導熱絕緣層的韌性及附著力影響因素分析

陳毅龍 譚小林 鄒少泉（景旺電子科技（龍川）有限公司，廣東 廣州 517373）

導熱絕緣層的韌性及附著力影響因素分析

Paper Code: S-099

陳毅龍 譚小林 鄒少泉
（景旺電子科技（龍川）有限公司，廣東 廣州 517373）

鋁基覆銅板作為電子元器件的載體，以其優(yōu)異的散熱性能，廣泛應用于LED、汽車、電視、電源等領域。但由于鋁基覆銅板的導熱絕緣層附著力差，且導熱絕緣層本身韌性低，機械加工時容易出現(xiàn)導熱絕緣層崩裂、分層的現(xiàn)象，這是鋁基覆銅板開發(fā)及制作過程中面臨的最大難題之一。本文采用柱軸彎曲試驗來評估導熱絕緣層的韌性及附著力，并分析了影響鋁基覆銅板導熱絕緣層韌性及附著力的因素，從試驗條件、鋁板表面處理方式、導熱絕緣層厚度、導熱絕緣層配方等方面進行對比，評估不同因素對韌性及附著力的影響情況。

鋁基覆銅板；導熱絕緣層；韌性；附著力；彎曲試驗；影響因素

1 前言

伴隨電子產(chǎn)品向輕、薄、小、高密度、多功能化、微電子集成技術的高速發(fā)展，使得電子元件、邏輯電路體積成倍地縮小，而工作頻率急劇增加，功率消耗不斷增大，導致元器件工作環(huán)境向高溫方向變化。對 PCB 基板的散熱性要求越來越迫切，如果基板的散熱性不好，就會導致印制電路板上元器件過熱，從而使整機可靠性下降。在此背景下，具有優(yōu)異散熱性能的鋁基覆銅板應運而生，并得到快速發(fā)展。

鋁基覆銅板由鋁板、導熱絕緣層、銅箔三種材料構成，鋁板主要起承載及散熱的作用，導熱絕緣層主要起粘結(jié)、絕緣和導熱的作用。由于導熱絕緣層與鋁板是兩種不同的材料，導熱絕緣層附著力差，且導熱絕緣層本身韌性較低，機械加工時容易出現(xiàn)崩裂、分層的現(xiàn)象，導致產(chǎn)品報廢，這是鋁基覆銅板開發(fā)及制作過程中面臨的最大難題之一?？梢哉f，導熱絕緣層的韌性及附著力直接決定了鋁基覆銅板的機械加工性能，而目前業(yè)內(nèi)暫未有確切、具體的方法來同時評估導熱絕緣層的這兩項性能。

經(jīng)試驗研究發(fā)現(xiàn)，柱軸彎曲試驗可定性地反映導熱絕緣層的韌性及附著力。因此，本文采用柱軸彎曲試驗來評估導熱絕緣層的韌性及附著力，并分析了影響鋁基覆銅板導熱絕緣層韌性及附著力的因素，從試驗條件、鋁板表面處理方式、導熱絕緣層厚度、導熱絕緣層配方等方面進行對比，評估不同因素對韌性及附著力的影響情況。

2 韌性及附著力的測試

2.1 測試方法

本文使用柱軸彎曲試驗來評估鋁基覆銅板的韌性及附著力。柱軸彎曲試驗是用于測量當導熱絕緣層受到彎曲壓力時，導熱絕緣層本身柔韌性以及鋁基與導熱絕緣層附著力的一種方法，可定性測試導熱絕緣層的抗開裂和抗剝離性能。

2.2 測試儀器

韌性及附著力采用進口柱軸彎曲試驗儀進行測試，該柱軸彎曲試驗儀配備了2 mm ～ 32 mm直徑的柱軸，不僅可以簡單地測出在已知直徑柱軸上導熱絕緣層是通過還是破壞，還可以進行破壞點測定，即依次由最大直徑柱軸開始，依次減小柱軸直徑，直至導熱絕緣層開裂。

2.3 測試步驟

（1）按圖1工藝流程制作鋁基覆銅板；

（2）將制作好的鋁基覆銅板裁切成50 mm × 120 mm的樣品，并蝕刻掉銅箔；

（3）選取、安裝合適直徑的柱軸；

（4）安裝樣品；

（5）快速、平穩(wěn)地彎曲；

（6）取出樣品，觀察導熱絕緣層開裂情況。

圖1 鋁基覆銅板制作工藝流程圖

2.4 韌性及附著力與機械加工性能的對應關系

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，導熱絕緣層韌性及附著力與機械加工性能有一定的對應關系（表1），導熱絕緣層的韌性越好，附著力越高，機械加工性能也越好，反之亦然。

表1 導熱絕緣層韌性及附著力與機械加工性能的對應關系

3 分析導熱絕緣層韌性及附著力的影響因素

通過頭腦風暴法，從人員、機器、物料、方法及環(huán)境五個方面對鋁基覆銅板導熱絕緣層韌性及附著力的影響因素進行全面分析、歸類、整理，然后繪制成韌性及附著力影響因素魚骨圖（圖2）。

圖2 韌性及附著力影響因素魚骨圖

從魚骨圖中可看到，鋁基覆銅板導熱絕緣層韌性及附著力的影響因素有很多，本文主要選取了柱軸彎曲試驗條件、鋁板表面處理方式、導熱絕緣層厚度、導熱絕緣層配方等幾個關鍵因素進行分析。

3.1.1 柱軸直徑

采用同一導熱絕緣層配方制作同一規(guī)格的鋁基覆銅板，然后使用不同直徑的柱軸進行彎曲測試，評估柱軸直徑對彎曲試驗的影響，結(jié)果如下表所示（表2）。

表2 不同柱軸直徑對彎曲試驗的影響

從表2結(jié)果可看出，柱軸直徑對彎曲試驗結(jié)果影響較大，隨著柱軸直徑的減小，導熱絕緣層開裂程度逐漸加重。這是由于所使用的柱軸直徑越小，鋁板變形程度越大，導熱絕緣層所受到的作用力逐漸超過了導熱絕緣層本身的韌性及附著力，導致導熱絕緣層開裂、分層。

3.1.2 彎曲角度

采用同一導熱絕緣層配方制作同一規(guī)格的鋁基覆銅板，然后使用10 mm直徑的柱軸進行不同角度彎曲，評估彎曲角度對彎曲試驗的影響，結(jié)果如表3所示。

表3 彎曲角度對彎曲試驗的影響

從表3結(jié)果可看出，彎曲角度對彎曲試驗結(jié)果也有一定影響，隨著彎曲角度的加大，導熱絕緣層開裂程度逐漸加重，原理如3.1.1所述。

上述試驗表明，試驗條件對柱軸彎曲試驗的結(jié)果有較大影響。因此，為確保柱軸彎曲試驗可以更有效地反映和對比不同鋁基覆銅板導熱絕緣層的韌性及附著力，本文將采用10 mm柱軸直徑、180°彎曲的試驗條件。

3.2 鋁板表面處理方式

4)通過研究金銀花水分吸濕等溫線可以確定金銀花及其含物制品的安全儲藏的含水率, 且可指導產(chǎn)品包裝的方式和材料。

鋁板在生產(chǎn)和運輸時，表面上會粘附有許多油污、雜質(zhì)，而且鋁板表面光滑，如果直接用于生產(chǎn)，導熱絕緣層的附著力會很差，機械加工時容易崩裂、分層。因此，在制作鋁基覆銅板時，必須對鋁板進行表面處理，提高鋁板的潔凈度及粗糙度，從而提高導熱絕緣層的附著力，保證產(chǎn)品的穩(wěn)定性及可靠性。目前業(yè)內(nèi)的鋁板處理方式主要有噴砂、拉絲、偶聯(lián)化、陽極氧化、磨刷等。以下采用同一導熱絕緣層配方，用不同方式處理的鋁板制作同一規(guī)格鋁基覆銅板，然后進行柱軸彎曲試驗，評估不同鋁板表面處理方式對導熱絕緣層附著力的影響，結(jié)果如表4所示。

表4 不同鋁板表面處理方式對導熱絕緣層附著力的影響

從表4結(jié)果可看出，導熱絕緣層對未經(jīng)過處理的鋁板附著力最差，噴砂、拉絲處理次之，偶聯(lián)化、陽極氧化及磨刷處理最好，說明鋁板表面處理對導熱絕緣層附著力有很大影響。對比偶聯(lián)化、陽極氧化、磨刷三種處理方式，不論是處理效果、生產(chǎn)效率、制作成本，還是穩(wěn)定性和可靠性，磨刷處理方式都具有明顯的優(yōu)勢。本文將采用磨刷方式處理鋁板。

3.3 導熱絕緣層厚度

研究表明，導熱絕緣層厚度會影響裂紋前端的應力約束，進而影響材料的斷裂韌性[1]，同一材料的斷裂韌性會隨著厚度的增加而逐漸降低[2]。為驗證這一結(jié)果，以下采用同一導熱絕緣層配方及磨刷處理的鋁板，制作不同導熱絕緣層厚度的鋁基覆銅板，評估不同厚度對導熱絕緣層韌性的影響，結(jié)果如表5所示。

試驗結(jié)果表明，導熱絕緣層厚度對導熱絕緣層韌性有較大影響，導熱絕緣層越薄，其韌性越好。當然，實際開發(fā)及制作過程中，還要同時考慮導熱絕緣層的耐電壓或擊穿電壓，避免因?qū)峤^緣層太薄導致產(chǎn)品漏電或擊穿失效。本文將采用100 μm導熱絕緣層厚度進行柱軸彎曲試驗。

表5 不同厚度對導熱絕緣層韌性的影響

3.4 導熱絕緣層配方

雖然鋁基覆銅板由鋁基、導熱絕緣層、銅箔三種材料構成，但其技術及應用核心在于導熱絕緣層，導熱絕緣層的性能直接決定了鋁基覆銅板的整體性能。因此，鋁基覆銅板的韌性及附著力最關鍵最重要的影響因素是導熱絕緣層配方。

導熱絕緣層配方一般由樹脂、固化劑、導熱填料、溶劑、其他添加劑等物料混合而成，而其中樹脂和導熱填料對導熱絕緣層的韌性及附著力影響最大。下面就樹脂和導熱填料對導熱絕緣層韌性及附著力的影響展開分析。

3.4.1 樹脂

環(huán)氧樹脂是導熱絕緣層的主要物料之一，普通的環(huán)氧樹脂固化后具有粘接強度高、介電性能好、收縮率小、尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點，但脆性大，韌性不足，給產(chǎn)品加工帶來很大困難。為提高環(huán)氧樹脂固化后的韌性，最簡單最直接的辦法就是在配方中添加適量的改性環(huán)氧樹脂或增韌劑。通過添加改性環(huán)氧樹脂或增韌劑，可大大降低固化后環(huán)氧樹脂的脆性，提高產(chǎn)品韌性。

以下在同一配方中分別添加了0質(zhì)量份（配方①）、20質(zhì)量份（配方②）和50質(zhì)量份（配方③）的改性環(huán)氧樹脂或增韌劑，填料含量均為65%，用磨刷處理的鋁板制作同一規(guī)格的鋁基覆銅板，然后測試各配方的性能，結(jié)果如表6所示。

從試驗結(jié)果可看出，隨著配方中改性環(huán)氧樹脂或增韌劑用量的增加，鋁基覆銅板導熱絕緣層韌性逐漸提高。但如果改性環(huán)氧樹脂或增韌劑用量過多，不僅提高了生產(chǎn)成本，還可能會導致其他性能的劣化，如附著力下降、剝離強度降低、熱應力分層爆板等。所以，在配方設計時，須平衡各方面的性能，以達到最理想的效果。

3.5.2 導熱填料

導熱填料在鋁基覆銅板導熱絕緣層中主要起到提高導熱性能的作用，也是必不可少的物料。導熱絕緣層的導熱系數(shù)主要取決于導熱填料的種類、形狀、粒徑以及含量，在使用同一填料的情況下，隨著填料含量的增加，導熱系數(shù)逐漸提高，但脆性也逐漸變大。而在相同填料含量的情況下，若使用一部分具有層狀結(jié)構的導熱填料，可一定程度上降低產(chǎn)品脆性，提高韌性。

以下在同一樹脂配方中分別添加50%的導熱填料A（配方④）、75%的導熱填料A（配方⑤），62.5%的導熱填料A和12.5%的導熱填料B（配方⑥），用磨刷處理的鋁板制作同一規(guī)格的鋁基覆銅板，然后測試各配方的性能，結(jié)果如下表所示。

從表7結(jié)果可看出，在只使用導熱填料A時，隨著導熱填料A含量的增加，導熱絕緣層導熱系數(shù)逐漸提高，但剝離強度、附著力、韌性變差。而在相同填料含量時，使用具有層狀結(jié)構的導熱填料B，雖然剝離強度有所降低，但導熱系數(shù)及韌性都明顯提升。因此，在開發(fā)導熱絕緣層配方時，可使用不同種類填料進行搭配，以提高產(chǎn)品綜合性能。

表6 不同樹脂配方對鋁基覆銅板性能的影響

表7 不同填料配方對鋁基覆銅板性能的影響

4 總結(jié)

本文采用柱軸彎曲試驗來評價導熱絕緣層的韌性及附著力，并分析了影響鋁基覆銅板導熱絕緣層韌性及附著力的因素，從試驗條件、鋁板表面處理方式、導熱絕緣層厚度、導熱絕緣層配方等方面進行對比，評估了不同因素對韌性及附著力的影響情況。由于影響韌性及附著力的因素很多，因此要提升鋁基覆銅板的韌性及附著力，需從各個方面進行改善，以達到最優(yōu)的效果。

[1] Nageswara Rao B, Acharya A R. Failure assessmeng on M300 grade maraging steel cylindrical pressure vessels with an internal surface crack[J]. International Joumal of Pressure Vessels and Piping, 1998,75(7):537-543.

[2] Alfredo A.Marengo, Juan E.Perez Ipina. Pressure vessel steel fracture toughness in the regime from room temperature to 400℃[J]. Nuclear Engineering and Design, 1996, 167(2):215-222.

陳毅龍，副經(jīng)理，主要從事金屬基覆銅板的配方研究開發(fā)及性能評估。

Analysis on factors influencing toughness and adhesion of insulating thermal conductive layer

CHEN Yi-long TAN Xiao-lin ZOU Shao-quan

Aluminum base copper clad laminate as the carrier of electronic components, with its excellent thermal performance, is widely used in LED, automotive, TV, power supply etc.. But the insulating thermal conductive layer of aluminum base copper clad laminate has poor adhesion and toughness, it is prone to fall off while machining, which is one of the most difficult troubles on aluminum base copper clad laminate. In this paper, bend test (cylindrical mandrel) was used to evaluate the toughness and adhesion of insulating thermal conductive layer, and analyzed on factors influencing toughness and adhesion of insulating thermal conductive layer. Then contrast from the test condition, aluminum surface treatment, thickness and formula of insulating thermal conductive laye etc., evaluating the effect on the toughness and adhesion.

Metal Base Copper Clad Laminate; Insulating Thermal Conductive Layer; Toughness; Adhesion; Bend Test (Cylindrical Mandrel); Fluencing Factors

TN41

A

1009-0096（2014）04-0159-06