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热、电兼容组装与石墨导热材料

发表于: 2018-05-03 16:22:29 文章来源:青岛晨阳石墨有限公司

  
  现今使用得最多的是铝金属-绝缘基板亦称铝基覆铜板。石墨的熔点为3850±50℃,沸点为4250℃,即使经超高温电弧灼烧,重量的损失很小,热膨胀系数也很小。氧化铍虽然导热性能很好,但由于加工过程其粉末有剧毒,现已很少采用。石墨导热材料有广泛的用途,需要材料开发商与应用者加强互动开展应用开发。另一途径是采用热的良导体作为基板,此时基板既是散热器又是一个印制电路板。要解决散热问题首先要选择热导性能良好的基材。

  石墨类导热材料石墨是碳质元素结晶矿物。石墨由于其特殊结构,而具有如下特殊性质:石墨导电,其导电性比一般非金属矿高一百倍。目前应用很广的功率照明器件LED,直接用芯片组装的比例很高,要求基板(座)不仅导热性能优越,还需满足电气互连和组装的要求,即如前述的对热、电兼容组装基板的要求。新型功率元器件的出现,和产品日趋微小型化,使一些产品散热问题的凸现出来,为提高产品可靠性,因而在设计和组装制造中必须同时考虑热耗散和电气互连的问题。使用时采用类似于PCB的加工艺进行选择布线,现已广泛地用于各类功率模块中。如利用热传导导热的散热器(Heatsink)和小型风扇(对流散热)等。二是金属类材料,一般来说热的良导体也是电的良导体,铝(热导率238W/(m·K))、铜(热导率397-407W/(m·K))、不锈钢等都已在不同的产品中用做电路基板的材料。如上海铎程碳素有限公司多年来不仅开发出了纯石墨的高导热材料还开发了多种石墨与金属复合的导热材料。一般电子产品的板级组装中,主要解决的是元器件、部件的定位、安放和电气互连以及与之相关的质量和生产效率等问题。以上所述的二类基材由于解决了热、电组装制造兼容的问题,因而在相应的产品中得到应用,例如:氮化铝基板用于大功率厚膜电路,将导体、电阻浆料通过印刷、烧结工艺淀积在基板上,形成互连导体、焊盘和电阻,可以组装元器件,发热元器件通过基板传导散热;而作为导体的金属基材必须加工成板材,并制造成所谓金属-绝缘基板(IMS)才能作为可供热、电兼容组装的基板使用。

  要解决功率元器件的散热问题,常用的方法有两种:一是采用常规基板组装元器件,仅在发热器件上或周围装散热装置,它的作用仅是散热。石墨能够导电是因为石墨中每个碳原子与其他碳原子只形成3个共价键,每个碳原子仍然保留1个自由电子来传输电荷。需要解决的是如何有效地散热。一般都用经处理的金属材料,如:铝金属易加工,可制成的各种散热器,一般用于常规功率器件;而铜块,常作为芯片类器件的散热器,铜块表面必须进行必要的工艺处理使之能与基板与芯片保持良好连接。热、电兼容组装采用表面组装技术和芯片键合和丝键合(Diebonding&Wirebonding)技术进行组装时,对焊盘和键合点(区)的要求是不同的,前者使用焊料,要求焊盘具有可焊性;而后者直接与导体键合,要求键合点(区)满足芯片键合和丝键合的要求。

  组装在基板上的发热元件通过向基板热传导方式散热,而基板又同时能满足其它元件的组装和导体互连的要求。要根据所组装发热元器件的类型进行选择以满足下列热、电兼容组装的要求:l合适的导热体l热源与导热体的热连接l发热元器件(热源)与其它元器件的电连接l工艺制造的技术和经济可行性。此外石墨还具有良好的润滑性、化学稳定性、可塑性和抗热震性等优异特性。现已在产品中使用的材料有二类:一是热导率高而电绝缘的材料,有陶瓷类的氮化铝(热导率可达260W/(m·K))和氧化铍基板等。石墨及其复合材料的导热性能虽然非常好,但还必须同步地进行应用开发以获得更广阔的市场。因此当开发出一种性能优异的导热材料,到制成可供应用的热、电兼容组装的基板(座)尚需做许多工作。散热器需要解决的是如何与发热元器件连接和防止引起短路。而用于厚膜平面加热器中的金属绝缘基板则是以不锈钢等金属为基材,采用厚膜工艺在基材表面形成绝缘层,功率电阻体和导体引出端。导热性超过钢、铁、铅等金属材料,现今国内研发、生产的石墨导热材料其热导率已超过铝,达到铜的导热性能,石墨在不同方向的导热性能也有差异。金属-绝缘基板的制造中绝缘层和互连导体、焊盘所构成的组装层也十分重要,没有这两层无法进行组装和互连,而绝缘层既要保证电路的绝缘要求,同时又必须尽可能减少热阻。绝缘层和导体层的制造都涉及到许多工艺技术,除了上述铝阳极氧化、厚膜印刷烧结技术、覆铜箔技术外,还有化学气相淀积、溅射、电镀等技术。金属-绝缘基板由金属层、绝缘层和导体互连组装层组成。

  众所周知,电子组装和封装(Assembly&Package)技术是电子产品制造中不可或缺的技术。将冰分别放在铝板和石墨导热板上,可以明显地看到石墨板上冰熔化的速度远快于铝板上的冰。石墨耐高温。近年来国内外都在致力于将石墨开发为散热器及热、电兼容组装基板(座)。石墨强度随温度提高而加强,在2000℃时,石墨强度提高一倍,且石墨的重量要比金属轻得多。表面组装技术(SMT)的出现推进了产品小型化的进程。这是以铝为基材,经阳极氧化在铝表面生成绝缘的氧化铝层,然后再覆铜。我国有丰富的石墨资源,加快石墨及其相关导热材料、散热器、基板的研发和生产,满足热、电兼容组装的要求,必将赢得新的市场机遇。以往石墨由于导电性能好、宜加工、成本低、耐高温及不易变形等特点已取代了铜作为电极材料。

  如:一些功率部件和模块及大功率LED的热、电兼容的组装问题等。

  所谓热、电兼容组装技术,即是要同时解决功率元器件的热耗散和电连接的问题。