CN102529222B - 一种低热阻高绝缘金属基覆铜板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低热阻高绝缘金属基覆铜板及其制备方法，其中所述的金属基覆铜板：包括导电金属层铜箔，在所述的导电金属层铜箔上涂布有导热聚酰亚胺层，在所述的导热聚酰亚胺层上涂布有导热胶黏剂，在所述的导热胶黏剂上压覆有散热金属层。本发明的目的是为了克服现有技术中的不足之处，提供一种成本相对较低，热阻相对比较低，绝缘性好的金属基覆铜板。本发明的另一个目的是提供一种制备所述金属基覆铜板的方法。本发明的金属基覆铜板具有低热阻，高绝缘、薄型化特点，同时具有优异的耐热性，阻燃性及高的剥离强度。

Description

一种低热阻高绝缘金属基覆铜板及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种低热阻高绝缘金属基覆铜板，本发明还涉及一种该低热阻高绝缘金属基覆铜板的制备方法。

背景技术

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，解决散热问题是对电子工业设计的一个巨大的挑战。金属基覆铜板无疑是解决散热问题的有效手段之一。金属基覆铜板是一种有良好散热功能的覆铜板，它由独特的三层结构所组成，分别是电路层、导热绝缘层和金属基层。金属基覆铜板的工作原理是：功率器件表面贴装在电路层，器件所产生的热量通过绝缘层传导到金属基层，然后由金属基板扩散到模块外部，实现对器件的散热。

由金属基覆铜板的结构及工作原理看，绝缘层是其核心技术。众多金属基板生产厂家，因自身的技术、设备、材料和资金等各方面因素的制约，其绝缘层使用了商品化的FR-4半固化片或FR-4基覆铜板(导热系数仅为0.3w/m·K)，该绝缘层之中没有添加任何的导热填料，因此，这种金属基覆铜板的热传导性很差，同时也不具备高强度的电气绝缘性能。近年来发展的通过在改性环氧树脂绝缘层中加入大量导热无机填料来提高绝缘层的导热性能，然而这样就会导致绝缘层的击穿电压降低。为了提高材料的绝缘性，只有增加绝缘层的厚度。由于绝缘层的热阻与材料的厚度呈正比，势必会增加整个体系的热阻进而影响材料的散热性能，同时影响材料的集成化。另外，由于改性环氧树脂具有较高的热膨胀系数，在材料的加工上存在于金属层不匹配现象。

聚酰亚胺是一种具有良好的电绝缘性、介电性能、尺寸安定性能、机械性能和耐冷热冲击性能，在电子材料上有着广泛的用途。但采用高导热的热塑性聚酰亚胺胶黏剂作为散热金属基覆铜板的绝缘层，生产成本较高；同时，在压合散热金属板时，需要高温(350-400℃)辊压合设备，设备成本高。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足之处，提供一种成本相对较低，热阻相对比较低，绝缘性好的金属基覆铜板。

本发明的另一个目的是提供一种制备所述金属基覆铜板的方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下方案：

一种低热阻高绝缘金属基覆铜板，其特征在于：包括导电金属层铜箔，在所述的导电金属层铜箔上涂布有导热聚酰亚胺层，在所述的导热聚酰亚胺层上涂布有导热胶黏剂，在所述的导热胶黏剂上压覆有散热金属层。

如上所述的一种低热阻高绝缘金属基覆铜板，其特征在于所述的导电金属层铜箔为电解铜箔或压延铜箔，其厚度为0.5Oz-5Oz。

如上所述的一种低热阻高绝缘金属基覆铜板，其特征在于所述导热聚酰亚胺层由涂布与导电金属层上的聚酰胺酸亚胺化形成，其厚度为13um-50um，优选13um-30um。

如上所述的一种低热阻高绝缘金属基覆铜板，其特征在于所述的导热胶黏剂层为改性环氧树脂胶黏剂层或改性丙烯酸酯胶黏剂层，其厚度为13um-50um。

如上所述的一种低热阻高绝缘金属基覆铜板，其特征在于所述的改性环氧树脂胶黏剂层按重量份由以下组分制成：

无卤素环氧树脂：10-45份

热塑性树脂和/或合成橡胶：0-15份

固化剂：0.1-5份

高导热填料：30-80份。

丁酮溶剂适量。

如上所述的一种低热阻高绝缘金属基覆铜板，其特征在于所述的改性丙烯酸酯胶黏剂层按重量份由以下组分制成：

丙烯酸酯共聚物树脂：10-45份

无卤素环氧树脂：0-15份

固化剂：0.1-5份

高导热填料：30-80份。

丁酮溶剂适量

如上所述的一种低热阻高绝缘金属基覆铜板，其特征在于在所述的导热聚酰亚胺层与导热胶黏剂层中含有高导热填料，所述的高导热填料为氮化铝、氮化硼、氧化铝、碳纳米管中的一种或两种以上的混合物。

所述的高导热填料粒状为球形、不规则和片状，粒径为20nm-15um。

所述的高导热填料优选氮化铝、氮化硼、球形氧化铝、不规则氧化铝、纳米氧化铝中的两种以上化合物的混合物。其用量为30-80份，优选50-75份。

如上所述的一种低热阻高绝缘金属基覆铜板，其特征在于所述的散热金属层为铝板、铜板、铁板，厚度0.2mm-5mm。

如上所述的一种低热阻高绝缘金属基覆铜板，其特征在于所述的散热金属层的表面经过拉丝粗糙处理和阳极钝化处理。

制备如上所述任意一种低热阻高绝缘金属基覆铜板的方法，其特征在于包括以下步骤：

a)在导电金属层铜箔上涂覆预先制备的导热聚酰胺酸树脂组合物，经过80-180℃的烘箱干燥除去溶剂，然后在氮气氛条件下，经过200℃-360℃高温无氧化干燥并将聚酰胺酸亚胺化得到导热的单面聚酰亚胺覆铜板；

b)将上述的单面聚酰亚胺覆铜板聚酰亚胺面进行电晕处理；

c)在电晕处理后的聚酰亚胺面涂覆导热胶黏剂，经过60-180℃的烘箱干燥出去有机溶剂，使导热胶黏剂变成半固化状态；

d)将散热金属板与上述的半固化状态的导热胶黏剂进行高温高压压合，固化后即得。

如上所述的制备低热阻高绝缘金属基覆铜板的方法，其特征在于所述的导热聚酰胺酸树脂组合物的制备方法具体为：将高导热填料与溶剂进行砂磨后加入反应槽，并往反应槽中依次加入二胺类化合物、四甲酸酐类化合物，酸酐与二胺的摩尔比控制在0.98-1.0，在5℃-40℃聚合反应即得。

综上所述，本发明的有益效果：

本发明低热阻高绝缘金属基覆铜板具有薄的绝缘层、低的热阻、高的电绝缘性、且金属基覆铜板具有良好的剥离强度和耐热性。同时，具有低成本优势，便于大量生产。

本发明采用改性环氧树脂或改性丙烯酸酯和聚酰亚胺的优点，先在导电金属层铜箔上涂覆一层含有高导热填料的聚酰胺酸，经过高温亚胺化后成为导热的聚酰亚胺覆铜板，再在导热的聚酰亚胺胶面上，涂布导热的改性环氧树脂或改性丙烯酸酯胶黏剂层。然后采用高温压合法将涂有导热胶黏剂层的聚酰亚胺覆铜板与金属基板压合而形成低热阻高绝缘金属基覆铜板。本发明不使用高温压合设备，即可制备得到薄型化，低热阻高绝缘综合性能优秀的散热金属基覆铜板。

附图说明

图1为本发明的低热阻高绝缘金属基覆铜板的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步描述：

如图1所示，本发明的低热阻高绝缘金属基覆铜板，包括导电金属层铜箔1，涂覆于导电金属层铜箔上的导热聚酰亚胺层2，涂覆于导热聚酰亚胺层2上的导热胶黏剂层3以及压覆于导热胶黏剂层3上的散热金属层4。其中导电金属层铜箔1为电解铜箔或压延铜箔，其厚度为0.5Oz-5Oz；所述导热聚酰亚胺层由涂布与导电金属层上的聚酰胺酸亚胺化形成，其厚度为13um-50um，优选13um-30um。所述导热胶黏剂层由改性环氧树脂胶黏剂或改性丙烯酸酯胶黏剂层，其厚度为13um-50um，优选13um-30um。所述低热阻高绝缘层的厚度为25-60um；所述的散热金属层为铝板、铜板、铁板，厚度0.2mm-5mm，优选铝板厚度为0.5mm-2.0mm。

实施例1.

将30g氮化铝(平均粒径2-3um)和500g NMP(N-甲基吡咯烷酮)在砂磨机中进行砂磨，后加入烧瓶中，然后再氮气保护下加将摩尔比为0.98的联苯四酸二酐(BPDA)和二胺基二苯醚(ODA)的混合物70g，在25℃下搅拌20小时，进行聚合得到导热的聚酰胺酸溶液。

将上述导热的聚酰胺酸溶液涂覆于1Oz的电解铜上，厚度为15um，在160℃烘烤5分钟，然后放入氮气保护烘箱内于200-350℃高温亚胺化，冷去后得到导热单面聚酰亚胺覆铜板，再对聚酰亚胺面进行电晕处理，以备后用。

无卤环氧树脂GESR901(宏昌电子材料股份有限公司，环氧当量：475g/eq)5重量份、FC Hard XI-1072(Resinous Kasei Co.，Ltd.环氧当量：253g/eq)4重量份、GELR128E(宏昌电子材料股份有限公司，环氧当量：185g/eq)5重量份；HyPox RK 84L(CVC ThermosetSpecialties，弹性体量32质量％，环氧当量：1350g/eq)7重量份，JER1256(三菱化学株式会社，环氧当量：9052g/eq)6重量份；二氨基二苯砜2.5重量份；1-氰乙基-2-乙基-4-甲基咪唑(2E4MZ-CN)0.05重量份；氮化硼(平均粒径2-3μm，纯度99％以上)35重量份，氧化铝(平均粒径2-3μm，纯度99％以上)25重量份；抗氧剂1010(CIBA GEIGY Co.，Ltd.)0.1重量份。将上述组分置于砂磨机中，加入丁酮溶剂，调节组合物的固体含量为65％，然后进行混合研磨制成无卤阻燃粘合剂组合物的液态分散体。

用涂布机将无卤阻燃高导热绝缘树脂组合物的液态分散体涂在上述所得电晕过的导热单面聚酰亚胺覆铜板，涂层厚度为15μm，然后在强制通风烘箱中将所涂覆的涂层在150℃下干燥5分钟，从而使无卤阻燃粘合剂组合物涂层转变为半固化状态的胶层。将RCC带有胶层的表面和铝板(型号：5052H32，厚度为1mm)的粗糙处理面在60-190℃下，使用真空传压机通过热压而粘合在一起，制得散热金属基覆铜板。

实施例2.

将30g氮化铝(平均粒径2-3um)和500g NMP在砂磨机中进行砂磨，后加入烧瓶中，然后再氮气保护下加将摩尔比为0.99的二苯甲酮四酸二酐(BTDA)和二胺基二苯醚(ODA)的混合物70g，在25℃下搅拌20小时，进行聚合得到导热的聚酰胺酸溶液。

将上述导热的聚酰胺酸溶液涂覆于1Oz的电解铜上，厚度为20um，在160℃烘烤5分钟，然后放入氮气保护烘箱内于200-350℃高温亚胺化，冷去后得到导热单面聚酰亚胺覆铜板，载对聚酰亚胺面进行电晕处理，以备后用。

无卤环氧树脂GESR901(宏昌电子材料股份有限公司，环氧当量：475g/eq)4重量份、FC Hard XI-1072(Resinous Kasei Co.，Ltd.环氧当量：253g/eq)4重量份、GELR128E(宏昌电子材料股份有限公司，环氧当量：185g/eq)3重量份；HyPox RK 84L(CVC ThermosetSpecialties，弹性体量32质量％，环氧当量：1350g/eq)2重量份，KET4131A70(KOLON，环氧当量：215.5g/eq)1重量份；合成橡胶1072CG(Nantex Industry Co.，Ltd.丙烯腈含量27质量％)8重量份；二氨基二苯砜2重量份；1-氰乙基-2-乙基-4-甲基咪唑(2E4MZ-CN)0.05重量份；氧化铝(平均粒径2-3μm，纯度99％以上)75重量份；抗氧剂1010(CIBA GEIGY Co.，Ltd.)0.1重量份。将上述组分置于砂磨机中，加入丁酮溶剂，调节组合物的固体含量为65％，然后进行混合研磨制成无卤阻燃粘合剂组合物的液态分散体。

用涂布机将无卤阻燃高导热绝缘树脂组合物的液态分散体涂在上述所得电晕过的导热单面聚酰亚胺覆铜板上，涂层厚度为20μm，然后在强制通风烘箱中将所涂覆的涂层在150℃下干燥5分钟，从而使无卤阻燃粘合剂组合物涂层转变为半固化状态的胶层。将RCC带有胶层的表面和铝板(型号：5052H32，厚度为2mm)粗糙处理面在60-190℃下使用真空传压机通过热压而粘合在一起，制得散热金属基覆铜板。

实施例3

将30g氮化铝(平均粒径2-3um)和500g NMP在砂磨机中进行砂磨，后加入烧瓶中，然后再氮气保护下加将摩尔比为0.98的联苯四酸二酐(BPDA)和二胺基二苯醚(ODA)的混合物70g，在25℃下搅拌20小时，进行聚合得到导热的聚酰胺酸溶液。

将上述导热的聚酰胺酸溶液涂覆于1Oz的电解铜上，厚度为15um，在160℃烘烤5分钟，然后放入氮气保护烘箱内于200-350℃高温亚胺化，冷去后得到导热单面聚酰亚胺覆铜板，载对聚酰亚胺面进行电晕处理，以备后用。

丙烯酸酯共聚物SG-70L(宏昌电子材料股份有限公司)15重量份、FC Hard XI-1072(Resinous Kasei Co.，Ltd.环氧当量：253g/eq)4重量份、GELR128E(宏昌电子材料股份有限公司，环氧当量：185g/eq)5重量份；HyPox RK 84L(CVC Thermoset Specialties，弹性体量32质量％，环氧当量：1350g/eq)7重量份；二氨基二苯砜1.5重量份；1-氰乙基-2-乙基-4-甲基咪唑(2E4MZ-CN)0.05重量份；氮化硼(平均粒径2-3μm，纯度99％以上)35重量份，氧化铝(平均粒径2-3μm，纯度99％以上)25重量份；抗氧剂1010(CIBA GEIGY Co.，Ltd.)0.1重量份。将上述组分置于砂磨机中，加入丁酮溶剂，调节组合物的固体含量为65％，然后进行混合研磨制成无卤阻燃粘合剂组合物的液态分散体。

用涂布机将无卤阻燃高导热绝缘树脂组合物的液态分散体涂在上述所得电晕过的导热单面聚酰亚胺覆铜板上，涂层厚度为15μm，然后在强制通风烘箱中将所涂覆的涂层在150℃下干燥5分钟，从而使无卤阻燃粘合剂组合物涂层转变为半固化状态的胶层。将RCC带有胶层的表面和铝板(型号：5052H32，厚度为1mm)的粗糙处理面在60-190℃下，使用真空传压机通过热压而粘合在一起，制得散热金属基覆铜板。

对比例1

无卤环氧树脂GESR901(宏昌电子材料股份有限公司，环氧当量：475g/eq)5重量份、FC Hard XI-1072(Resinous Kasei Co.，Ltd.环氧当量：253g/eq)4重量份、GELR128E(宏昌电子材料股份有限公司，环氧当量：185g/eq)5重量份；HyPox RK 84L(CVC ThermosetSpecialties，弹性体量32质量％，环氧当量：1350g/eq)7重量份；二氨基二苯砜2重量份；1-氰乙基-2-乙基-4-甲基咪唑(2E4MZ-CN)0.05重量份；氮化铝(平均粒径2-3μm，纯度99％以上)35重量份，氧化铝(平均粒径2-3μm，纯度99％以上)25重量份；抗氧剂1010(CIBA GEIGY Co.，Ltd.)0.1重量份。将上述组分置于砂磨机中，加入丁酮溶剂，调节组合物的固体含量为65％，然后进行混合研磨制成无卤阻燃粘合剂组合物的液态分散体。

用涂布机将无卤阻燃高导热绝缘树脂组合物的液态分散体涂在厚度为1Oz的电解铜箔上，涂层厚度为40μm，然后在强制通风烘箱中将所涂覆的涂层在150℃下干燥5分钟，从而使无卤阻燃粘合剂组合物涂层转变为半固化状态的胶层。将RCC带有胶层的表面和铝板(型号：5052H32，厚度为1mm)的粗糙处理面在60-190℃下，使用真空传压机通过热压而粘合在一起，制得散热金属基覆铜板。

以下对上述实施例和对比例所得的散热金属基覆铜板的性能进行测定对比，所得结果见表一：

测试方法如下：

1、焊接耐热性：

按照IPC-650 2.4.13进行测试材料的焊接耐热性，其通过从金属基覆铜板材料上切下25cm²大小制备测试样品，然后使这些测试样品在300℃的锡融化浴中浸泡1min而测量。测试试样没有出现气泡、分层，判定为“OK”。

2、剥离强度：

按照IPC-650 2.4.9方法，测试铜箔的剥离强度。具体方法为：在金属基覆铜板上通过曝光蚀刻形成铜箔宽度为1mm的线路，然后在25℃的条件下测量在与层压材料表明形成180度角的方向上以50mm/min的速度剥离铜箔线路所需要力的最小值，并将该测量值作为剥离强度。

3、热导率测试

按照ASTM D5470-2006方法，测试导热绝缘层的热导率。

4、击穿电压测试

按照IEC60243-1方法，测试导热绝缘层的击穿电压，取5个点的平均值。

表一：实施例1-3和对比例1性能

由表一可知，实施例1至实施例3制备的组合物满足本发明的需求，生产的金属基覆铜板材料显示出高的击穿电压、低的热阻、良好的焊接耐热性，而对比例1中单独使用一种改性环氧树脂绝缘层，并且当和满足本发明需求的金属基覆铜板相比时，其所得的金属基覆铜板材料热阻很高，为本发明金属基覆铜板的10倍以上；且其击穿电压仅为2.0KV，不足本发明的金属基覆铜板的一半。

Claims (9)

1.一种低热阻高绝缘金属基覆铜板，其特征在于：包括导电金属层铜箔（1），在所述的导电金属层铜箔（1）上涂布有导热聚酰亚胺层（2），在所述的导热聚酰亚胺层（2）上涂布有导热胶黏剂层（3），在所述的导热胶黏剂层（3）上压覆有散热金属层（4），

其中所述的导热胶黏剂层（3）为改性环氧树脂胶黏剂层或改性丙烯酸酯胶黏剂层，所述的改性丙烯酸酯胶黏剂层按重量份由以下组分制成：

丙烯酸酯共聚物树脂：10-45份

无卤素环氧树脂：0-15份

固化剂：0.1-5份

高导热填料：30-80份

丁酮溶剂适量。

2.根据权利要求1所述的一种低热阻高绝缘金属基覆铜板，其特征在于所述的导电金属层铜箔（1）为电解铜箔或压延铜箔，其厚度为0.5oz-5oz。

3.根据权利要求1所述的一种低热阻高绝缘金属基覆铜板，其特征在于所述导热聚酰亚胺层（2）的厚度为13μm-50μm。

4.根据权利要求1所述的一种低热阻高绝缘金属基覆铜板，其特征在于所述的导热胶黏剂层（3）的厚度为13μm-50μm。

5.根据权利要求4所述的一种低热阻高绝缘金属基覆铜板，其特征在于所述的改性环氧树脂胶黏剂层按重量份由以下组分制成：

无卤素环氧树脂：10-45份

热塑性树脂和/或合成橡胶：0-15份

固化剂：0.1-5份

高导热填料：30-80份

丁酮溶剂适量。

6.根据权利要求1所述的一种低热阻高绝缘金属基覆铜板，其特征在于在所述的导热聚酰亚胺层（2）与导热胶黏剂层中含有高导热填料，所述的高导热填料为氮化铝、氮化硼、氧化铝、碳纳米管中的一种或两种以上的混合物。

7.根据权利要求1所述的一种低热阻高绝缘金属基覆铜板，其特征在于所述的散热金属层为铝板、铜板或铁板，厚度0.2mm-5mm。

8.制备权利要求1至7中任意一种低热阻高绝缘金属基覆铜板的方法，其特征在于包括以下步骤：

A、在导电金属层铜箔上涂覆预先制备的导热聚酰胺酸树脂组合物，经过80-180℃的烘箱干燥除去溶剂，然后在氮气氛条件下，经过200℃-360℃高温无氧化干燥并将聚酰胺酸亚胺化得到导热的单面聚酰亚胺覆铜板；

B、将上述的单面聚酰亚胺覆铜板聚酰亚胺面进行电晕处理；

C、在电晕处理后的聚酰亚胺面涂覆导热胶黏剂，经过60-180℃的烘箱干燥出去有机溶剂，使导热胶黏剂变成半固化状态；

D、将散热金属板与上述的半固化状态的导热胶黏剂进行高温高压压合，固化后即得。

9.根据权利要求8所述的制备低热阻高绝缘金属基覆铜板的方法，其特征在于所述的导热聚酰胺酸树脂组合物的制备方法具体为：将高导热填料与溶剂进行砂磨后加入反应槽，并往反应槽中依次加入二胺类化合物、四甲酸酐类化合物，酸酐与二胺的摩尔比控制在0.98-1.0，在5℃-40℃聚合反应即得。

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