CN113316320A - 一种高导热pcb基板的加工制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高导热PCB基板的加工制备方法，所述的加工制备方法包括以下步骤：将刚玉型氧化铝颗粒与PPS工程树脂塑化成型，得到复合材料胚体，采用金刚石线切割工艺将所述的复合材料胚体切成片状，得到片状绝缘板材。本发明的高导热PCB基板的加工制备方法，采用松装密度较高的刚玉型氧化铝颗粒作为填料，以提高初始状态的实密度。刚玉型氧化铝颗粒是一种晶体氧化铝破碎后得到的材料，颗粒具有致密的内部结构，因此其松装密度较一般的氧化铝粉大大提高，同时其99％以上的刚玉相结构对热的传导也是所有氧化铝中最好的。
Description
技术领域
本发明涉及新材料领域，尤其涉及一种高导热PCB基板的加工制备方法。
背景技术
本部分的描述仅提供与本发明公开相关的背景信息，而不构成现有技术。
印制电路板(Printed Circuit Board，PCB)作为现代电子工业的一种基础而重要的部件，广泛应用在几乎所有的电子设备中。
目前印制电路板主要采用刻蚀法制备，主要原理是采用覆铜板为原材料，通过使用氧化性刻蚀液，在光敏性树脂保护下，根据电路设计图纸的要求将不需要的部分的铜箔刻蚀除去，形成基础电路。多重这样的电路叠加，通过热压的方式使环氧材料的基板互相叠合在一起成为多层板，然后进行一系列的化学物理处理，并焊接元器件，从而形成具有功能的电路板。
随着技术进步和使用环境的进一步拓展，更多和更大的功率元件被不断的集成到电路板中，从而达到提高生产效率，降低设备体积和维护成本等目标。
但是随着电路板上功率不断增大，电子元器件的发热也不断上升，从而对电路板基材的耐热，导热等要求也不断提升。
目前应对高导热和高散热的方式主要是使用新的材料替代传统上导热率较低的玻纤环氧板，如陶瓷、铝基板等。
陶瓷是绝缘材料中导热率较高的一类，具有比玻纤板材高几个数量级的热导率和高达一千度以上的使用温度。但同时陶瓷板也面临着成本高、敷铜难度大、脆性大、难加工等问题，导致其只能应用在小面积的特殊领域。
铝基板是目前功率板中使用较多的类型，是在聚合物板背面贴装铝板，从而提高整板的散热效率。但铝基板也存在只能单面贴装，工艺较为复杂，其高分子层的耐热温度和耐击穿强度也受到材料限制等问题。
也有厂商提供其他类型的高导热板材，如美国厂商罗杰斯(Rogers)等，采用高填充比例的陶瓷粉末，改善传统的玻纤-环氧板，使得其牌号为92ML的覆铜板能够提供2-3W/m-K的导热率，较之FR-4玻纤板有6-10倍提升，但相较于陶瓷材料仍旧低1-2个数量级。
提高陶瓷粉末比例，虽然能够提高材料的导热率，但同时也会严重降低材料的力学性能，导致材料的不可用。
为了进一步提高陶瓷复合材料的导热率，提高填料比例是较为理想的方案，但高填料比使得树脂流动性下降，难以完全填充材料的空隙，造成空隙、裂缝等缺陷，从而劣化材料的力学性能。与此同时，低树脂含量也使得作为粘结材料的高分子产生薄弱，造成裂纹容易发展，形成脆性断裂。
应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本发明的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本发明的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高导热PCB基板的加工制备方法，本发明使用了一种含有超高比例的陶瓷粉末的高强度陶瓷-高分子复合材料，该材料兼具了陶瓷和高分子材料的优势，具有力学强度好、导热率高、耐高温性能好以及加工性能优良等特点，非常契合在功率PCB板中的应用。
本发明采用了具有高松装密度的刚玉型氧化铝颗粒作为骨干材料，以聚苯硫醚(PPS)作为粘合剂，采用超高压成型工艺热压形成的陶瓷复合材料胚体，然后采用金刚石线切割工艺将其切成所需薄片。所制备的片材填充密度高达95％以上，微观上不规则结构的刚玉砂互相挤压咬合形成连续结构，高强度的PPS树脂起到粘结和约束作用，整个体系形成“类砌体”结构，因此其力学性能和热性能接近烧结陶瓷，但兼具有高分子材料抗冲击、抗热震等特性。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高导热PCB基板的加工制备方法，所述的加工制备方法包括以下步骤：将刚玉型氧化铝颗粒与PPS工程树脂塑化成型，得到复合材料胚体，采用金刚石线切割工艺将所述的复合材料胚体切成片状，得到片状绝缘板材。所述的金刚石线切割工艺，是材料加工行业中以金刚石线切割机进行的用来切割石材、陶瓷、硅晶体等硬质材料的的常用手段。
优选地，所述的刚玉型氧化铝颗粒的质量分数占总体质量的85-97％，所述的PPS工程树脂塑的质量分数占总体质量的3-15％。
优选地，所述的刚玉型氧化铝颗粒是指α晶型氧化铝含量不低于95％的氧化铝砂，所述的刚玉型氧化铝颗粒内部的致密度不低于90％。
优选地，所述的刚玉型氧化铝颗粒粒径在60目-2000目之间，为单一分布或多重分布。
优选地，所述的塑化成型的温度，为PPS工程树脂的融化加工温度，为280-380℃，所述的塑化成型的压力，为100MPa-1GPa。
优选地，所述的复合材料胚体先经过热处理后，再采用金刚石线切割工艺将所述的复合材料胚体切成片状。
优选地，所述的热处理的温度为220℃-320℃，压力为0-20MPa，热处理时间为1min-60min。所述的热处理时间，指样品在目标温度中停留的时间。
优选地，所述的片状绝缘板材，其致密度在90％以上，厚度在0.2mm-5mm之间。
借由以上的技术方案，本发明的有益效果如下：
本发明的高导热PCB基板的加工制备方法，针对这几个方面做了如下改进：1，采用松装密度较高的刚玉型氧化铝颗粒作为填料，以提高初始状态的实密度。刚玉型氧化铝颗粒是一种晶体氧化铝破碎后得到的材料，颗粒具有致密的内部结构，因此其松装密度较一般的氧化铝粉大大提高，同时其99％以上的刚玉相结构对热的传导也是所有氧化铝中最好的。2，采用多重粒径的刚玉型氧化铝颗粒配合，较之均一粒径的材料，多重粒径的颗粒互相填充，松装密度可以进一步提高。3，采用超高强度的聚芳香族工程塑料，取代传统FR4板材中的环氧树脂，以保证低树脂含量下板材的机械性能。PPS和PEEK的高分子合金具有其他工程塑料难以比拟的高强度、高流动性和高使用温度，可以显著提高材料的力学性能、热学性能和填充性能。4，采用超高压加工。为了提高填充密度，降低树脂含量，本发明采用了超过100Mpa的压强，使得通常状态下不具备流动性的材料能够流动成型，从而得到了树脂含量低于15％的陶瓷复合板。同时，由于多棱角的刚玉型氧化铝颗粒之间互相崁合，被填充的树脂粘结，形成类似“砌体”的结构，大大提高了整体的刚性和强度，使其具有极高的力学性能。
但在高压条件下的材料成型对设备、模具、配方和控制水平极高，尤其当成型部件的宽厚比较大时，其厚度均匀性和缺陷控制更加困难。同时材料在高压下非常容易储存应力，后续虽然可以通过热处理或者其他手段消除，但是宽厚比较大的情况下极容易产生翘曲、开裂等形变，造成报废。
高精度的金刚石线切割是一种半导体和太阳能产业中常见的脆性薄板加工手段，其加工精度高(可达±0.01mm)，工艺稳定，随着产业链规模的不断扩大，设备成本和加工成本也在不断下降。因此本发明提出用金刚石线切割的方法，采用对压制成型并充分热处理的厚板削片的方式生产适用于PCB覆铜板的高导热陶瓷基宽薄板材，所制备的板材具有宽幅大、厚度精确，力学性能和形状稳定的优点，完全能够适用于高功率PCB领域。
附图说明
图1是复合材料胚体先经过热处理的曲线图，纵坐标是温度(℃)，横坐标是时间(min)，热处理的温度为220℃-320℃，压力为0-20MPa，热处理时间为1min-60min。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
实施例1
称取PPS(聚苯硫醚，新和成11200F)15g，刚玉型氧化铝颗粒300目60g，刚玉型氧化铝颗粒600目25g。在小型粉碎机中混匀10s后备用。
称取混匀后的样品100g，在带有加热套的直径为50mm的圆形模具中进行热压，压力为200MPa，温度为300℃，压制时间为20min。
冷却后，将样品取出，采用金刚石线切割机(唐山晶玉)将样品切成1.5mm薄片，标记为M1-0，测试厚度尺寸分布、导热率和力学性能。
对M1-0按照曲线H1进行热处理，标记为M1-0-H1，测试厚度尺寸分布、导热率和力学性能。
实施例2
称取PPS(聚苯硫醚，新和成11200F)15g，刚玉型氧化铝颗粒300目60g，刚玉型氧化铝颗粒600目25g。在小型粉碎机中混匀10s后备用。
称取混匀后的样品10g，在带有加热套的直径为50mm的圆形模具中进行热压，压力为200MPa，温度为300℃，压制时间为20min。
冷却后，将样品取出，标记为M1-1，测试厚度尺寸分布、导热率和力学性能。
对M1-1按照曲线H1进行热处理，标记为M1-1-H1，测试厚度尺寸分布、导热率和力学性能。
实施例3
称取PPS(聚苯硫醚，新和成11200F)15g，刚玉型氧化铝颗粒300目60g，刚玉型氧化铝颗粒600目25g。在小型粉碎机中混匀10s后备用。
称取混匀后的样品10g，在带有加热套的直径为50mm的圆形模具中进行热压，压力为200MPa，温度为300℃，压制时间为20min。
冷却后，将样品取出，按照成型H1进行热处理后，采用金刚石线切割机(唐山晶玉)将样品切成1.5mm薄片。标记为M1-2-H1，测试厚度尺寸分布、导热率和力学性能。
如图1所示，为复合材料胚体先经过热处理的曲线图，纵坐标是温度(℃)，横坐标是时间(min)，热处理的温度为220℃-320℃，压力为0-20MPa，热处理时间为1min-60min。所述的热处理温度是发挥热处理效力的目标温度，H1升温曲线描述的是升到热处理目标温度的升降温策略。
由实施例1～3可以看出，直接压制的片材厚度均匀性比较差，经过热处理后由于形变的存在厚度均匀性进一步劣化。线切割得到的样品厚度均一性非常好，尤其是热处理后在进行线切割，形状稳定性好，力学强度和导热率都有所提高。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (8)
1.一种高导热PCB基板的加工制备方法，其特征在于，所述的加工制备方法包括以下步骤：将刚玉型氧化铝颗粒与PPS工程树脂塑化成型，得到复合材料胚体，采用金刚石线切割工艺将所述的复合材料胚体切成片状，得到片状绝缘板材。
2.根据权利要求1所述的加工制备方法，其特征在于，所述的刚玉型氧化铝颗粒的质量分数占总体质量的85-97％，所述的PPS工程树脂塑的质量分数占总体质量的3-15％。
3.根据权利要求1所述的加工制备方法，其特征在于，所述的刚玉型氧化铝颗粒是指α晶型氧化铝含量不低于95％的氧化铝砂，所述的刚玉型氧化铝颗粒内部的致密度不低于90％。
4.根据权利要求1所述的加工制备方法，其特征在于，所述的刚玉型氧化铝颗粒粒径在60目-2000目之间，为单一分布或多重分布。
5.根据权利要求1所述的加工制备方法，其特征在于，所述的塑化成型的温度，为PPS工程树脂的融化加工温度，为280-380℃，所述的塑化成型的压力，为100MPa-1GPa。
6.根据权利要求1所述的加工制备方法，其特征在于，所述的复合材料胚体先经过热处理后，再采用金刚石线切割工艺将所述的复合材料胚体切成片状。
7.根据权利要求6所述的加工制备方法，其特征在于，所述的热处理的温度为220℃-320℃，压力为0-20MPa，热处理时间为1min-60min。
8.根据权利要求7所述的加工制备方法，其特征在于，所述的片状绝缘板材，其致密度在90％以上，厚度在0.2mm-5mm之间。
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