CN103118487B - 超高导热金属基线路板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种超高导热金属基线路板，包括基材层，和按序附着在所述基材层表面的复合导热绝缘层及采用印刷电子技术印制的导电线路层，所述复合导热绝缘层包括衬底层和绝缘层，所述衬底层的上表面与所述绝缘层贴附，所述衬底层的下表面附着在所述基材层表面上。本发明还揭示了上述超高导热金属基线路板的制备方法。本发明超高导热金属基线路板在满足其热量转移的同时，克服耐击穿电压低、剥离强度低、导电线路厚薄不均等方面的不足。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有超高导热性能的金属基线路板及其制备方法，属于电子技术领域。
背景技术
随着微电子技术的快速发展,电子器件的微型化、芯片的主频不断提高、单个芯片的功耗逐渐增大,这些都导致热流密度急剧提高,尤其表现在照明LED、太阳能电池、处理器等领域。线路板作为电子器件的重要电子部件，不仅是电子器件的支撑体，而且是电子元器件线路连接的提供者，进一步也作为所封装的通常会产生高热流密度器件的直接导热散热途径。无树脂的金属基线路板，即引入各类绝缘导热材料代替传统高热阻高分子聚合物作为介质层的金属基线路板，作为新一代的电子元器件封装的热管理解决方案，已展现出其突出的导热优势。
目前无树脂的金属基线路板的结构通常为：金属基材层→绝缘导热材料层→导电线路层。上述结构的无树脂金属基线路板虽具有极为优异的导热散热能力，但仍存在下述缺陷：
⒈由于上述金属基材层→绝缘导热材料层→导电线路层的三层结构、且绝缘导热材料层和导电线路层一般通过气相沉积技术、化学电镀技术或等离子喷涂技术获得，使上述三层结构的各层由于各自的晶格排列及膨胀系数存在差异而导致线路板剥离强度差，具体解释为金属基材层与绝缘导热材料层之间、绝缘导热材料层与导电线路层之间的附着力较弱。
⒉气相沉积技术、化学电镀技术或等离子喷涂技术获得的绝缘导热材料层，其表面有微观空隙或缺陷，以至采用气相沉积技术或化学电镀技术设置导电线路层时，制得导电线路层所用材料中的金属粒子会渗入绝缘导热材料层表面上的微观空隙或缺陷内，从而使绝缘导热材料层的有效厚度降低，进一步造成线路板耐击穿电压下降。
⒊无树脂金属基线路板的导电线路层主要采用化学电镀技术制得，会出现导电线路层厚薄不均匀，特别是以高载流为目的需要具备较厚的导电线路层时，上述厚薄不均匀的弊端更为明显，从而将影响其上的线路精度以及无树脂金属基线路板性能的稳定性。
因此，作为新一代的电子元器件封装的热管理解决方案的无树脂的金属基线路板，其虽具有导热散热能力优异的特点，但由于上述缺陷未被克服，仍旧没有被电子行业等各领域广泛应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种解决上述技术问题的超高导热金属基线路板，本发明采用印刷电子技术印制导电线路层，尤其适用于高热流密度电子元器件的封装领域，在满足其热量转移的同时，克服耐击穿电压低、剥离强度低、导电线路厚薄不均等方面的不足。本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种超高导热金属基线路板，包括基材层，和按序附着在所述基材层表面的复合导热绝缘层及采用印刷电子技术印制的导电线路层，所述复合导热绝缘层包括衬底层和绝缘层，所述衬底层的上表面与所述绝缘层贴附，所述衬底层的下表面附着在所述基材层表面上。
本发明进一步地，所述衬底层是包括Cr、Ti、Ni、Fe、Mo、Zr、Au、Cu、Ag、Pd、Si、SiC、Al2O3中的一种或多种材料，经PVD技术、CVD技术、离子束技术、等离子喷涂技术或阳极氧化技术中任一方法制成的涂层，目的是完成所述基材层到所述绝缘层的过渡。
本发明进一步地，所述绝缘层是包括DLC材料或陶瓷材料中的一种材料或两种材料，经PVD技术、CVD技术、离子束技术、等离子喷涂技术或阳极氧化技术中任一方法制成的涂层。
本发明进一步地，所述基材层是包括但不限于铜、铜合金、铝、铝合金、镁、镁合金、铁、铁合金中的一种或多种材料制得。
本发明进一步地，所述导电线路层是包括但不限于铜颗粒、银颗粒或石墨颗粒中的一种或多种材料制得。
本发明还提供一种超高导热金属基线路板的制备方法，包括如下步骤：
①对基材层进行清洗并烘干；
②选取制备衬底层所需材料，经PVD技术、CVD技术、离子束技术、等离子喷涂技术或阳极氧化技术制得衬底层；
③选取制备绝缘层所需材料，经PVD技术、CVD技术、离子束技术、等离子喷涂技术或阳极氧化技术制得绝缘层；
④导电线路层的设置：
准备网版，
制备导电浆料，将粒径在0.2μm～3μm之间的金属颗粒进行防氧化和阳极处理、或将粒径在0.2μm～3μm之间的非金属颗粒，与质量为所述金属颗粒或非金属颗粒质量3﹪～10﹪的粘结剂混合制得导电浆料，
定位网版，把制得的导电浆料印刷成导电线路图形，
导电浆料的固化，在温度120℃～500℃条件下，将印刷成导电线路图形的导电浆料烘烤10min～100min，制得附着在所述绝缘层表面的导电线路层。
本发明进一步地，步骤④中所述的金属颗粒包括但不限于铜颗粒或银颗粒，所述的非金属颗粒包括但不限于石墨颗粒，所述粘结剂为包括但不限于可固化树脂。
本发明的应用施行，其显著的技术效果主要体现在：
⑴通过本发明所设置的复合导热绝缘层，由于其起过渡作用的衬底层存在,使复合导热绝缘层与基材层的附着力增强,进一步提升线路板的剥离强度；
⑵本发明采用印刷电子技术印制得到导电线路层，避免采用传统的化学电镀技术而产生的导电线路层厚薄不均匀的缺点，有利于线路板产品性能稳定和线路精度的准确；
⑶使用本发明制备得到的导电浆料，并结合印刷电子技术印制得到导电线路层，经实验证明，由于所述导电浆料表面具有的张力、以及采取一定大小的金属颗粒或非金属颗粒，使上述金属颗粒或非金属颗粒不会渗入绝缘层微观空隙或缺陷内，进一步提升绝缘层的有效厚度、和提高耐击穿电压。
⑷由于导电浆料含有少量的粘结剂，使导电线路层与复合导热绝缘层之间有较强的分子间作用力或形成化学键，从而也进一步使本发明超高导热金属基线路板的剥离强度提高。
因此，本发明超高导热金属基线路板在满足其热量转移的同时，克服耐击穿电压低、剥离强度低、导电线路厚薄不均等方面的不足。
以下便结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
其中：
| 1 | 电子元器件 | 2 | 表面处理层 | 3 | 导电线路层 |
| 4 | 复合导热绝缘层缺陷 | 5 | 复合导热绝缘层 | 6 | 基材层 |
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例对本发明进行说明，所举的实施例仅是对本发明作概括性例示，有助于更好地理解本发明，但并不会限制本发明范围。下述实施例中所述材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
请参阅图1，本发明超高导热金属基线路板，包括基材层6，和按序依次附着在基材层6表面的复合导热绝缘层5，以及采用印刷电子技术印制得到的导电线路层3，即结构为基材层6→复合导热绝缘层5→导电线路层3。上述复合导热绝缘层5包括衬底层和绝缘层，所述衬底层的上表面与所述绝缘层贴附，所述衬底层的下表面附着在所述基材层表面上，综上所述即本发明实施例结构为基材层6→衬底层→绝缘层→导电线路层3。
本发明实施例进一步的、为公知常识的还包括在所述导电线路层3表面上的通过本领域常规技术方法设置的表面处理层2，以进一步保护所述导电线路层3和增加导电线路层3的防氧化性能。本发明实施例进一步的、为公知常识的还包括安装在表面处理层2上的电子元器件1。
上述在基材层6上设置复合导热绝缘层5，复合导热绝缘层5所采用的技术方法会导致向复合导热绝缘层5内部凹陷的微观的复合导热绝缘层缺陷4的产生。若导电线路层3所用的材料、尤其是金属材料渗透进上述复合导热绝缘层缺陷4内，则大为降低复合导热绝缘层5的绝缘效果，例如：采用DLC材料或氧化铝材料制得的厚度为10μm的绝缘层，若表面有深6μm的空隙或缺陷，覆盖在其上的导电材料渗透至6μm的空隙或缺陷内，从而实际起到绝缘作用的绝缘层仅有4μm厚度。采用本发明印刷电子技术印制得到的导电线路层3，不仅避免导电线路层3所用的材料渗透进上述复合导热绝缘层缺陷4内、使其实际起到绝缘作用的绝缘层厚度与原本绝缘层的厚度一致，而且避免了复合导热绝缘层缺陷4带来的线路板耐击穿电压下降，对于相同耐压的产品来说，可降低绝缘层厚度、降低成本，并进一步提高剥离强度，同时使该导电线路层3厚度均匀。
公知的技术，如PVD技术、即物理气相沉积技术，是指利用物理过程实现物质转移，将原子或分子由源转移到基材表面上的过程。CVD、即化学气相沉积，是指把含有构成薄膜元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸气及反应所需其它气体引入反应室，在衬底表面发生化学反应生成薄膜的过程。离子束技术，是指在真空环境下被引入的气体在离子束的电磁场共同作用下被离子化，被离子化的离子在离子束和基片之间的电场作用下被加速，并以高能粒子的形式轰击或沉积在基片上。等离子喷涂技术，是指用电弧将可产生等离子体的气体加热和电离，形成高温高速等离子体射流，使粉体或丝材熔化和雾化，并高速喷射到基体表面。阳极氧化技术，是指金属或合金的在相应的电解液和特定的工艺条件下,由于外加电流的作用下形成一层氧化膜的过程。
本发明所述衬底层是由Cr、Ti、Ni、Fe、Mo、Zr、Au、Cu、Ag、Pd、Si、SiC、Al2O3中的一种或多种材料，但不限于上述材料，进一步经公知的PVD技术、CVD技术、离子束技术、等离子喷涂技术或阳极氧化技术中任一方法制成的涂层，目的是完成所述基材层到所述绝缘层的过渡，增强绝缘层与衬底层的附着力。本发明所述绝缘层是包括DLC材料或陶瓷材料中的一种材料或两种材料，进一步经公知的PVD技术、CVD技术、离子束技术、等离子喷涂技术或阳极氧化技术中任一方法制成的涂层。所述DLC材料是指含有金刚石结构（sp3键）和石墨结构（sp2键）的亚稳非晶态物质。
本发明实施例优选地，基材层6是由包括但不限于铜、铜合金、铝、铝合金、镁、镁合金、铁、铁合金中的一种或多种材料制得。导电线路层3是由包括但不限于铜颗粒、银颗粒或石墨颗粒中的一种或多种材料制得。
下面详细介绍本发明的金属基线路板的制备方法：
①对基材层6进行清洗并烘干，如可采用超声波设备清洗；
②选取制备衬底层所需材料，经公知的PVD技术、CVD技术、离子束技术、等离子喷涂技术或阳极氧化技术制得衬底层；
③选取制备绝缘层所需材料，经公知的PVD技术、CVD技术、离子束技术、等离子喷涂技术或阳极氧化技术制得绝缘层；
由②和③制得了复合导热绝缘层5；
④导电线路层3的设置，该导电线路层3是采用印刷电子技术浸润导电浆料至上述复合导热绝缘层5的表面的方法制得，例如采用网版印刷技术，具体工艺为：
准备网版：可采用传统影像转移的工艺准备网版，网框采用加强形式的铝合金型材制作，网纱采用聚脂尼龙复合网纱或钢网，当然，也可以采用其他材质的网版；
制备导电浆料：将粒径在0.2μm～3μm之间的金属颗粒进行防氧化或阳极性处理、或直接将粒径在0.2μm～3μm之间的非金属颗粒，与质量为所述金属颗粒或非金属颗粒质量3﹪～10﹪的粘结剂混合制得导电浆料。
所述的金属颗粒包括但不限于铜颗粒或银颗粒，所述的非金属颗粒包括但不限于石墨颗粒，所述粘结剂为可固化树脂，具体为可添加在导电浆料中的、常规的、市购的粘结剂；例如采用低温固化的粘结剂，能使整个导电线路层3的设置的工艺温度控制在300℃以下，即使基材层6使用的是铝材或镁材，也完全不用担心温度过高会影响线路板产品的品质；
定位网版，把制得的导电浆料印刷成导电线路图形，
导电浆料的固化，在温度120℃～500℃条件下，将印刷成导电线路图形的导电浆料烘烤10min～100min，制得附着在所述绝缘层表面的导电线路层。
因此，首先，通过本发明所设置的复合导热绝缘层5，由于其起过渡作用的衬底层存在,使复合导热绝缘层与基材层的附着力增强,进一步提升线路板的剥离强度。其次，本发明采用印刷电子技术印制得到导电线路层，避免采用传统的化学电镀技术而产生的导电线路层的厚薄不均匀的缺点，有利于线路板产品性能稳定和线路精度的准确，并且可以设置较厚导电线路层，以导电线路铜层为例，可以达到1～3盎司或更厚，不会产生化学电镀方法出现铜层内应力升高，导电线路铜层厚度更为不均等弊端。再次，使用本发明制备得到的导电浆料，并结合印刷电子技术印制得到导电线路层，经实验证明，由于所述导电浆料表面具有的张力、以及采取一定大小的金属颗粒或非金属颗粒，使上述金属颗粒或非金属颗粒不会渗入绝缘层微观空隙或缺陷内，进一步提升绝缘层的有效厚度、和提高耐击穿电压。最后，由于导电浆料含有少量的粘结剂，使导电线路层3与绝缘层之间有较强的分子间作用力或形成化学键，从而使本发明超高导热金属基线路板的剥离强度高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以作出若干改进和变型，这些改进和变型也应该视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种超高导热金属基线路板的制备方法，所述超高导热金属基线路板包括基材层（6），和按序附着在所述基材层（6）表面的复合导热绝缘层（5）及采用印刷电子技术印制的导电线路层（3），所述复合导热绝缘层（5）包括衬底层和绝缘层，所述衬底层的上表面与所述绝缘层贴附，所述衬底层的下表面附着在所述基材层（6）表面上，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
①对基材层（6）进行清洗并烘干；
②选取制备衬底层所需材料，经PVD技术、CVD技术、离子束技术、等离子喷涂技术或阳极氧化技术在所述基材层（6）表面制得衬底层；
③选取制备绝缘层所需材料，经PVD技术、CVD技术、离子束技术、等离子喷涂技术或阳极氧化技术在所述衬底层表面制得绝缘层；
④导电线路层（3）的设置：
准备网版，
制备导电浆料，将粒径在0.2μm～3μm之间的金属颗粒进行防氧化或阳极性处理，并与粘结剂混合制得导电浆料，所述金属颗粒与粘结剂的质量比为1：3﹪～10﹪；或，
将粒径在0.2μm～3μm之间的非金属颗粒，与粘结剂混合制得导电浆料，所述非金属颗粒与粘结剂的质量比为1：3﹪～10﹪；
定位网版，把制得的导电浆料印刷成导电线路图形，
导电浆料的固化，在温度120℃～500℃条件下，将印刷成导电线路图形的导电浆料烘烤10min～100min，制得附着在所述绝缘层表面的导电线路层（3）。
2.根据权利要求1所述的超高导热金属基线路板的制备方法，其特征在于：步骤④中所述的金属颗粒包括铜颗粒或银颗粒。
3.根据权利要求1所述的超高导热金属基线路板的制备方法，其特征在于：步骤④中所述的非金属颗粒包括石墨颗粒。
4.根据权利要求1所述的超高导热金属基线路板的制备方法，其特征在于：所述粘结剂为可固化树脂。
5.根据权利要求1所述的超高导热金属基线路板的制备方法，其特征在于：所述衬底层是包括Cr、Ti、Ni、Fe、Mo、Zr、Au、Cu、Ag、Pd、Si、SiC、Al2O3中的一种或多种材料，经PVD技术、CVD技术、离子束技术、等离子喷涂技术或阳极氧化技术中任一方法制成的涂层。
6.根据权利要求1所述的超高导热金属基线路板的制备方法，其特征在于：所述绝缘层是包括DLC材料或陶瓷材料中的一种材料或两种材料，经PVD技术、CVD技术、离子束技术、等离子喷涂技术或阳极氧化技术中任一方法制成的涂层，所述DLC材料是指含有金刚石结构[sp3键]和石墨结构[sp2键]的亚稳非晶态物质。
7.根据权利要求1所述的超高导热金属基线路板的制备方法，其特征在于：所述基材层（6）是包括铜、铜合金、铝、铝合金、镁、镁合金、铁、铁合金中的一种或多种材料制得。
8.根据权利要求1所述的超高导热金属基线路板的制备方法，其特征在于：所述导电线路层（3）是包括铜颗粒、银颗粒或石墨颗粒中的一种或多种导电材料制得。
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