸或保护膜撕掉；

使用电镀方法将导电金属薄膜布于绝缘涂层的表面，即按照电路设计形状涂布上与印刷电路相同的导电介质，通过电镀法在石墨绝缘涂层上电镀一层导电金属薄膜。

9、根据权利要求8所述石墨基新型电子电路板的制作工艺，其特征在于：该制作工艺步骤(1)中，石墨板成型可采用挤出成型或注射成型及模压或辊压成型，挤出或注射成型时的工作压力为100～200MPa，模压或辊压成型时的工作压力为50～200MPa。

10、根据权利要求8所述石墨基新型电子电路板的制作工艺，其特征在于：该制作工艺步骤(3)中，使用涂布方式将绝缘涂料均匀涂布在石墨板的一个表面上；或者使用浸渍方式将石墨板在常温常压下或真空浸渍设备中置于绝缘涂料中进行浸渍处理。