特殊基板材料在印制電路板中應(yīng)用的新進(jìn)展

摘要：文章概述了目前幾種特殊板材在印制電路板中的應(yīng)用，重點(diǎn)介紹了特殊板材的特性、優(yōu)點(diǎn)和制作控制要點(diǎn)等，并提出了特殊板材今后的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：特殊板材 氰酸酯 氮化鋁 導(dǎo)熱膠膜 鋁基板

中圖分類號(hào)：TN405文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2012）08（c）-0019-03

1 前言

隨著電子產(chǎn)品逐漸向輕薄化、微型化和多功能化方向發(fā)展，以及在半導(dǎo)體安裝技術(shù)的驅(qū)動(dòng)下，對(duì)PCB技術(shù)和基板材料等均提出了更高的要求。要求基板必須具備高Tg、高耐熱性、高耐CAF性和低熱膨脹系數(shù)（CTE）等性能，以提高互連和安裝的可靠性。同時(shí)，隨著通信技術(shù)和計(jì)算處理速度的提高，基板的的介電性能、散熱性等也引起人們的關(guān)注，有更多特殊性能要求的提出。這就要求我們要不斷開發(fā)具有特殊性能、高可靠性的基板材料，以滿足各類電子產(chǎn)品日益發(fā)展的不同需求。

本文將介紹就幾種應(yīng)用于印制電路板中的特殊基板，對(duì)其特性、優(yōu)點(diǎn)和制作控制要點(diǎn)等進(jìn)行講解，并提出了今后特殊基板的發(fā)展方向。

2 特殊基板的應(yīng)用

2.1 氰酸酯及其改性[1，2]

氰酸酯簡(jiǎn)稱CE（CyanateEster），它是單體結(jié)構(gòu)中含有兩個(gè)或多個(gè)氰酸酯官能團(tuán)（-OCN）的樹脂，經(jīng)過三嗪環(huán)化聚合反應(yīng)后形成具有交聯(lián)固化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的一類熱固性樹脂（如圖1）。

由于高度交聯(lián)的三嗪環(huán)結(jié)構(gòu)，加上大量的芳香環(huán)、芳雜環(huán)結(jié)構(gòu)，是氰酸酯固化物具有很高的耐熱性。另外，由于三嗪環(huán)結(jié)構(gòu)高度對(duì)稱，極性很小，加上交聯(lián)密度高，即使有微量的極性基團(tuán)也只能有很小的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因而在很寬的溫度范圍（-160～220℃）和頻率范圍（1×104～1×1011Hz）內(nèi)，具有很低的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗。以常見的雙酚A型氰酸酯（BADCy）為例，它的Tg（玻璃化轉(zhuǎn)變溫度）為270℃，Td（熱分解溫度）為420℃，彎曲強(qiáng)度為170MPa，模量為3.2GPa，吸水率約為2%，表現(xiàn)出力學(xué)性能優(yōu)、耐熱性高、吸水率低的優(yōu)點(diǎn)。特別突出的是，氰酸酯樹脂在從X波段到W波段的較寬頻帶范圍內(nèi)具有非常低的介電常數(shù)（ε=2.64～3.11）和介電損耗值（tanδ=0.001～0.008），是一種良好的透波材料和絕緣功能材料。

目前市場(chǎng)上的氰酸酯種類較多，國產(chǎn)氰酸酯也開始上市，主要代表產(chǎn)品有：雙酚A型氰酸酯、芳雜環(huán)型氰酸酯、諾夫拉克型氰酸酯等。與已規(guī)模生產(chǎn)的酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂（EP）和雙馬來酰亞胺樹脂（BMI）等熱固性樹脂相比，氰酸酯樹脂具有更優(yōu)的綜合性能，與其它正處于研究階段的樹脂（如聚酰亞胺樹脂、聚苯并環(huán)丁烯樹脂、聚苯并咪唑樹脂等）相比，氰酸酯樹脂成本低廉，具有更高的性價(jià)比。因此，氰酸酯樹脂已經(jīng)被認(rèn)為是21世紀(jì)具有巨大社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益的一類重要的樹脂基體材料。

氰酸酯的改性方法較多，可以通過共聚改性氰酸酯實(shí)現(xiàn)，如氰酸酯與環(huán)氧樹脂共聚，與聚醚多元醇共聚等。也可以通過互穿網(wǎng)格結(jié)構(gòu)改性氰酸酯，如氰酸酯與雙馬來酰亞胺互穿網(wǎng)格、氰酸酯與環(huán)氧樹脂互穿網(wǎng)格、氰酸酯與聚氨酯互穿網(wǎng)格等。也通過氰酸酯、聚胺亞胺和環(huán)氧樹脂共聚的工藝方法來實(shí)現(xiàn)，調(diào)整三者之間的比例和工藝條件，必要時(shí)添加適量的球形硅微粉，用丁酮做稀釋劑，在高速攪拌下配制成固定含量在60%～70%的樹脂溶液，按正常的壓制條件，制成雙面覆銅板?？稍诋a(chǎn)品的耐熱性、介電性能、尺寸穩(wěn)定性和和阻燃性等方面取得良好的綜合效果。該類覆銅板已通過各項(xiàng)性能檢測(cè)，可滿足HDI和IC封裝用高性能的開發(fā)需求，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，也表明我國覆銅板生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)嶄新的水平。由于改性后的氰酸酯具有以上優(yōu)良特性，在高性能PCB、宇航結(jié)構(gòu)部件、隱身材料、雷達(dá)罩、人造衛(wèi)星等領(lǐng)域得到廣泛地應(yīng)用。相信在不久的將來，隨著科學(xué)人員研究的不斷深入，氰酸酯及其改性的氰酸酯樹脂將具有更加優(yōu)異的性能，應(yīng)用將日趨廣泛。

2.2 AlN陶瓷基板

近年來隨著電子元器件的功率和密度的增大，致使單位體積發(fā)熱量也隨之增加，對(duì)新一代電路基板的散熱能力即熱導(dǎo)率要求也越來越高。由于大多數(shù)陶瓷是離子鍵或共價(jià)鍵極強(qiáng)的材料，具有優(yōu)異的綜合性能，如高絕緣性和高頻特性，同時(shí)線膨脹系數(shù)與電子元件非常接近，化學(xué)性能非常穩(wěn)定且導(dǎo)熱率高[3-5]。因此，陶瓷基板被廣泛引用于某些特殊印制板中。目前已投入使用的高導(dǎo)熱陶瓷基板材料有Al2O3、AlN、SiC、BeO等，其性能各有不同。在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，大功率混合集成電路的基板材料一直沿用Al2O3和BeO，但Al2O3的熱導(dǎo)率低，熱膨脹系數(shù)與Si不大匹配，而BeO因其成本高和具有劇毒特性而限制了應(yīng)用推廣。AlN陶瓷基板的導(dǎo)熱性是Al2O3的2～3倍，而介電常數(shù)（8.0）與Al2O3相似，高溫下（1300℃）的機(jī)械能力相對(duì)于室溫下只下降20%。因此，它被廣泛應(yīng)用在大功率電力電子模塊、汽車類高熱部位電路板等要求電路板的高散熱性領(lǐng)域。

隨著航空、航天和其它智能功率系統(tǒng)對(duì)大功率耗熱要求的提高，近年來迅速崛起的AlN已成為高溫大功率射頻封裝應(yīng)用的一種重要的新型無毒環(huán)保封裝材料，其優(yōu)良的性能受到世界各國的青睞，其研究已取得令人矚目的進(jìn)展[6]。AlN晶體的晶格常數(shù)為a=0.31nm，c=0.498nm，屬六方晶系，是以[AlN4]四方體為結(jié)構(gòu)單元的礦型共價(jià)鍵化合物，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示[7-8]。

AlN陶瓷基板的主要以流延成型法制備，該方法具有生產(chǎn)效率高、易實(shí)現(xiàn)連續(xù)化和自動(dòng)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，其具體工藝流程如圖3所示[9]。

流延法制備AlN陶瓷基板對(duì)工藝要求非常嚴(yán)格，要得到優(yōu)良的AlN陶瓷基板，必須對(duì)流程中的每一道工序做到最優(yōu)化。影響制備基板性能的因素較多，主要包括有漿料粘度、排膠技術(shù)和預(yù)燒結(jié)等幾個(gè)方面，此制備工藝流程設(shè)計(jì)諸多學(xué)科方面的知識(shí)，在此不做贅述。雖然AlN陶瓷基板的應(yīng)用前景十分廣闊，但作為集成電路理想的材料，還存在著成本高、高溫下難致密燒結(jié)和生產(chǎn)重復(fù)性等問題。因此，AlN陶瓷基板要獲得更廣泛的應(yīng)用還需要做更多的研究和工藝改進(jìn)等。

AlN陶瓷基板在印制電路板中還處于開發(fā)和小批量應(yīng)用階段，在近幾年的應(yīng)用逐漸增多，這主要得益于新型電子元件產(chǎn)品的快速發(fā)展和印制電路技術(shù)的提高。如在2011年，KamCheunYung等[10]提出了一種制作AlN陶瓷基板印制電路板的新方法，該方法采用加成法制作，利用激光直接對(duì)AlN陶瓷基板進(jìn)行鉆孔和線路制作，經(jīng)激光照射后的區(qū)域形成一種活化物質(zhì)，在隨后的化學(xué)沉銅階段不再需要鈀離子的活化過程，直接進(jìn)行銅沉積，最后電鍍加厚形成所需PCB。這種新的制作工藝出現(xiàn)，將會(huì)極大地促進(jìn)AlN陶瓷基板在印制電路板中的應(yīng)用，推動(dòng)越來越多的特殊基板材料被深入研究和應(yīng)用。

2.3 高導(dǎo)熱膠膜、鋁基板

隨著PCB向高密度化布線方向的發(fā)展，其對(duì)PCB基板材料散熱的要求越來越高，于是具有高散熱性、良好機(jī)械加工性及高平整性的金屬鋁基板受到市場(chǎng)推崇。近幾年，LED作為一種環(huán)保節(jié)能光源，其在照明領(lǐng)域發(fā)展前景廣闊，吸引全球照明大廠家都先后加入LED光源及市場(chǎng)開發(fā)中[11]。為適應(yīng)中高端LED照明市場(chǎng)鋁基板基材性能的要求，國內(nèi)外專家研制出高導(dǎo)熱性膠膜，并結(jié)合多年覆銅板壓合經(jīng)驗(yàn)，推出適用于高性能LED照明市場(chǎng)性能穩(wěn)定的鋁基板。

高導(dǎo)熱連續(xù)化膠膜由離型薄膜和高導(dǎo)熱絕緣層組成，它是由提供粘接的樹脂和高導(dǎo)熱的無機(jī)填料組成的，是一種用于制造印制線電路板的特殊基材。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

金屬基板用的高導(dǎo)熱膠膜對(duì)制備材料的選擇和加工工藝有著嚴(yán)格的要求，如樹脂體系、填料的選擇要考慮制成基板的熱傳導(dǎo)性、耐熱性、耐擊穿電壓性和絕緣可靠性等。對(duì)該類膠膜的制備及材料選擇等在相關(guān)文獻(xiàn)中有詳細(xì)的講述[11-12]，大家可以參閱，在此不再詳述。

高導(dǎo)熱鋁基板是鋁基板行業(yè)中高端導(dǎo)熱系數(shù)的鋁基板，目前在全球有5～10家廠家在生產(chǎn)制造。高導(dǎo)熱鋁基板的產(chǎn)品項(xiàng)目涵蓋了照明產(chǎn)品整個(gè)行業(yè)，如商業(yè)照明，室內(nèi)照明等，中國的高導(dǎo)熱鋁基板行業(yè)近5年的快速發(fā)展，到今天也造成了激烈的競(jìng)爭(zhēng)局面。因LED照明相關(guān)技術(shù)與散熱性能等原因，使LED在國內(nèi)市場(chǎng)發(fā)展緩慢，而大部分LED照明用于出口，這方面不斷給于高導(dǎo)熱鋁基板發(fā)展空間與時(shí)間。高導(dǎo)熱鋁基板是一種具有良好散熱功能的金屬基覆銅板，它由電路層（銅箔）、絕緣層和金屬基層三層結(jié)構(gòu)所組成（如圖5）。

與傳統(tǒng)的FR-4相比，鋁基板能夠?qū)嶙杞抵磷畹停蛊渚哂袠O好的熱傳導(dǎo)性；與厚膜陶瓷電路相比，它的機(jī)械性能有極為優(yōu)良，具有許多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[13]。鋁基板PCB（MCPCB）的加工與FR-4PCB的加工有很多相似之處，也能共線生產(chǎn)。但是，MCPCB加工也有其獨(dú)特的地方，這往往會(huì)給MCPCB的加工帶來一定的麻煩甚至風(fēng)險(xiǎn)，如鋁基板厚銅箔的蝕刻制作、鋁基面浸蝕保護(hù)、鋁基板機(jī)加工和印阻焊等。

高導(dǎo)熱鋁基板作為這一種特殊基板材料，其發(fā)展前景十分看好。隨著中國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，其龐大的市場(chǎng)需求將會(huì)推動(dòng)鋁基板銷量的增長(zhǎng)，但國內(nèi)高導(dǎo)熱鋁基板的技術(shù)水平還處于一個(gè)較低的層次，與國外同行技術(shù)相差甚遠(yuǎn)。那么，如何擺脫這種產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和技術(shù)水平的局限，趕超世界一流水平，將成為國內(nèi)同行業(yè)者所需要深思的。

3 結(jié)語

隨著PCB和電子安裝技術(shù)的不斷發(fā)展，特殊基板在印制電路板中的應(yīng)用將逐漸廣泛，這已成為電子技術(shù)發(fā)展的新潮流，并趨于向更多的應(yīng)用領(lǐng)域蔓延。表面安裝技術(shù)的問世，向PCB基板材料首次提出了適應(yīng)高密度化的問題，要求對(duì)PCB及其基板材料在功能、性能上提出了新的要求，如高導(dǎo)熱性、耐熱性和尺寸穩(wěn)定性等。新型的HDI和IC載板對(duì)基板甚至提出了三元結(jié)構(gòu)，基板材料的輻射導(dǎo)熱方式、遠(yuǎn)紅外線放射的散熱方式等實(shí)例研究成果的出現(xiàn)，都將極大地促進(jìn)特殊基板的開發(fā)和應(yīng)用[14-15]。因此，加強(qiáng)對(duì)特殊基板產(chǎn)業(yè)的投入，促進(jìn)技術(shù)研發(fā)、科技創(chuàng)新和完善制備工藝，大力發(fā)展我國特殊基板及上下游配套產(chǎn)業(yè)，將會(huì)成為未來發(fā)展的必然趨勢(shì)，也會(huì)為我們迎來更多的市場(chǎng)先機(jī)。