CN112297540A - 一种高热导率的铝基覆铜板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种铝基覆铜板，包括铝板和复合于铝板表面的铜箔，所述铝板的一个表面具有氧化铝层，另一个表面具有均匀分布的锥状三维氧化铝微结构层，所述铜箔表面依次叠加复合有第一绝缘导热胶层和第二绝缘导热胶层，且所述锥状三维氧化铝微结构层嵌入所述第二绝缘导热胶层中。本发明铝基覆铜板在绝缘胶和铝基板之间构造微米级锥状结构，与导热填料含量较少的第二层绝缘导热胶层形成粘附力较大和界面连接，而且针锥结构本身作为导热通道的一部分，与第一层绝缘导热层的导热填料连接形成导热通道，从而既保障了界面连接可靠性，又提高了导热性能耐，浸焊和耐压性能较好。
Description
技术领域
本发明涉及电子封装材料技术领域，尤其涉及一种高热导率的铝基覆铜板及其制备方法。
背景技术
随着电子元器件日益小型化和高功率密度化，导致电子产品封装界面热流密度急剧增大，严重影响了器件和电子产品的稳定性和可靠性。高导热性金属复合基板是LED等功率器件封装电传输和散热的基础材料，可以很好的解决功率器件散热问题。
铝基覆铜板一般由铝板、绝缘层、铜箔构成，为了提升绝缘层的导热能力，需要在环氧树脂绝缘胶中按一定比例加入硅粉等导热性较强的填料，经过分散、固化等工艺过程形成绝缘导热胶层，再经过高温压合实现铝基板-绝缘层-铜箔粘结的铝基覆铜板。但是，上述高导热铝基覆铜板制造及服役过程中，绝缘胶与金属基板的连接界面由于粘附力弱、热应力等问题的存在，成为影响产品质量和可靠性的重要问题；另外导热性填料的加入会降低金属表面与绝缘胶的有效接触面积，增加初始裂纹缺陷数量，进而降低界面粘附力、耐浸焊和耐电压性能等，而减少填料又会降低产品导热性能。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种铝基覆铜板，该铝基覆铜板增强了绝缘胶与铝基板的有效接触面积和粘结力，且可提高铝基覆铜板的导热能力。
有鉴于此，本申请提供了一种铝基覆铜板，包括铝板和复合于铝板表面的铜箔，所述铝板的一个表面具有氧化铝层，另一个表面具有均匀分布的锥状三维氧化铝微结构层，所述铜箔表面依次叠加复合有第一绝缘导热胶层和第二绝缘导热胶层，且所述锥状三维氧化铝微结构层嵌入所述第二绝缘导热胶层中。
优选的，所述锥状三维氧化铝微结构层的氧化铝的高度为10～20μm，相邻最低点间距为2～10μm。
优选的，所述第二绝缘导热胶层的厚度不大于10μm，且小于第一绝缘导热胶层的厚度。
优选的，所述第二绝缘导热胶层的厚度为2～10μm，所述第一绝缘导热胶层的厚度为30～100μm。
本申请还提供了所述的铝基覆铜板的制备方法，包括以下步骤：
将铝板清洗后在其一表面制备氧化铝层，在其另一表面制备具有均匀分布的锥状三维氧化铝微结构层；
在铜箔表面依次涂覆第一绝缘导热胶层和第二绝缘导热胶层，所述第一绝缘导热胶层近铜箔表面端，再高温固化；
将所述第二绝缘导热胶层与所述锥状三维氧化铝微结构层接触并压制，得到铝基覆铜板。
优选的，所述第一绝缘导热胶中导热填料的含量为40～80wt％，所述第二绝缘导热胶中导热填料为0～15wt％。
优选的，所述第一绝缘导热胶层中的导热填料选自氧化铝、氮化铝、二氧化硅、碳化硅、氮化硅和氮化硼中的一种或多种，所述第二绝缘导热胶层中的导热填料选自氧化铝、氮化铝、二氧化硅、碳化硅、氮化硅和氮化硼中的一种或多种。
优选的，所述第一绝缘导热胶层由环氧树脂、增韧剂、偶联剂、固化剂和导热填料制备得到，所述第二绝缘导热胶层由环氧树脂、增韧剂、偶联剂、固化剂和导热填料制备得到。
优选的，所述压制为先真空预压制再真空压合压制。
优选的，所述真空压合压制的温度为200～300℃，压强为200～300psi。
本申请提供了一种铝基覆铜板，其包括铝板和复合于铝板表面的铜箔，所述铝板的一个表面具有微弧氧化法制备的氧化铝层，另一个表面具有均匀分布的锥状三维氧化铝微结构层，所述铜箔表面依次叠加复合有第一绝缘导热胶和第二绝缘导热胶，且所述锥状三维氧化铝微结构层嵌入所述第二绝缘导热胶层中。本发明利用铝基板表面的微米级锥状三维氧化铝结构和铝箔表面的第二绝缘导热胶共同形成压合界面，一方面增加了绝缘胶与铝板的有效接触面积和粘结力，同时锯齿形的界面结构降低了热应力对界面的损伤和由此产生的裂纹；另一方面，具有一定高度的锥状三维氧化铝结构作为导热结构可以与第一绝缘导热胶层连接，形成导热通道，有效保障和提升产品导热能力。
附图说明
图1为本发明实施例制备的铝基覆铜板的结构示意图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
鉴于铝基覆铜板的金属基板和铜板之间绝缘层的存在进而影响铝基覆铜板粘附力和导热性能的问题，本申请提供了一种铝基覆铜板，其通过在铜箔表面涂覆两层不同填料含量的绝缘胶及在铝基板表面制备三维氧化微结构，使得绝缘胶与基板有效接触面积增加，提升界面粘结力，增强导热能力，进而提高铝基覆铜板的品质。具体的，本发明实施例公开了一种铝基覆铜板，包括铝板和复合于铝板表面的铜箔，所述铝板的一个表面具有微弧氧化法制备的氧化铝层，另一个表面具有均匀分布的锥状三维氧化铝微结构层，所述铜箔表面依次叠加复合有第一绝缘导热胶层和第二绝缘导热胶层，且所述锥状三维氧化铝微结构层嵌入所述第二绝缘导热胶层中。
在本申请中，本申请所述铝板表面的锥状三维氧化铝微结构层的氧化铝的高度为10～20μm，相邻最低点间距为2～10μm；更具体的，所述高度为10～15μm，间距为2～7μm。上述微结构层的氧化铝的高度需要与第二绝缘导热胶层进行配合，以使粘附力和导热性得以提高。
本申请中，所述铜箔表面依次叠加的第一绝缘导热胶层具有发挥导热绝缘的作用，其导热填料的含量为40～80wt％，更具体的，所述导热填料的含量为55～70wt％，其含量越高热导率越高；第二绝缘导热胶层主要增强界面粘结力，其与铝基板连接，其导热填料的含量为0～15wt％，更具体的，所述导热填料的含量为5～12wt％，其含量愈高，粘结力越低，需要基体的微结构充当填料的作用，同时能够与第一绝缘导热胶层形成更大的面积接触；同时，所述第二绝缘导热胶层中导热填料的含量即使为0，铝板表面的微结构层也会插入第二绝缘导热胶层，不会影响网络的形成，更不会影响铝基覆铜板的导热性。所述第二绝缘导热胶层的厚度不大于10μm，且小于第一绝缘导热胶层的厚度，更具体的，所述第二绝缘导热胶层的厚度为2～10μm，所述第一绝缘导热胶层的厚度为30～100μm。所述第二绝缘导热胶层的厚度不能超过上述微结构层的高度，即所述微结构层全部嵌入所述第二绝缘导热胶层或所述微结构层不仅嵌入所述第二绝缘导热层还与所述第一绝缘导热胶层接触，否则，铝基覆铜板的热导率则会下降。
本申请还提供了铝基覆铜板的制备方法，包括以下步骤：
A)将铝板清洗后在其一表面制备氧化铝层，在其另一表面制备具有均匀分布的锥状三维氧化铝微结构层；
B)在铜箔表面依次涂覆第一绝缘导热胶层和第二绝缘导热胶层，所述第一绝缘导热胶层近铜箔表面端，再高温固化；
C)将所述第二绝缘导热胶层与所述锥状三维氧化铝微结构层接触并压制，得到铝基覆铜板。
在制备铝基覆铜板的过程中，本申请首先将铝基板进行清洗，所述清洗按照本领域技术人员熟知的方法进行，对此本申请没有特别的限制。在清洗之后，则在清洗后的铝板的一个表面制备氧化铝层，在另一个表面制备具有均匀分布的锥状三维氧化铝微结构层；上述氧化铝层和微结构层的制备没有先后顺序；但在制备其中任一表面时，另一表面进行塑封密封。所述氧化铝层利用微弧氧化法制备，即在一定电压、频率、占空比以及时间下进行微弧氧化，所述微弧氧化的电解液为硅酸钠和六偏磷酸钠的混合溶液；所述微弧氧化法制备完成后则进行退火处理以得到氧化铝层，所述退火处理在氮气保护下以500～600℃下进行。
本申请还在铝基的另一个表面制备了具有均匀分布的锥状三维氧化铝微结构层，所述微结构层的制备具体为：先将铝基板进行电化学抛光再进行一次阳极氧化，初次腐蚀后进行二次阳极氧化再次腐蚀，最后于氟硅烷中浸泡即可得到氧化铝微结构层；所述电化学抛光具体在体积比为(3～5)：1的高氯酸和乙醇的混合液中进行恒电流电化学抛光，所述恒电流抛光的电流为1～5A，时间为5～20min；所述一次阳极氧化在草酸电解液中进行，氧化电压为30～50V，温度为5～20℃，时间为1～5h；所述初次腐蚀的腐蚀液为磷酸和三氧化二铬的混合液，时间为3～5h以去除一次氧化膜层；所述二次阳极氧化的相关条件与一次阳极氧化相同；所述再次腐蚀的腐蚀液为氢氧化钠溶液，时间为20～50min；所述氟硅烷浸泡之后则与50～100℃下处理20～60min。
本申请同时或者然后在铜箔表面复合第一绝缘导热胶层和第二绝缘导热胶层，且所述第一绝缘导热胶层近铜箔端，再高温固化。所述第一绝缘导热胶层由环氧树脂、增韧剂、偶联剂、固化剂和导热填料制备得到，更具体的，所述环氧树脂的含量为50～60重量份，所述增韧剂的含量为1～5重量份，所述偶联剂的含量为1～5重量份，所述固化剂的含量为1～5重量份，以所述第一绝缘导热胶层的总质量为基，所述导热填料的含量为40～80wt％，导热填料选自氧化铝、氮化铝、二氧化硅、碳化硅、氮化硅和氮化硼中的一种或多种，更具体的，所述导热填料选自氧化铝、氮化铝、二氧化硅、碳化硅和氮化硼。所述第二绝缘导热胶层由环氧树脂、增韧剂、偶联剂、固化剂和导热填料制备得到，更具体的，所述环氧树脂的含量为70～80重量份，所述增韧剂的含量为1～5重量份，所述偶联剂的含量为1～5重量份，所述固化剂的含量为1～5重量份，以所述第二绝缘导热胶层的总质量为基，所述导热填料的含量为0～15wt％，导热填料选自氧化铝、氮化铝、二氧化硅、碳化硅、氮化硅和氮化硼中的一种或多种，更具体的，所述导热填料选自氧化铝、氮化铝、二氧化硅、碳化硅和氮化硼。所述高温固化具体为50～100℃下进行烘烤固化。
本申请最后将上述第二绝缘导热胶层与所述锥状三维氧化铝微结构接触并压制，即得到铝基覆铜板；所述压制具体先在真空中进行碾压预压制，之后在200～300℃和200～300psi压强真空环境中进行压制。
本发明提供了一种铝基覆铜板，其关键在于在绝缘胶和铝基板之间构造微米级锥状结构，与填料含量较少的第二层绝缘导热胶层形成粘附力较大和界面连接，而且针锥结构本身作为导热通道的一部分，与第一层绝缘导热胶层连接形成导热通道，从而既保障了界面连接可靠性，又提高了导热性能、耐浸焊和耐压性能较好。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的铝基覆铜板及其制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
如图1所示，一种包含多层绝缘胶铝基覆铜板及制备方法，包括：
(1)铝基板氧化处理，具体过程包括：将清洗后的纯铝板5的一个表面利用塑封设备进行塑封密封(塑封膜的材质为PET)，另一个表面利用在微弧氧化设备上进行氧化形成氧化层6，电压500V，频率500Hz，占空比10％，微弧氧化时间10～20分钟，微弧氧化电解液为15g/L硅酸钠加8g/L六偏磷酸钠混合溶液；
(2)三维锥形氧化铝微结构制备：去除上述步骤中的塑封密封并进行清洗，并在500℃氮气保护下退火4h后随炉冷却至室温，退火后样品分别在丙酮和去离子水中超声清洗30min；然后，在氧化层6表面进行塑封密封处理，利用二次阳极氧化法在纯铝表面制备三维锥形氧化铝微结构4，具体方法包括：在体积比为4：1高氯酸和无水乙醇混合液中进行恒电流电化学抛光，电流为1A，时间为10min，之后在0.3mol/L草酸电解液中进行一次阳极氧化，氧化电压40V，温度6℃，氧化时间2h，然后再将其置入60℃、6％磷酸与1.6％Cr2O3的混合液中腐蚀4h以去除一次氧化膜层，并在相同条件下进行二次阳极氧化，氧化时间为2h；然后，放入0.5mol/L NaOH溶液里,腐蚀时间为20分钟，随后将腐蚀后样品放入氟硅烷溶液浸泡3min，并在80℃温度下处理30min即可获得三维锥形氧化铝微结构，高度10～12微米，间距2～5微米；
(2)绝缘导热胶制备：绝缘导热胶2导热填料添加量40wt％，具体组分包括：环氧树脂53份，增韧剂2份，偶联剂2份，固化剂3份，导热填料40份(氧化铝占85wt％、氮化硅5wt％、二氧化硅5wt％、碳化硅4.95wt％、0.05wt％片状氮化硼)，填料颗粒大小随机分布；绝缘导热胶3导热填料添加量15wt％，具体组分包括：环氧树脂78份，增韧剂2份，偶联剂2份，固化剂3份，导热填料15份(氧化铝占85wt％、氮化硅5wt％、二氧化硅5wt％、碳化硅4.95wt％、0.05wt％片状氮化硼)，填料颗粒大小随机分布；
(3)覆铜铝基板制备：按上述组分配置后绝缘导热胶后，通过涂布机均匀涂覆在铜箔1上，并在70℃下进行烘烤固化，绝缘导热胶2厚度60微米，绝缘导热胶3厚度10微米；然后，将绝缘导热胶3一侧与铝板5的三维锥形氧化铝微结构结构4一侧层叠结合，先在真空中先进行碾压预压制，之后在200℃和300psi压强真空环境中进行压制，制备形成铝基覆铜板。
实施例2
如图1所示，一种包含多层绝缘胶铝基覆铜板及制备方法，包括：
(1)铝基板氧化处理，具体过程包括：将清洗后的纯铝板4一个表面利用塑封设备进行塑封密封(塑封膜的材质为PET)，另一个表面利用在微弧氧化设备上进行氧化形成氧化层5，电压500V，频率500Hz，占空比10％，微弧氧化时间10～20分钟，微弧氧化电解液为15g/L硅酸钠加8g/L六偏磷酸钠混合溶液；
(2)三维锥形氧化铝微结构制备：去除上述步骤中的塑封密封并进行清洗，并在500℃氮气保护下退火4h后随炉冷却至室温，退火后样品分别在丙酮和去离子水中超声清洗30min；然后，在氧化层5表面进行塑封密封处理，利用二次阳极氧化法在纯铝表面制备三维锥形氧化铝微结构结构3，具体方法包括：在体积比为4：1高氯酸和无水乙醇混合液中进行恒电流电化学抛光，电流为1A，时间为10min，之后在0.3mol/L草酸电解液中进行一次阳极氧化，氧化电压40V,温度6℃，氧化时间2h，然后再将其置入60℃、6％磷酸与1.6％Cr2O3的混合液中腐蚀4h以去除一次氧化膜层，并在相同条件下进行二次阳极氧化，氧化时间为4h；然后，放入0.5mol/L NaOH溶液里，腐蚀时间分别为50分钟，随后将腐蚀后样品放入氟硅烷溶液浸泡4min,并在80℃温度下处理30min即可获得三维锥形氧化铝微结构，高度10～15微米，间距4～7微米；
(2)绝缘导热胶制备：绝缘导热胶2导热填料添加量80wt％，具体组分包括：环氧树脂15份，增韧剂1份，偶联剂3份，固化剂1份，导热填料80份(氧化铝占85wt％、氮化硅5wt％、二氧化硅5wt％、碳化硅4.95wt％、0.05wt％片状氮化硼)，填料颗粒大小随机分布；绝缘导热胶3只包含环氧树脂且导热填料添加量0wt％；
(3)覆铜铝基板制备：按上述组分配置后绝缘导热胶后，通过涂布机均匀涂覆在铜箔1上，并在70℃下进行烘烤固化，绝缘导热胶2厚度100微米，绝缘导热胶3厚度10微米；然后，将绝缘导热胶3一侧与铝板5的三维锥形氧化铝微结构结构4一侧层叠结合，先在真空中先进行碾压预压制，之后在200℃和300psi压强真空环境中进行压制，制备形成铝基覆铜板。
将实施例1和实施例2制备的铝基覆铜板进行测试，测试结果如表1所示：
表1实施例制备的铝基覆铜板的性能数据表
| 主要性能指标 | 实施例1 | 实施例2 |
| 导热系数(W/m.k) | 2.3 | 3.4 |
| 剥离强度(N/mm) | 2.6 | 3.1 |
| 耐压(kV) | >5.5 | >5.5 |
| 耐浸焊(s,300℃) | >350 | >350 |
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种铝基覆铜板，包括铝板和复合于铝板表面的铜箔，所述铝板的一个表面具有氧化铝层，另一个表面具有均匀分布的锥状三维氧化铝微结构层，所述铜箔表面依次叠加复合有第一绝缘导热胶层和第二绝缘导热胶层，且所述锥状三维氧化铝微结构层嵌入所述第二绝缘导热胶层中。
2.根据权利要求1所述的铝基覆铜板，其特征在于，所述锥状三维氧化铝微结构层的氧化铝的高度为10～20μm，相邻最低点间距为2～10μm。
3.根据权利要求2所述的铝基覆铜板，其特征在于，所述第二绝缘导热胶层的厚度不大于10μm，且小于第一绝缘导热胶层的厚度。
4.根据权利要求1或3所述的铝基覆铜板，其特征在于，所述第二绝缘导热胶层的厚度为2～10μm，所述第一绝缘导热胶层的厚度为30～100μm。
5.权利要求1所述的铝基覆铜板的制备方法，包括以下步骤：
将铝板清洗后在其一表面制备氧化铝层，在其另一表面制备具有均匀分布的锥状三维氧化铝微结构层；
在铜箔表面依次涂覆第一绝缘导热胶层和第二绝缘导热胶层，所述第一绝缘导热胶层近铜箔表面端，再高温固化；
将所述第二绝缘导热胶层与所述锥状三维氧化铝微结构层接触并压制，得到铝基覆铜板。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述第一绝缘导热胶中导热填料的含量为40～80wt％，所述第二绝缘导热胶中导热填料为0～15wt％。
7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，所述第一绝缘导热胶层中的导热填料选自氧化铝、氮化铝、二氧化硅、碳化硅、氮化硅和氮化硼中的一种或多种，所述第二绝缘导热胶层中的导热填料选自氧化铝、氮化铝、二氧化硅、碳化硅、氮化硅和氮化硼中的一种或多种。
8.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，所述第一绝缘导热胶层由环氧树脂、增韧剂、偶联剂、固化剂和导热填料制备得到，所述第二绝缘导热胶层由环氧树脂、增韧剂、偶联剂、固化剂和导热填料制备得到。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述压制为先真空预压制再真空压合压制。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述真空压合压制的温度为200～300℃，压强为200～300psi。
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