中國粉體網(wǎng)訊 印制電路板是幾乎所有電子元件和控制裝置電氣隔離,、支撐的核心部件,。電路板基板按照材質(zhì)的不同可以分為3類：聚合物絕緣基板、金屬基板和陶瓷基板,。不同的基板介質(zhì)材料在耐熱性,、熱傳導(dǎo)性,、耐電壓性、熱膨脹系數(shù),、機械強度,、加工性以及成本方面差異顯著，從而應(yīng)用于不同功率等級的電力電子領(lǐng)域中,。
聚合物絕緣基板用介質(zhì)材料
聚合物絕緣基板介質(zhì)材料也被稱為有機樹脂基板,，具有設(shè)計自由度高、加工方便靈活和低成本的特性,。該類基板多用于液晶顯示器用光源LED,、LED照明產(chǎn)品、工業(yè)用機器人,、低功率轉(zhuǎn)換電力電子器件裝置等,。聚合物絕緣基板一般以環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂,、聚四氟乙烯等為有機基材,，以紙或玻璃纖維等為增強材料。
目前應(yīng)用最廣,、用量最大的一類基板材料FR-4覆銅板,，是由一層或者多層浸漬過環(huán)氧樹脂的玻璃纖維布為基材，溴化環(huán)氧樹脂或改性環(huán)氧樹脂為粘結(jié)劑的阻燃型覆銅板的統(tǒng)稱,，其電氣性能和力學(xué)性能適用于多方面需求,。
覆銅板結(jié)構(gòu)示意圖
針對電力電子器件封裝的應(yīng)用，聚合物電路板一般只能用于低功率的小家電等行業(yè),。為適應(yīng)電力電子器件功率損耗較大的特點,，常通過對環(huán)氧樹脂進行改性以獲得具有不同側(cè)重功能的環(huán)氧基板,，如含萘結(jié)構(gòu)的低膨脹系數(shù)環(huán)氧樹脂、主鏈由雙酚A特殊結(jié)構(gòu)以及柔性分子鏈構(gòu)成的柔軟強韌型環(huán)氧樹脂,、含磷元素的無鹵阻燃環(huán)氧樹脂,、高分子量環(huán)氧樹脂等，以滿足電力電子器件封裝高散熱和降低應(yīng)力的相關(guān)要求,。
近些年來,，填料作為覆銅板產(chǎn)品的一種組成物，已經(jīng)越來越重要,，儼然變成了覆銅板除樹脂,、銅箔、玻纖布的第四大主材料,。填料種類多,，包括硅微粉（結(jié)晶硅微粉、熔融硅微粉,、復(fù)合硅微粉,、球形硅微粉等）、氫氧化鋁,、滑石粉,、云母粉、勃姆石,、氧化鋁,、球形氧化鋁等，但用得較多的是硅微粉和氫氧化鋁,。
硅微粉
金屬基板用介質(zhì)材料
與聚合物絕緣基板相比,，金屬基板具有更高的熱導(dǎo)率，多用于對散熱性能要求較高的領(lǐng)域,；與厚膜陶瓷基板相比,，金屬基板的力學(xué)性能更為優(yōu)良，因此,，金屬基板具有獨特優(yōu)勢,。
典型的金屬基板包括3層，第一層為導(dǎo)電層,，即線路層,，一般為銅箔；第二層為導(dǎo)熱絕緣層,，主要起絕緣、粘接和散熱的作用,；第三層為金屬基層,，即底層散熱層,，所用材料為鋁、銅等金屬板,，以及像銅-石墨,、鋁-碳化硅這樣的復(fù)合導(dǎo)電基板等。其中,，鋁基覆銅板需求量最大,。
鋁基覆銅板在LED功率器件中的散熱過程示意圖
中間的導(dǎo)熱絕緣層是金屬基板的關(guān)鍵材料，需要具備優(yōu)異的耐熱性,、導(dǎo)熱性,，較高的電氣強度，良好的柔韌性,，并且能與金屬基板和線路層粘接良好,。導(dǎo)熱絕緣層主要由提供粘接性能的有機樹脂和高導(dǎo)熱無機填料組成。有機高分子材料結(jié)構(gòu)中通常含有較多的缺陷,，分子振動和晶格振動不協(xié)調(diào),，導(dǎo)致聲子散亂程度高，因此具有較低的熱導(dǎo)率,。目前有機樹脂使用最多的是環(huán)氧樹脂,，也常用聚乙烯醇縮丁醛、丙烯酸酯,、聚氨酯等改性的環(huán)氧樹脂,。還有一些其他種類的樹脂如酚醛樹脂、聚酰亞胺樹脂,、聚對苯二甲酸乙二醇酯以及聚苯醚等,。
導(dǎo)熱絕緣層的導(dǎo)熱性主要取決于其中的填料，可供選擇的填料有Al2O3,、MgO,、ZnO、BeO,、h-BN,、Si3N4以及AlN等。其中,，Al2O3雖然熱導(dǎo)率不高,，但是其球形度好，容易在有機樹脂中分散,，適宜高填充量,，并且價格便宜，因此應(yīng)用較多,。
氮化硼不但具有較高的導(dǎo)熱系數(shù),，而且具有良好的耐化學(xué)腐蝕性,，對于進一步提高環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能具有重要作用。根據(jù)研究表明,，氮化硼的粒徑和形狀對于復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)有很大的影響,。AlN是優(yōu)良的電絕緣體，其導(dǎo)熱系數(shù)高,，熱穩(wěn)定性好,，可以極大地提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)。
幾種常見的電絕緣無機填料
常見電絕緣無機填料的優(yōu)缺點
高導(dǎo)熱金屬基板材料的生產(chǎn)廠家主要以美國貝格斯,、日本理化工業(yè)所,、CMK、松下,、利昌工業(yè)株式會社等為代表,。美國貝格斯公司作為熱管理領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)廠商，引領(lǐng)了當(dāng)前鋁基板的發(fā)展潮流,；日本發(fā)條公司生產(chǎn)的高散熱基板熱導(dǎo)率可達10 W/(m·K),，主要應(yīng)用在汽車電子器件、中低功率電力電子器件封裝領(lǐng)域,；松下公司開發(fā)的CV-2079系列產(chǎn)品熱導(dǎo)率分別為3,、5、10 W/(m·K)的基板材料,。
金屬基板的絕緣性能主要依靠中間的導(dǎo)熱絕緣層,，但是導(dǎo)熱絕緣層很薄，因此金屬基板整體耐壓性能不高,，不能用于高電壓領(lǐng)域,，但在中電壓的新能源汽車中已有應(yīng)用，如三菱SiC雙面封裝的電力電子模塊就采用了具有電路圖案的厚金屬銅箔（厚度約為800μm）絕緣粘結(jié)劑及底部銅箔的IMS基板技術(shù),。
三菱SiC電力電子器件雙面封裝拓撲結(jié)構(gòu)
鋁基覆銅板的應(yīng)用
陶瓷基板用介質(zhì)材料
陶瓷基板由陶瓷基片和布線金屬層兩部分組成,，金屬布線是通過在陶瓷基片上濺射、蒸發(fā)沉積或印刷各種金屬材料來制備薄膜和厚膜電路,。在電子陶瓷封裝中,，陶瓷基板除了為電路和芯片提供結(jié)構(gòu)支撐和電氣互連，還必須為其提供良好的熱處理以確保正常工作,。
陶瓷基板以其優(yōu)良的熱導(dǎo)率,、介電性能和機械強度等性能得到廣大消費市場的青睞。如今電力電子器件主要以第三代化合物半導(dǎo)體(SiC和GaN)器件為主,，其開關(guān)速度快且具有高頻率,、大功率的特點，因而其封裝對散熱和高頻特性有較高的要求,。DBC陶瓷基板傳熱性能好,、載流能力強,、可靠性高，是電力電子器件的主要封裝載體,。DBC陶瓷基板是在1 000℃以上的高溫條件下，在含氧的氮氣中加熱,，使銅箔和陶瓷基板通過共晶鍵合的方式牢固結(jié)合在一起,，其鍵合強度高且具有良好的導(dǎo)熱性和熱穩(wěn)定性。
近些年,，激光器和LED器件等光電子器件是研究和應(yīng)用的熱點,，其具有尺寸小、電光轉(zhuǎn)換效率高及使用壽命長等優(yōu)點,。然而隨著集成度越來越高,，大功率激光器的開發(fā)必然面臨功率密度大、器件散熱不及時從而降低使用壽命的挑戰(zhàn),。電子陶瓷基板以具有導(dǎo)熱性能良好,、熱膨脹系數(shù)與器件相匹配的優(yōu)點在光電子器件中廣泛應(yīng)用。
陶瓷絕緣層材料性能參數(shù)
隨著功率器件,、微波器件,、光電器件等不斷向著小型化、集成化和多功能化等發(fā)展,，為保持良好的信號傳輸和散熱等性能,，對陶瓷基板提出了更高的要求。目前Al2O3陶瓷應(yīng)用最為成熟,，雖然其面臨熱膨脹系數(shù)不匹配以及熱導(dǎo)率有限的問題,，但是因其性價比高，依然是陶瓷基板中主要的應(yīng)用材料,。
AlN陶瓷熱膨脹系數(shù)與Si器件匹配度高,，且熱導(dǎo)率高于Al2O3陶瓷，隨著AlN陶瓷工藝技術(shù)的日益成熟,，在熱導(dǎo)率要求高的功率器件中逐漸替代Al2O3和BeO陶瓷是一大趨勢,；Si3N4陶瓷熱導(dǎo)率適中、熱膨脹系數(shù)小,、耐磨損,、機械強度高，在大功率,、高可靠的電力電子器件中具有廣闊的應(yīng)用前景,。
參考來源：
佟輝等：導(dǎo)熱絕緣材料在電力電子器件封裝中的應(yīng)用，中國科學(xué)院電工研究所
曹家凱：覆銅板用填料發(fā)展趨勢,，江蘇聯(lián)瑞新材料股份有限公司
經(jīng)龍：高導(dǎo)熱金屬基電路基板的設(shè)計與實現(xiàn),，杭州電子科技大學(xué)
陸琪等: 陶瓷基板研究現(xiàn)狀及新進展,，中國電子科技集團公司第十三研究所
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
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