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(dǎo)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(yīng)用于LED、汽車、電視、電源等領(lǐng)域。但由于鋁基覆銅板的導(dǎo)熱絕緣層附著力差，且導(dǎo)熱絕緣層本身韌性低，機(jī)械加工時(shí)容易出現(xiàn)導(dǎo)熱絕緣層崩裂、分層的現(xiàn)象，這是鋁基覆銅板開(kāi)發(fā)及制作過(guò)程中面臨的最大難題之一。本文采用柱軸彎曲試驗(yàn)來(lái)評(píng)估導(dǎo)熱絕緣層的韌性及附著力，并分析了影響鋁基覆銅板導(dǎo)熱絕緣層韌性及附著力的因素，從試驗(yàn)條件、鋁板表面處理方式、導(dǎo)熱絕緣層厚度、導(dǎo)熱絕緣層配方等方面進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估不同因素對(duì)韌性及附著力的影響情況。

鋁基覆銅板；導(dǎo)熱絕緣層；韌性；附著力；彎曲試驗(yàn)；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(shù)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(dǎo)致元器件工作環(huán)境向高溫方向變化。對(duì) PCB 基板的散熱性要求越來(lái)越迫切，如果基板的散熱性不好，就會(huì)導(dǎo)致印制電路板上元器件過(guò)熱，從而使整機(jī)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(yīng)運(yùn)而生，并得到快速發(fā)展。

鋁基覆銅板由鋁板、導(dǎo)熱絕緣層、銅箔三種材料構(gòu)成，鋁板主要起承載及散熱的作用，導(dǎo)熱絕緣層主要起粘結(jié)、絕緣和導(dǎo)熱的作用。由于導(dǎo)熱絕緣層與鋁板是兩種不同的材料，導(dǎo)熱絕緣層附著力差，且導(dǎo)熱絕緣層本身韌性較低，機(jī)械加工時(shí)容易出現(xiàn)崩裂、分層的現(xiàn)象，導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢，這是鋁基覆銅板開(kāi)發(fā)及制作過(guò)程中面臨的最大難題之一。可以說(shuō)，導(dǎo)熱絕緣層的韌性及附著力直接決定了鋁基覆銅板的機(jī)械加工性能，而目前業(yè)內(nèi)暫未有確切、具體的方法來(lái)同時(shí)評(píng)估導(dǎo)熱絕緣層的這兩項(xiàng)性能。

經(jīng)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，柱軸彎曲試驗(yàn)可定性地反映導(dǎo)熱絕緣層的韌性及附著力。因此，本文采用柱軸彎曲試驗(yàn)來(lái)評(píng)估導(dǎo)熱絕緣層的韌性及附著力，并分析了影響鋁基覆銅板導(dǎo)熱絕緣層韌性及附著力的因素，從試驗(yàn)條件、鋁板表面處理方式、導(dǎo)熱絕緣層厚度、導(dǎo)熱絕緣層配方等方面進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估不同因素對(duì)韌性及附著力的影響情況。

2 韌性及附著力的測(cè)試

2.1 測(cè)試方法

本文使用柱軸彎曲試驗(yàn)來(lái)評(píng)估鋁基覆銅板的韌性及附著力。柱軸彎曲試驗(yàn)是用于測(cè)量當(dāng)導(dǎo)熱絕緣層受到彎曲壓力時(shí)，導(dǎo)熱絕緣層本身柔韌性以及鋁基與導(dǎo)熱絕緣層附著力的一種方法，可定性測(cè)試導(dǎo)熱絕緣層的抗開(kāi)裂和抗剝離性能。

2.2 測(cè)試儀器

韌性及附著力采用進(jìn)口柱軸彎曲試驗(yàn)儀進(jìn)行測(cè)試，該柱軸彎曲試驗(yàn)儀配備了2 mm ～ 32 mm直徑的柱軸，不僅可以簡(jiǎn)單地測(cè)出在已知直徑柱軸上導(dǎo)熱絕緣層是通過(guò)還是破壞，還可以進(jìn)行破壞點(diǎn)測(cè)定，即依次由最大直徑柱軸開(kāi)始，依次減小柱軸直徑，直至導(dǎo)熱絕緣層開(kāi)裂。

2.3 測(cè)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(dǎo)熱絕緣層開(kāi)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(jī)械加工性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)熱絕緣層韌性及附著力與機(jī)械加工性能有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系（表1），導(dǎo)熱絕緣層的韌性越好，附著力越高，機(jī)械加工性能也越好，反之亦然。

表1 導(dǎo)熱絕緣層韌性及附著力與機(jī)械加工性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系

3 分析導(dǎo)熱絕緣層韌性及附著力的影響因素

通過(guò)頭腦風(fēng)暴法，從人員、機(jī)器、物料、方法及環(huán)境五個(gè)方面對(duì)鋁基覆銅板導(dǎo)熱絕緣層韌性及附著力的影響因素進(jìn)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(dǎo)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(yàn)條件、鋁板表面處理方式、導(dǎo)熱絕緣層厚度、導(dǎo)熱絕緣層配方等幾個(gè)關(guān)鍵因素進(jìn)行分析。

3.1.1 柱軸直徑

采用同一導(dǎo)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(jìn)行彎曲測(cè)試，評(píng)估柱軸直徑對(duì)彎曲試驗(yàn)的影響，結(jié)果如下表所示（表2）。

表2 不同柱軸直徑對(duì)彎曲試驗(yàn)的影響

從表2結(jié)果可看出，柱軸直徑對(duì)彎曲試驗(yàn)結(jié)果影響較大，隨著柱軸直徑的減小，導(dǎo)熱絕緣層開(kāi)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(dǎo)熱絕緣層所受到的作用力逐漸超過(guò)了導(dǎo)熱絕緣層本身的韌性及附著力，導(dǎo)致導(dǎo)熱絕緣層開(kāi)裂、分層。

3.1.2 彎曲角度

采用同一導(dǎo)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(jìn)行不同角度彎曲，評(píng)估彎曲角度對(duì)彎曲試驗(yàn)的影響，結(jié)果如表3所示。

表3 彎曲角度對(duì)彎曲試驗(yàn)的影響

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

上述試驗(yàn)表明，試驗(yàn)條件對(duì)柱軸彎曲試驗(yàn)的結(jié)果有較大影響。因此，為確保柱軸彎曲試驗(yàn)可以更有效地反映和對(duì)比不同鋁基覆銅板導(dǎo)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(yàn)條件。

3.2 鋁板表面處理方式

4)通過(guò)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(chǔ)藏的含水率, 且可指導(dǎo)產(chǎn)品包裝的方式和材料。

鋁板在生產(chǎn)和運(yùn)輸時(shí)，表面上會(huì)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(dǎo)熱絕緣層的附著力會(huì)很差，機(jī)械加工時(shí)容易崩裂、分層。因此，在制作鋁基覆銅板時(shí)，必須對(duì)鋁板進(jìn)行表面處理，提高鋁板的潔凈度及粗糙度，從而提高導(dǎo)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(yáng)極氧化、磨刷等。以下采用同一導(dǎo)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(jìn)行柱軸彎曲試驗(yàn)，評(píng)估不同鋁板表面處理方式對(duì)導(dǎo)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(duì)導(dǎo)熱絕緣層附著力的影響

從表4結(jié)果可看出，導(dǎo)熱絕緣層對(duì)未經(jīng)過(guò)處理的鋁板附著力最差，噴砂、拉絲處理次之，偶聯(lián)化、陽(yáng)極氧化及磨刷處理最好，說(shuō)明鋁板表面處理對(duì)導(dǎo)熱絕緣層附著力有很大影響。對(duì)比偶聯(lián)化、陽(yáng)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(shì)。本文將采用磨刷方式處理鋁板。

3.3 導(dǎo)熱絕緣層厚度

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

試驗(yàn)結(jié)果表明，導(dǎo)熱絕緣層厚度對(duì)導(dǎo)熱絕緣層韌性有較大影響，導(dǎo)熱絕緣層越薄，其韌性越好。當(dāng)然，實(shí)際開(kāi)發(fā)及制作過(guò)程中，還要同時(shí)考慮導(dǎo)熱絕緣層的耐電壓或擊穿電壓，避免因?qū)峤^緣層太薄導(dǎo)致產(chǎn)品漏電或擊穿失效。本文將采用100 μm導(dǎo)熱絕緣層厚度進(jìn)行柱軸彎曲試驗(yàn)。

表5 不同厚度對(duì)導(dǎo)熱絕緣層韌性的影響

3.4 導(dǎo)熱絕緣層配方

雖然鋁基覆銅板由鋁基、導(dǎo)熱絕緣層、銅箔三種材料構(gòu)成，但其技術(shù)及應(yīng)用核心在于導(dǎo)熱絕緣層，導(dǎo)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(guān)鍵最重要的影響因素是導(dǎo)熱絕緣層配方。

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

3.4.1 樹(shù)脂

環(huán)氧樹(shù)脂是導(dǎo)熱絕緣層的主要物料之一，普通的環(huán)氧樹(shù)脂固化后具有粘接強(qiáng)度高、介電性能好、收縮率小、尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但脆性大，韌性不足，給產(chǎn)品加工帶來(lái)很大困難。為提高環(huán)氧樹(shù)脂固化后的韌性，最簡(jiǎn)單最直接的辦法就是在配方中添加適量的改性環(huán)氧樹(shù)脂或增韌劑。通過(guò)添加改性環(huán)氧樹(shù)脂或增韌劑，可大大降低固化后環(huán)氧樹(shù)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(shù)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(cè)試各配方的性能，結(jié)果如表6所示。

從試驗(yàn)結(jié)果可看出，隨著配方中改性環(huán)氧樹(shù)脂或增韌劑用量的增加，鋁基覆銅板導(dǎo)熱絕緣層韌性逐漸提高。但如果改性環(huán)氧樹(shù)脂或增韌劑用量過(guò)多，不僅提高了生產(chǎn)成本，還可能會(huì)導(dǎo)致其他性能的劣化，如附著力下降、剝離強(qiáng)度降低、熱應(yīng)力分層爆板等。所以，在配方設(shè)計(jì)時(shí)，須平衡各方面的性能，以達(dá)到最理想的效果。

3.5.2 導(dǎo)熱填料

導(dǎo)熱填料在鋁基覆銅板導(dǎo)熱絕緣層中主要起到提高導(dǎo)熱性能的作用，也是必不可少的物料。導(dǎo)熱絕緣層的導(dǎo)熱系數(shù)主要取決于導(dǎo)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(dǎo)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(gòu)的導(dǎo)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(shù)脂配方中分別添加50%的導(dǎo)熱填料A（配方④）、75%的導(dǎo)熱填料A（配方⑤），62.5%的導(dǎo)熱填料A和12.5%的導(dǎo)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(cè)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(dǎo)熱填料A時(shí)，隨著導(dǎo)熱填料A含量的增加，導(dǎo)熱絕緣層導(dǎo)熱系數(shù)逐漸提高，但剝離強(qiáng)度、附著力、韌性變差。而在相同填料含量時(shí)，使用具有層狀結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱填料B，雖然剝離強(qiáng)度有所降低，但導(dǎo)熱系數(shù)及韌性都明顯提升。因此，在開(kāi)發(fā)導(dǎo)熱絕緣層配方時(shí)，可使用不同種類填料進(jìn)行搭配，以提高產(chǎn)品綜合性能。

表6 不同樹(shù)脂配方對(duì)鋁基覆銅板性能的影響

表7 不同填料配方對(duì)鋁基覆銅板性能的影響

4 總結(jié)

本文采用柱軸彎曲試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)導(dǎo)熱絕緣層的韌性及附著力，并分析了影響鋁基覆銅板導(dǎo)熱絕緣層韌性及附著力的因素，從試驗(yàn)條件、鋁板表面處理方式、導(dǎo)熱絕緣層厚度、導(dǎo)熱絕緣層配方等方面進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估了不同因素對(duì)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(gè)方面進(jìn)行改善，以達(dá)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(kāi)發(fā)及性能評(píng)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