特殊基板材料在印制電路板中應用的新進展

摘要：文章概述了目前幾種特殊板材在印制電路板中的應用，重點介紹了特殊板材的特性、優點和制作控制要點等，并提出了特殊板材今后的發展方向。

關鍵詞：特殊板材 氰酸酯 氮化鋁 導熱膠膜 鋁基板

中圖分類號：TN405文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2012）08（c）-0019-03

1 前言

隨著電子產品逐漸向輕薄化、微型化和多功能化方向發展，以及在半導體安裝技術的驅動下，對PCB技術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（CTE）等性能，以提高互連和安裝的可靠性。同時，隨著通信技術和計算處理速度的提高，基板的的介電性能、散熱性等也引起人們的關注，有更多特殊性能要求的提出。這就要求我們要不斷開發具有特殊性能、高可靠性的基板材料，以滿足各類電子產品日益發展的不同需求。

本文將介紹就幾種應用于印制電路板中的特殊基板，對其特性、優點和制作控制要點等進行講解，并提出了今后特殊基板的發展方向。

2 特殊基板的應用

2.1 氰酸酯及其改性[1，2]

氰酸酯簡稱CE（CyanateEster），它是單體結構中含有兩個或多個氰酸酯官能團（-OCN）的樹脂，經過三嗪環化聚合反應后形成具有交聯固化網絡結構的一類熱固性樹脂（如圖1）。

由于高度交聯的三嗪環結構，加上大量的芳香環、芳雜環結構，是氰酸酯固化物具有很高的耐熱性。另外，由于三嗪環結構高度對稱，極性很小，加上交聯密度高，即使有微量的極性基團也只能有很小的旋轉運動，因而在很寬的溫度范圍（-160～220℃）和頻率范圍（1×104～1×1011Hz）內，具有很低的介電常數和介質損耗。以常見的雙酚A型氰酸酯（BADCy）為例，它的Tg（玻璃化轉變溫度）為270℃，Td（熱分解溫度）為420℃，彎曲強度為170MPa，模量為3.2GPa，吸水率約為2%，表現出力學性能優、耐熱性高、吸水率低的優點。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具有非常低的介電常數（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。

目前市場上的氰酸酯種類較多，國產氰酸酯也開始上市，主要代表產品有：雙酚A型氰酸酯、芳雜環型氰酸酯、諾夫拉克型氰酸酯等。與已規模生產的酚醛樹脂、環氧樹脂（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，具有更高的性價比。因此，氰酸酯樹脂已經被認為是21世紀具有巨大社會效益和經濟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現，如氰酸酯與環氧樹脂共聚，與聚醚多元醇共聚等。也可以通過互穿網格結構改性氰酸酯，如氰酸酯與雙馬來酰亞胺互穿網格、氰酸酯與環氧樹脂互穿網格、氰酸酯與聚氨酯互穿網格等。也通過氰酸酯、聚胺亞胺和環氧樹脂共聚的工藝方法來實現，調整三者之間的比例和工藝條件，必要時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。可在產品的耐熱性、介電性能、尺寸穩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性能檢測，可滿足HDI和IC封裝用高性能的開發需求，填補了國內空白，也表明我國覆銅板生產技術已經發展到一個嶄新的水平。由于改性后的氰酸酯具有以上優良特性，在高性能PCB、宇航結構部件、隱身材料、雷達罩、人造衛星等領域得到廣泛地應用。相信在不久的將來，隨著科學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異的性能，應用將日趨廣泛。

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，致使單位體積發熱量也隨之增加，對新一代電路基板的散熱能力即熱導率要求也越來越高。由于大多數陶瓷是離子鍵或共價鍵極強的材料，具有優異的綜合性能，如高絕緣性和高頻特性，同時線膨脹系數與電子元件非常接近，化學性能非常穩定且導熱率高[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熱陶瓷基板材料有Al2O3、AlN、SiC、BeO等，其性能各有不同。在很長一段時間里，大功率混合集成電路的基板材料一直沿用Al2O3和BeO，但Al2O3的熱導率低，熱膨脹系數與Si不大匹配，而BeO因其成本高和具有劇毒特性而限制了應用推廣。AlN陶瓷基板的導熱性是Al2O3的2～3倍，而介電常數（8.0）與Al2O3相似，高溫下（1300℃）的機械能力相對于室溫下只下降20%。因此，它被廣泛應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域。

隨著航空、航天和其它智能功率系統對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用的一種重要的新型無毒環保封裝材料，其優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展[6]。AlN晶體的晶格常數為a=0.31nm，c=0.498nm，屬六方晶系，是以[AlN4]四方體為結構單元的礦型共價鍵化合物，其結構圖如圖2所示[7-8]。

AlN陶瓷基板的主要以流延成型法制備，該方法具有生產效率高、易實現連續化和自動化生產等優點，其具體工藝流程如圖3所示[9]。

流延法制備AlN陶瓷基板對工藝要求非常嚴格，要得到優良的AlN陶瓷基板，必須對流程中的每一道工序做到最優化。影響制備基板性能的因素較多，主要包括有漿料粘度、排膠技術和預燒結等幾個方面，此制備工藝流程設計諸多學科方面的知識，在此不做贅述。雖然AlN陶瓷基板的應用前景十分廣闊，但作為集成電路理想的材料，還存在著成本高、高溫下難致密燒結和生產重復性等問題。因此，AlN陶瓷基板要獲得更廣泛的應用還需要做更多的研究和工藝改進等。

AlN陶瓷基板在印制電路板中還處于開發和小批量應用階段，在近幾年的應用逐漸增多，這主要得益于新型電子元件產品的快速發展和印制電路技術的提高。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AlN陶瓷基板進行鉆孔和線路制作，經激光照射后的區域形成一種活化物質，在隨后的化學沉銅階段不再需要鈀離子的活化過程，直接進行銅沉積，最后電鍍加厚形成所需PCB。這種新的制作工藝出現，將會極大地促進AlN陶瓷基板在印制電路板中的應用，推動越來越多的特殊基板材料被深入研究和應用。

2.3 高導熱膠膜、鋁基板

隨著PCB向高密度化布線方向的發展，其對PCB基板材料散熱的要求越來越高，于是具有高散熱性、良好機械加工性及高平整性的金屬鋁基板受到市場推崇。近幾年，LED作為一種環保節能光源，其在照明領域發展前景廣闊，吸引全球照明大廠家都先后加入LED光源及市場開發中[11]。為適應中高端LED照明市場鋁基板基材性能的要求，國內外專家研制出高導熱性膠膜，并結合多年覆銅板壓合經驗，推出適用于高性能LED照明市場性能穩定的鋁基板。

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

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

高導熱鋁基板是鋁基板行業中高端導熱系數的鋁基板，目前在全球有5～10家廠家在生產制造。高導熱鋁基板的產品項目涵蓋了照明產品整個行業，如商業照明，室內照明等，中國的高導熱鋁基板行業近5年的快速發展，到今天也造成了激烈的競爭局面。因LED照明相關技術與散熱性能等原因，使LED在國內市場發展緩慢，而大部分LED照明用于出口，這方面不斷給于高導熱鋁基板發展空間與時間。高導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構所組成（如圖5）。

與傳統的FR-4相比，鋁基板能夠將熱阻降至最低，使其具有極好的熱傳導性；與厚膜陶瓷電路相比，它的機械性能有極為優良，具有許多獨特的優勢[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。但是，MCPCB加工也有其獨特的地方，這往往會給MCPCB的加工帶來一定的麻煩甚至風險，如鋁基板厚銅箔的蝕刻制作、鋁基面浸蝕保護、鋁基板機加工和印阻焊等。

高導熱鋁基板作為這一種特殊基板材料，其發展前景十分看好。隨著中國經濟的迅猛發展，其龐大的市場需求將會推動鋁基板銷量的增長，但國內高導熱鋁基板的技術水平還處于一個較低的層次，與國外同行技術相差甚遠。那么，如何擺脫這種產業結構和技術水平的局限，趕超世界一流水平，將成為國內同行業者所需要深思的。

3 結語

隨著PCB和電子安裝技術的不斷發展，特殊基板在印制電路板中的應用將逐漸廣泛，這已成為電子技術發展的新潮流，并趨于向更多的應用領域蔓延。表面安裝技術的問世，向PCB基板材料首次提出了適應高密度化的問題，要求對PCB及其基板材料在功能、性能上提出了新的要求，如高導熱性、耐熱性和尺寸穩定性等。新型的HDI和IC載板對基板甚至提出了三元結構，基板材料的輻射導熱方式、遠紅外線放射的散熱方式等實例研究成果的出現，都將極大地促進特殊基板的開發和應用[14-15]。因此，加強對特殊基板產業的投入，促進技術研發、科技創新和完善制備工藝，大力發展我國特殊基板及上下游配套產業，將會成為未來發展的必然趨勢，也會為我們迎來更多的市場先機。