中國粉體網訊 印制電路板是幾乎所有電子元件和控制裝置電氣隔離、支撐的核心部件。電路板基板按照材質的不同可以分為3類：聚合物絕緣基板、金屬基板和陶瓷基板。不同的基板介質材料在耐熱性、熱傳導性、耐電壓性、熱膨脹系數(shù)、機械強度、加工性以及成本方面差異顯著，從而應用于不同功率等級的電力電子領域中。
聚合物絕緣基板用介質材料
聚合物絕緣基板介質材料也被稱為有機樹脂基板，具有設計自由度高、加工方便靈活和低成本的特性。該類基板多用于液晶顯示器用光源LED、LED照明產品、工業(yè)用機器人、低功率轉換電力電子器件裝置等。聚合物絕緣基板一般以環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚四氟乙烯等為有機基材，以紙或玻璃纖維等為增強材料。
目前應用最廣、用量最大的一類基板材料FR-4覆銅板，是由一層或者多層浸漬過環(huán)氧樹脂的玻璃纖維布為基材，溴化環(huán)氧樹脂或改性環(huán)氧樹脂為粘結劑的阻燃型覆銅板的統(tǒng)稱，其電氣性能和力學性能適用于多方面需求。
覆銅板結構示意圖
針對電力電子器件封裝的應用，聚合物電路板一般只能用于低功率的小家電等行業(yè)。為適應電力電子器件功率損耗較大的特點，常通過對環(huán)氧樹脂進行改性以獲得具有不同側重功能的環(huán)氧基板，如含萘結構的低膨脹系數(shù)環(huán)氧樹脂、主鏈由雙酚A特殊結構以及柔性分子鏈構成的柔軟強韌型環(huán)氧樹脂、含磷元素的無鹵阻燃環(huán)氧樹脂、高分子量環(huán)氧樹脂等，以滿足電力電子器件封裝高散熱和降低應力的相關要求。
近些年來，填料作為覆銅板產品的一種組成物，已經越來越重要，儼然變成了覆銅板除樹脂、銅箔、玻纖布的第四大主材料。填料種類多，包括硅微粉（結晶硅微粉、熔融硅微粉、復合硅微粉、球形硅微粉等）、氫氧化鋁、滑石粉、云母粉、勃姆石、氧化鋁、球形氧化鋁等，但用得較多的是硅微粉和氫氧化鋁。
硅微粉
金屬基板用介質材料
與聚合物絕緣基板相比，金屬基板具有更高的熱導率，多用于對散熱性能要求較高的領域；與厚膜陶瓷基板相比，金屬基板的力學性能更為優(yōu)良，因此，金屬基板具有獨特優(yōu)勢。
典型的金屬基板包括3層，第一層為導電層，即線路層，一般為銅箔；第二層為導熱絕緣層，主要起絕緣、粘接和散熱的作用；第三層為金屬基層，即底層散熱層，所用材料為鋁、銅等金屬板，以及像銅-石墨、鋁-碳化硅這樣的復合導電基板等。其中，鋁基覆銅板需求量最大。
鋁基覆銅板在LED功率器件中的散熱過程示意圖
中間的導熱絕緣層是金屬基板的關鍵材料，需要具備優(yōu)異的耐熱性、導熱性，較高的電氣強度，良好的柔韌性，并且能與金屬基板和線路層粘接良好。導熱絕緣層主要由提供粘接性能的有機樹脂和高導熱無機填料組成。有機高分子材料結構中通常含有較多的缺陷，分子振動和晶格振動不協(xié)調，導致聲子散亂程度高，因此具有較低的熱導率。目前有機樹脂使用最多的是環(huán)氧樹脂，也常用聚乙烯醇縮丁醛、丙烯酸酯、聚氨酯等改性的環(huán)氧樹脂。還有一些其他種類的樹脂如酚醛樹脂、聚酰亞胺樹脂、聚對苯二甲酸乙二醇酯以及聚苯醚等。
導熱絕緣層的導熱性主要取決于其中的填料，可供選擇的填料有Al2O3、MgO、ZnO、BeO、h-BN、Si3N4以及AlN等。其中，Al2O3雖然熱導率不高，但是其球形度好，容易在有機樹脂中分散，適宜高填充量，并且價格便宜，因此應用較多。
氮化硼不但具有較高的導熱系數(shù)，而且具有良好的耐化學腐蝕性，對于進一步提高環(huán)氧樹脂復合材料的導熱性能具有重要作用。根據研究表明，氮化硼的粒徑和形狀對于復合材料的導熱系數(shù)有很大的影響。AlN是優(yōu)良的電絕緣體，其導熱系數(shù)高，熱穩(wěn)定性好，可以極大地提高復合材料的導熱系數(shù)。
幾種常見的電絕緣無機填料
常見電絕緣無機填料的優(yōu)缺點
高導熱金屬基板材料的生產廠家主要以美國貝格斯、日本理化工業(yè)所、CMK、松下、利昌工業(yè)株式會社等為代表。美國貝格斯公司作為熱管理領域的領導廠商，引領了當前鋁基板的發(fā)展潮流；日本發(fā)條公司生產的高散熱基板熱導率可達10 W/(m·K)，主要應用在汽車電子器件、中低功率電力電子器件封裝領域；松下公司開發(fā)的CV-2079系列產品熱導率分別為3、5、10 W/(m·K)的基板材料。
金屬基板的絕緣性能主要依靠中間的導熱絕緣層，但是導熱絕緣層很薄，因此金屬基板整體耐壓性能不高，不能用于高電壓領域，但在中電壓的新能源汽車中已有應用，如三菱SiC雙面封裝的電力電子模塊就采用了具有電路圖案的厚金屬銅箔（厚度約為800μm）絕緣粘結劑及底部銅箔的IMS基板技術。
三菱SiC電力電子器件雙面封裝拓撲結構
鋁基覆銅板的應用
陶瓷基板用介質材料
陶瓷基板由陶瓷基片和布線金屬層兩部分組成，金屬布線是通過在陶瓷基片上濺射、蒸發(fā)沉積或印刷各種金屬材料來制備薄膜和厚膜電路。在電子陶瓷封裝中，陶瓷基板除了為電路和芯片提供結構支撐和電氣互連，還必須為其提供良好的熱處理以確保正常工作。
陶瓷基板以其優(yōu)良的熱導率、介電性能和機械強度等性能得到廣大消費市場的青睞。如今電力電子器件主要以第三代化合物半導體(SiC和GaN)器件為主，其開關速度快且具有高頻率、大功率的特點，因而其封裝對散熱和高頻特性有較高的要求。DBC陶瓷基板傳熱性能好、載流能力強、可靠性高，是電力電子器件的主要封裝載體。DBC陶瓷基板是在1 000℃以上的高溫條件下，在含氧的氮氣中加熱，使銅箔和陶瓷基板通過共晶鍵合的方式牢固結合在一起，其鍵合強度高且具有良好的導熱性和熱穩(wěn)定性。
近些年，激光器和LED器件等光電子器件是研究和應用的熱點，其具有尺寸小、電光轉換效率高及使用壽命長等優(yōu)點。然而隨著集成度越來越高，大功率激光器的開發(fā)必然面臨功率密度大、器件散熱不及時從而降低使用壽命的挑戰(zhàn)。電子陶瓷基板以具有導熱性能良好、熱膨脹系數(shù)與器件相匹配的優(yōu)點在光電子器件中廣泛應用。
陶瓷絕緣層材料性能參數(shù)
隨著功率器件、微波器件、光電器件等不斷向著小型化、集成化和多功能化等發(fā)展，為保持良好的信號傳輸和散熱等性能，對陶瓷基板提出了更高的要求。目前Al2O3陶瓷應用最為成熟，雖然其面臨熱膨脹系數(shù)不匹配以及熱導率有限的問題，但是因其性價比高，依然是陶瓷基板中主要的應用材料。
AlN陶瓷熱膨脹系數(shù)與Si器件匹配度高，且熱導率高于Al2O3陶瓷，隨著AlN陶瓷工藝技術的日益成熟，在熱導率要求高的功率器件中逐漸替代Al2O3和BeO陶瓷是一大趨勢；Si3N4陶瓷熱導率適中、熱膨脹系數(shù)小、耐磨損、機械強度高，在大功率、高可靠的電力電子器件中具有廣闊的應用前景。
參考來源：
佟輝等：導熱絕緣材料在電力電子器件封裝中的應用，中國科學院電工研究所
曹家凱：覆銅板用填料發(fā)展趨勢，江蘇聯(lián)瑞新材料股份有限公司
經龍：高導熱金屬基電路基板的設計與實現(xiàn)，杭州電子科技大學
陸琪等: 陶瓷基板研究現(xiàn)狀及新進展，中國電子科技集團公司第十三研究所
（中國粉體網編輯整理/平安）
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