CN103087471A

CN103087471A - 高导热半固化片及其制造方法

Info

Publication number: CN103087471A
Application number: CN2011103462136A
Authority: CN
Inventors: 容锦泉; 林海明; 蔡恒生; 郑海峰; 余大民
Original assignee: Hong Kong Polytechnic University HKPU
Current assignee: Hong Kong Polytechnic University HKPU
Priority date: 2011-11-04
Filing date: 2011-11-04
Publication date: 2013-05-08

Abstract

本发明涉及可应用于印刷电路板的半固化片，并公开了一种高导热半固化片及其制造方法，包括以下步骤：将环氧树脂与硬化剂在室温混合均匀，并配制含有环氧树脂与硬化剂的树脂组合物溶液；在树脂组合物溶液中掺杂重量百分比为3～10％的氮化硼，充分搅拌得到BN-树脂组合物溶液；选用玻纤布作为增强材料，将玻纤布浸渍于BN-树脂组合物溶液中，得到预浸渍有BN-树脂组合物的玻纤布；将预浸渍有BN-树脂组合物的玻纤布放置于烘箱中，预固化得到高导热半固化片。本发明的半固化片热导率高、散热良好、机械强度大且成本低，在其制造过程中不需要复杂的硅烷处理。本发明的方法简便易行、可应用于大规模的生产制造过程。

Description

高导热半固化片及其制造方法

技术领域

本发明属于印刷电路板技术领域、并涉及一种可应用于印刷电路板的半固化片，更具体地，本发明涉及一种可应用于印刷电路板的高导热半固化片及其制造方法。

背景技术

印刷线路板(PCB)适用于从消费性电子设备至巨型计算机的众多应用，其用于机械支持电子元件以及通过其上蚀刻的传导通路等电连接电子元件。现今持续增长的复杂电子设备对印刷线路板中高效且性价比高的热控制技术提出了更高的要求。因此，目前急需高效的散热印刷电路板材料。

PCB板通常由非传导性的基材与半固化片叠层而成。在PCB制造过程中，几层至十层半固化片与顶部和底部的铜箔片结合，并一起经热压形成完整的PCB。一般而言，每个半固化片由预浸渍有一定量环氧树脂的增强材料(例如玻纤布)组成。固化后的环氧树脂提供PCB中的电气绝缘性能。目前，可根据电路的需要选择提供不同电气绝缘性能的环氧树脂，某些这些环氧树脂(又称为介电材料)是聚四氟乙烯(铁氟龙)、FR-4、CEM-1或CEM-3。其中，FR-4是目前为止使用最多的介电材料。

FR-4是以环氧树脂作粘合剂、以玻纤布作增强材料的一类基板。但是，环氧树脂和玻纤布的导热性均较差，其热导率(TC)分别为0.04和0.3W/mk。因此，传统FR-4的材料热性能的固有限制已不能满足目前大功率器件的散热需求。解决该问题的其中一种现有方法是使用金属作为PCB中的芯板以增强散热效率。但是，这种PCB需要介电层作为热非导电的电路绝缘材料，并因此成为高效散热的瓶颈。另外，金属芯板PCB的材料成本比FR-4的成本高很多。

解决散热问题的另一方法是在环氧树脂中填充颗粒物。通过添加具有高热导率的无机颗粒可提高环氧树脂的低热导率。并且，如果选用的这些颗粒是电气绝缘的，那么环氧树脂的电气绝缘可得以维持。目前已知的是可将碳化硅(SiC)、氧化铝(Al₂O₃)、氮化铝(AlN)和氮化硼(BN)添加至环氧树脂中形成具有满意导热性能的组合物。碳化硅、氧化铝和氮化铝的介电常数大于8，不符合电气封装的要求。BN具有较低的介电常数(约等于4)，且较前三个填充物更便宜，因此，BN经证实为制造填充物环氧树脂组合物的优秀候选。但是现有技术中BN的掺杂量往往过高，不利于维持环氧树脂组合物以及最终制备的半固化片的机械强度，而且为了降低有机和无机材料之间的热阻，掺杂有BN颗粒的环氧树脂需要复杂的硅烷表面处理。另外，目前掺杂有BN的环氧树脂组合物的热导率仍然不能满足大功率器件散热的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中掺杂有氮化硼的环氧树脂组合物中氮化硼含量过高不利于机械强度的维持、需要复杂的硅烷表面处理以及其热导率仍然不能满足大功率器件散热要求的缺陷，提供一种氮化硼掺杂量低、半固化片机械强度大、制备过程中不需要硅烷表面处理以及热导率高、散热性能良好的高导热半固化片及其制造方法。

本发明要解决的技术问题通过以下技术方案得以实现：提供一种高导热半固化片的制造方法，其中，所述方法包括以下步骤：

S1：将环氧树脂与硬化剂在室温混合均匀，并配制含有所述环氧树脂与硬化剂的树脂组合物溶液；

S2：在步骤S1的树脂组合物溶液中掺杂重量百分比为3～10％的氮化硼，充分搅拌得到BN-树脂组合物溶液；

S3：选用玻纤布作为增强材料，将所述玻纤布浸渍于步骤S2中的BN-树脂组合物溶液中，得到预浸渍有BN-树脂组合物的玻纤布；

S4：将步骤S3中预浸渍有BN-树脂组合物的玻纤布放置于烘箱中，预固化得到所述高导热半固化片。

在上述高导热半固化片的制造方法中，在所述步骤S1中，所述环氧树脂为氨酚基三官能环氧树脂，所述硬化剂为甲基六氢苯酐。

在上述高导热半固化片的制造方法中，在所述步骤S1中，所述氨酚基三官能环氧树脂与所述甲基六氢苯酐的重量比为1∶1～1∶1.5。

在上述高导热半固化片的制造方法中，在所述步骤S2中，所述氮化硼的重量百分比为3％、5％或8％。

在上述高导热半固化片的制造方法中，在所述步骤S2中，所述氮化硼的颗粒大小为1.5～20μm。

在上述高导热半固化片的制造方法中，在所述步骤S3中，所述玻纤布是交织型玻纤布或单向型玻纤布。

在上述高导热半固化片的制造方法中，在所述步骤S4中，所述预固化是指在50～65℃烘烤3～5小时。

根据本发明的另一方面，提供一种高导热半固化片，包括树脂组合物与增强材料，所述树脂组合物包含环氧树脂和硬化剂，其中，所述增强材料为玻纤布，所述树脂组合物中还包含3～10％的氮化硼。

在上述高导热半固化片中，所述氮化硼的颗粒大小为1.5～20μm。

在上述高导热半固化片中，所述环氧树脂为氨酚基三官能环氧树脂，所述硬化剂为甲基六氢苯酐。

实施本发明的高导热半固化片及其制造方法，可以获得以下有益效果：根据本发明，在高导热半固化片的制造过程中，通过在环氧树脂中掺杂高热导率的氮化硼，可提高环氧树脂组合物的热导率，从而最终改善制造的半固化片的导热性能；另外，本发明选用玻纤布为增强材料，因此在半固化片的制造过程中不需要对氮化硼进行复杂的硅烷表面处理，使制造过程进一步得到简化；第三方面，在确保良好导热性能的前提下，本发明在环氧树脂中掺杂的氮化硼的含量很低，从而可以维持掺杂氮化硼之前半固化片的机械强度，有助于其在印刷电路板领域的扩展应用。本发明的半固化片散热效果良好、机械强度大且成本低，本发明的方法简便易行、可适用于大规模的生产制造。

附图说明

以下将结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。附图中：

图1是在传统FR-4和本发明实施例1的高导热半固化片上安装的大功率LED的红外热成像示意图；

图2是根据本发明实施例的采用具有不同氮化硼含量和颗粒大小的半固化片制造得到的层压板的热导率示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明所涉及的树脂、硬化剂、玻纤布与氮化硼均购买自上海市合成树脂研究所、香港金安企業有限公司、广州博皓复合材料有限公司及淄博晶亿陶瓷科技有限公司。以下通过具体实施例对本发明作详细说明。

实施例1：

将5g氨酚基三官能环氧树脂与6g甲基六氢苯酐在室温混合均匀，然后溶解于50ml丙酮中配制成含有氨酚基三官能环氧树脂与甲基六氢苯酐的树脂组合物溶液；在上述树脂组合物溶液中掺杂4g(重量百分比为8％)颗粒大小为1.5μm的氮化硼，通过磁力搅拌器充分搅拌2小时得到BN-树脂组合物溶液；选用交织型玻纤布作为增强材料，将该玻纤布浸渍于BN-树脂组合物溶液中5分钟，得到预浸渍有BN-树脂组合物的玻纤布；将预浸渍有BN-树脂组合物的玻纤布放置于烘箱中，在60℃预固化4小时后得到高导热半固化片。

为验证本实施例的高导热半固化片的导热性能，将两个相同的大功率LED分别安装在传统的FR-4和本实施例的半固化片上。如图1所示，图1为两种半固化片上大功率LED的热成像图。从图中明显可知，安装在本实施例的半固化片上的LED具有更低的温度(低12.5℃)；这也充分证明了本实施例所制造的半固化片具有很好的散热效果、导热性能良好。本领域技术人员熟悉的是，LED类的照明器件在低温下工作时其使用寿命可明显延长。因此，本实施例中散热效果良好的半固化片可延长LED的使用寿命。另外，在验证过程中也发现，相比传统FR-4上LED的光输出(987lux)，本实施例的半固化片上LED的光输出可增加到1082lux，进一步说明本实施例的半固化片的实用价值。

表1是本实施例的半固化片与传统FR-4以及采用其他填充物掺杂的环氧树脂(同样为氨酚基三官能环氧树脂)制成的半固化片的各方面性能对比。从表1中可知，在使用少量的氮化硼的情况下，本发明的半固化片的热导率为3.43，明显高于传统的FR-4；同时其介电常数低、机械强度大，而且不需要经过硅烷表面处理。

表1实施例1的半固化片与传统FR-4以及其他半固化片的性能比较

这里需要提及的是，本发明中为制备树脂组合物溶液选用丙酮作为溶剂，但是本领域技术人员熟悉的是，二甲基甲酰胺、环己酮、乙二醇单甲醚等均可用作溶解环氧树脂的溶剂，本领域技术人员可根据实际需要选择任意一种适合的溶剂。另外，除了氨酚基三官能环氧树脂以外，本领域技术人员也可选用其他适用于印刷电路板制造的环氧树脂材料，例如含氮、酚醛、间苯二酚甲醛的环氧树脂。

实施例2-5：

与实施例1不同的是，在含有氨酚基三官能环氧树脂与甲基六氢苯酐的树脂组合物溶液中掺杂的氮化硼的颗粒大小分别为5、10、15和20μm；其余步骤均与实施例1相同，在此不再重复叙述。

实施例6：

将5g氨酚基三官能环氧树脂与5g甲基六氢苯酐在室温混合均匀，然后溶解于50ml丙酮中配制成含有氨酚基三官能环氧树脂与甲基六氢苯酐的树脂组合物溶液；在上述树脂组合物溶液中掺杂4.9g(重量百分比为10％)颗粒大小为1.5μm的氮化硼，通过磁力搅拌器充分搅拌2小时得到BN-树脂组合物溶液；选用单向型玻纤布作为增强材料，将该玻纤布浸渍于BN-树脂组合物溶液中10分钟，得到预浸渍有BN-树脂组合物的玻纤布；将预浸渍有BN-树脂组合物的玻纤布放置于烘箱中，在65℃预固化5小时后得到高导热半固化片。

实施例7-10：

与实施例6不同的是，在含有氨酚基三官能环氧树脂与甲基六氢苯酐的树脂组合物溶液中掺杂的氮化硼的颗粒大小分别为5、10、15和20μm；其余步骤均与实施例6相同，在此不再重复叙述。

实施例11：

将5g氨酚基三官能环氧树脂与7.5g甲基六氢苯酐在室温混合均匀，然后溶解于50ml丙酮中配制成含有氨酚基三官能环氧树脂与甲基六氢苯酐的树脂组合物溶液；在上述树脂组合物溶液中掺杂1.55g(重量百分比为3％)颗粒大小为1.5μm的氮化硼，通过磁力搅拌器充分搅拌2小时得到BN-树脂组合物溶液；选用单向型玻纤布作为增强材料，将该玻纤布浸渍于BN-树脂组合物溶液中5分钟，得到预浸渍有BN-树脂组合物的玻纤布；将预浸渍有BN-树脂组合物的玻纤布放置于烘箱中，在50℃预固化4小时后得到高导热半固化片。

实施例12-15：

与实施例11不同的是，在含有氨酚基三官能环氧树脂与甲基六氢苯酐的树脂组合物溶液中掺杂的氮化硼的颗粒大小分别为5、10、15和20μm；其余步骤均与实施例11相同，在此不再重复叙述。

实施例16：

将5g氨酚基三官能环氧树脂与6g甲基六氢苯酐在室温混合均匀，然后溶解于50ml丙酮中配制成含有氨酚基三官能环氧树脂与甲基六氢苯酐的树脂组合物溶液；在上述树脂组合物溶液中掺杂2.5g(重量百分比为5％)颗粒大小为1.5μm的氮化硼，通过磁力搅拌器充分搅拌2小时得到BN-树脂组合物溶液；选用单向型玻纤布作为增强材料，将该玻纤布浸渍于BN-树脂组合物溶液中7分钟，得到预浸渍有BN-树脂组合物的玻纤布；将预浸渍有BN-树脂组合物的玻纤布放置于烘箱中，在60℃预固化3小时后得到高导热半固化片。

实施例17-20：

与实施例16不同的是，在含有氨酚基三官能环氧树脂与甲基六氢苯酐的树脂组合物溶液中掺杂的氮化硼的颗粒大小分别为5、10、15和20μm；其余步骤均与实施例16相同，在此不再重复叙述。

现有技术中在环氧树脂中掺杂无机颗粒后，通常需要对掺杂的无机颗粒进行复杂的硅烷表面处理，从而降低无机和有机材料之间的热阻。本发明中对比了采用经硅烷表面处理和未经该处理的氮化硼对半固化片热导率的影响，发现处理前后半固化片的热导率差别很小(＜1％)，且采用未经处理的氮化硼制造的半固化片已经具有优良的导热性能(表1)。因此，在本发明中无须对氮化硼进行硅烷表面处理，不仅节约成本，而且使制造工艺得到简化。另一方面，氮化硼能同时增强玻纤布的(a)纵向导热率(单向型)，或(b)纵向及横向导热率(交织型)。

另外，本发明的半固化片可与另一半固化片、金属片或PCB叠片，然后经热压形成层压板。由于本发明的半固化片为具有高热导率的薄片，因此采用其制成的层压板同样具有显著的散热效果。另外，由于氮化硼自身的介电常数低，半固化片中掺杂的氮化硼的量少，从而制成的半固化片以及采用该半固化片形成的层压板在玻璃化温度、热稳定性、电气绝缘和机械强度等方面均满足印刷电路板技术领域的相关要求。制得的层压板的厚度可达几毫米，符合印刷电路板制造的需要。

如图2所示，图2是采用实施例1-20的半固化片制成的层压板的热导率的示意图。从图中明显可以看出，层压板的热导率起初随着氮化硼含量的增加而增加，当氮化硼的重量百分比达到8％之后，其热导率反而随着氮化硼含量的增加而减少。另外，相同含量下氮化硼的粒径越小，层压板的热导率越高。这可能与小粒径的氮化硼可更多、更容易地浸渍到玻纤布中有关。

综上所述，采用本发明所制造的高导热半固化片具有以下优点：(1)较高热导率的氮化硼的掺杂使半固化片的热导率提高；(2)所需使用的氮化硼的量少，一方面有利于成本控制，另一方面可维持半固化片的机械强度；(3)由于使用玻纤布作为增强材料，因此不需要对氮化硅进行复杂的硅烷表面处理。本发明所提供的高导热半固化片的制造方法简便易行、可在大生产规模中得以应用。另外，本发明所提供的半固化片成本低，具有在市场上广泛销售的潜力。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims

1. 一种高导热半固化片的制造方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S2：在步骤S1的树脂组合物溶液中掺杂重量百分比为3~10%的氮化硼，充分搅拌得到BN-树脂组合物溶液；

2. 根据权利要求1所述的高导热半固化片的制造方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述环氧树脂为氨酚基三官能环氧树脂，所述硬化剂为甲基六氢苯酐。

3. 根据权利要求2所述的高导热半固化片的制造方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述氨酚基三官能环氧树脂与所述甲基六氢苯酐的重量比为1:1~1:1.5。

4. 根据权利要求1所述的高导热半固化片的制造方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述氮化硼的重量百分比为3%、5%或8%。

5. 根据权利要求1所述的高导热半固化片的制造方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述氮化硼的颗粒大小为1.5~20μm。

6. 根据权利要求1所述的高导热半固化片的制造方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述玻纤布是交织型玻纤布或单向型玻纤布。

7. 根据权利要求1所述的高导热半固化片的制造方法，其特征在于，在所述步骤S4中，所述预固化是指在50~65℃烘烤3~5小时。

8. 一种高导热半固化片，包括树脂组合物与增强材料，所述树脂组合物包含环氧树脂和硬化剂，其特征在于，所述增强材料为玻纤布，所述树脂组合物中还包含3~10%的氮化硼。

9. 根据权利要求8所述的高导热半固化片，其特征在于，所述氮化硼的颗粒大小为1.5~20μm。

10. 根据权利要求8所述的高导热半固化片，其特征在于，所述环氧树脂为氨酚基三官能环氧树脂，所述硬化剂为甲基六氢苯酐。