葉致遠(yuǎn)

摘要： 研究了采用提高聚合物結(jié)晶度和填充無(wú)機(jī)絕緣導(dǎo)熱填料的方法，開(kāi)發(fā)出一種具有良好導(dǎo)熱性的CEM-3復(fù)合基覆銅板。

Abstract： This paper uses the method of improving the crystallinity of polymer and filling the inorganic insulating heat conductive filler and develops thermal conductive CEM-3 CCL.

關(guān)鍵詞： CEM-3；導(dǎo)熱；覆銅板

Key words： CEM-3；thermal conductive；CCL

中圖分類(lèi)號(hào)：TG113.22+3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）32-0169-02

0 引言

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，由于過(guò)度開(kāi)發(fā)而導(dǎo)致全球面臨能源短缺與全球環(huán)境劇變的威脅，研究一種新型的具有節(jié)能功能的LED光源就成為了二十一世紀(jì)的新課題。LED光源需要解決的最大問(wèn)題是“散熱”，目前LED光源主要采用具有導(dǎo)熱性能的PCB進(jìn)行散熱，常見(jiàn)的導(dǎo)熱型PCB主要為具有導(dǎo)熱性的覆銅板制成。

目前商品化的導(dǎo)熱覆銅板主要包括鋁基覆銅板和導(dǎo)熱型CEM-3覆銅板等。鋁基覆銅板具有優(yōu)越的導(dǎo)熱性能，但是由于絕緣層很薄的緣故，其電絕緣性能相比導(dǎo)熱型CEM-3覆銅板有很大差距，尤其是燈條板線(xiàn)路和板材邊緣的距離比較近，電絕緣性能很難保證。而傳統(tǒng)的CEM-3覆銅板雖然有很好的電絕緣性能，但是熱導(dǎo)率很低，只有0.4W/M·K左右，無(wú)法滿(mǎn)足LED散熱的要求，因此，有必要開(kāi)發(fā)一種既具有良好的導(dǎo)熱性，同時(shí)又具有良好的電絕緣性的覆銅板。

1 開(kāi)發(fā)重點(diǎn)及開(kāi)發(fā)思路

復(fù)合基CEM-3覆銅板板材結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從圖1可以看出，CEM-3覆銅板主要由銅箔、玻纖布、玻纖紙、環(huán)氧樹(shù)脂等構(gòu)成，其中玻璃纖維和環(huán)氧樹(shù)脂是熱的不良導(dǎo)體，熱導(dǎo)率分別不到0.1 W/M·K和0.2W/M·K。由上述結(jié)構(gòu)組成的CEM-3覆銅板，其熱導(dǎo)率僅有約0.4W/M·K。但是和鋁基覆銅板相比， CEM-3覆銅板除了良好的電絕緣性外，還具有良好的機(jī)械加工性和低成本、高性?xún)r(jià)比等優(yōu)點(diǎn)。因此，在傳統(tǒng)CEM-3覆銅板基礎(chǔ)上，提高基材的熱導(dǎo)率是我們技術(shù)開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)，其次，具有導(dǎo)熱功能的CEM-3應(yīng)具有與普通CEM-3相同的可靠性和機(jī)械加工性。

2 導(dǎo)熱機(jī)理的探討

熱動(dòng)力學(xué)認(rèn)為熱是一種聯(lián)系到分子、原子、電子等以及其組成部分的移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)的能量，因而物質(zhì)的導(dǎo)熱機(jī)理必然與組成物質(zhì)的微觀(guān)粒子的運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)。所有物質(zhì)的熱傳導(dǎo)，無(wú)論其處于何種狀態(tài)，都是由物質(zhì)內(nèi)部微觀(guān)粒子相互碰撞和傳遞的結(jié)果。CEM-3覆銅板是一種由金屬、無(wú)機(jī)非金屬材料和高分子材料構(gòu)成的復(fù)雜材料。除了金屬之外，其組成中雖然還有玻璃纖維和環(huán)氧樹(shù)脂兩種成分，但是它們已經(jīng)結(jié)合為復(fù)合材料。玻璃纖維成分雖然是石英玻璃，但是作為纖維材料已經(jīng)不再是均勻的連續(xù)介質(zhì)，而是一種多孔性物質(zhì)，其換熱形式有空氣導(dǎo)熱和纖維導(dǎo)熱，其中空氣導(dǎo)熱是主要的熱傳導(dǎo)方式。在結(jié)構(gòu)中，環(huán)氧樹(shù)脂替代空氣填充了玻璃纖維的空隙，因此，從本質(zhì)上來(lái)看，這種復(fù)合材料是一種高分子材料導(dǎo)熱，其導(dǎo)熱性高低取決于基體環(huán)氧樹(shù)脂的熱導(dǎo)率高低。在結(jié)構(gòu)中，環(huán)氧樹(shù)脂與雙氰胺固化劑反應(yīng)形成聚合物，體系處于飽和狀態(tài)，沒(méi)有自由電子存在，分子運(yùn)動(dòng)困難，熱傳導(dǎo)主要是晶格振動(dòng)的結(jié)果，聲子是主要熱能載荷者。由于高分子鏈的無(wú)規(guī)纏結(jié)、巨大分子量及分子量多分散性，導(dǎo)致聚合物無(wú)法形成完整晶體，加之分子鏈振動(dòng)加劇了聲子的散射，所有因素疊加導(dǎo)致了聚合物熱導(dǎo)率很低。因而，普通CEM-3覆銅板導(dǎo)熱性很差。

要提高CEM-3覆銅板的熱導(dǎo)率，只有從提高環(huán)氧聚合物的導(dǎo)熱性著手。其方法無(wú)外乎兩種，一是改良環(huán)氧樹(shù)脂固化結(jié)構(gòu)，改變材料分子和鏈接結(jié)構(gòu)獲得特殊物理結(jié)構(gòu)，通過(guò)提高聚合物結(jié)晶度來(lái)提高熱導(dǎo)率；二是在環(huán)氧樹(shù)脂中填充導(dǎo)熱絕緣填料，通過(guò)物理共混賦予聚合物導(dǎo)熱性能。目前，能夠改善聚合物結(jié)構(gòu)且性?xún)r(jià)比較好的材料是聯(lián)苯類(lèi)材料，如聯(lián)苯類(lèi)環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂等；常用的導(dǎo)熱絕緣填料主要是一些無(wú)機(jī)填料，如AlN、Si3N4、BN、Al2O3、MgO、SiC等。

3 實(shí)驗(yàn)部分

3.1 主要原材料

3.2 制作步驟

將固化劑與有機(jī)溶劑配制成溶液，依次加入環(huán)氧樹(shù)脂、聯(lián)苯型環(huán)氧樹(shù)脂、填料，最后加入固化促進(jìn)劑，混合乳化分散6-10小時(shí)，制成導(dǎo)熱樹(shù)脂組合物。

①將配制好的導(dǎo)熱樹(shù)脂組合物涂覆在E玻纖紙（7628電子級(jí)玻璃纖維布）和玻纖紙上（75g電子級(jí)玻璃氈），在150-170℃烤箱中烘烤3-5分鐘，制成玻璃布半固化片與玻璃氈半固化片；

②在玻璃氈半固化片的兩面各貼敷一張玻璃布半固化片，然后在其中一張玻璃布半固化片上貼敷一張電解銅箔；

③將上述配好的坯料送入真空熱壓機(jī)中，在60-210℃溫度、6-80kgf/cm2壓力和10mmHg真空度下熱壓2-3小時(shí)，即制成導(dǎo)熱型CEM-3覆銅板。

3.3 檢測(cè)項(xiàng)目及儀器

熱導(dǎo)率：ASTM D 5470方法，LW9091IR；

擊穿強(qiáng)度：IPC TM650，高壓測(cè)試儀；

燃燒性：UL94，垂直燃燒；

熱應(yīng)力：IPC TM650，焊錫爐。

4 板材測(cè)試結(jié)果

板材主要指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

采用提高聚合物結(jié)晶度和填充無(wú)機(jī)絕緣導(dǎo)熱填料并舉的方式，制備出了一種高導(dǎo)熱的CEM-3覆銅板，熱導(dǎo)率達(dá)到1.2W/M·K，且燃燒性耐熱性良好。

參考文獻(xiàn)：

[1]儲(chǔ)九榮，張曉輝，徐傳驤.導(dǎo)熱高分子材料的研究與應(yīng)用[J]. 高分子材料科學(xué)與工程，2000，16（4）：17-20.

[2]田蔭棠.熱物理學(xué)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1991.

[3]張曉輝.電工高分子材料導(dǎo)熱性能和機(jī)理的研究[D].西安：西安交通大學(xué)博士論文.

[4]馬傳國(guó)，容敏智，章明秋.導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料的研究與應(yīng)用[J].材料工程，2002，（7）：40-45.

[5]奚同庚.無(wú)機(jī)材料熱物理學(xué)[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1981.