高导热型CEM—3覆铜板的开发与研究

叶致远

摘要： 研究了采用提高聚合物结晶度和填充无机绝缘导热填料的方法，开发出一种具有良好导热性的CEM-3复合基覆铜板。

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.

关键词： CEM-3；导热；覆铜板

Key words： CEM-3；thermal conductive；CCL

中图分类号：TG113.22+3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）32-0169-02

0 引言

随着社会和经济的快速发展，由于过度开发而导致全球面临能源短缺与全球环境剧变的威胁，研究一种新型的具有节能功能的LED光源就成为了二十一世纪的新课题。LED光源需要解决的最大问题是“散热”，目前LED光源主要采用具有导热性能的PCB进行散热，常见的导热型PCB主要为具有导热性的覆铜板制成。

目前商品化的导热覆铜板主要包括铝基覆铜板和导热型CEM-3覆铜板等。铝基覆铜板具有优越的导热性能，但是由于绝缘层很薄的缘故，其电绝缘性能相比导热型CEM-3覆铜板有很大差距，尤其是灯条板线路和板材边缘的距离比较近，电绝缘性能很难保证。而传统的CEM-3覆铜板虽然有很好的电绝缘性能，但是热导率很低，只有0.4W/M·K左右，无法满足LED散热的要求，因此，有必要开发一种既具有良好的导热性，同时又具有良好的电绝缘性的覆铜板。

1 开发重点及开发思路

复合基CEM-3覆铜板板材结构如图1所示。

从图1可以看出，CEM-3覆铜板主要由铜箔、玻纤布、玻纤纸、环氧树脂等构成，其中玻璃纤维和环氧树脂是热的不良导体，热导率分别不到0.1 W/M·K和0.2W/M·K。由上述结构组成的CEM-3覆铜板，其热导率仅有约0.4W/M·K。但是和铝基覆铜板相比， CEM-3覆铜板除了良好的电绝缘性外，还具有良好的机械加工性和低成本、高性价比等优点。因此，在传统CEM-3覆铜板基础上，提高基材的热导率是我们技术开发的重点，其次，具有导热功能的CEM-3应具有与普通CEM-3相同的可靠性和机械加工性。

2 导热机理的探讨

热动力学认为热是一种联系到分子、原子、电子等以及其组成部分的移动、转动和振动的能量，因而物质的导热机理必然与组成物质的微观粒子的运动密切相关。所有物质的热传导，无论其处于何种状态，都是由物质内部微观粒子相互碰撞和传递的结果。CEM-3覆铜板是一种由金属、无机非金属材料和高分子材料构成的复杂材料。除了金属之外，其组成中虽然还有玻璃纤维和环氧树脂两种成分，但是它们已经结合为复合材料。玻璃纤维成分虽然是石英玻璃，但是作为纤维材料已经不再是均匀的连续介质，而是一种多孔性物质，其换热形式有空气导热和纤维导热，其中空气导热是主要的热传导方式。在结构中，环氧树脂替代空气填充了玻璃纤维的空隙，因此，从本质上来看，这种复合材料是一种高分子材料导热，其导热性高低取决于基体环氧树脂的热导率高低。在结构中，环氧树脂与双氰胺固化剂反应形成聚合物，体系处于饱和状态，没有自由电子存在，分子运动困难，热传导主要是晶格振动的结果，声子是主要热能载荷者。由于高分子链的无规缠结、巨大分子量及分子量多分散性，导致聚合物无法形成完整晶体，加之分子链振动加剧了声子的散射，所有因素叠加导致了聚合物热导率很低。因而，普通CEM-3覆铜板导热性很差。

要提高CEM-3覆铜板的热导率，只有从提高环氧聚合物的导热性着手。其方法无外乎两种，一是改良环氧树脂固化结构，改变材料分子和链接结构获得特殊物理结构，通过提高聚合物结晶度来提高热导率；二是在环氧树脂中填充导热绝缘填料，通过物理共混赋予聚合物导热性能。目前，能够改善聚合物结构且性价比较好的材料是联苯类材料，如联苯类环氧树脂、酚醛树脂等；常用的导热绝缘填料主要是一些无机填料，如AlN、Si3N4、BN、Al2O3、MgO、SiC等。

3 实验部分

3.1 主要原材料

3.2 制作步骤

将固化剂与有机溶剂配制成溶液，依次加入环氧树脂、联苯型环氧树脂、填料，最后加入固化促进剂，混合乳化分散6-10小时，制成导热树脂组合物。

①将配制好的导热树脂组合物涂覆在E玻纤纸（7628电子级玻璃纤维布）和玻纤纸上（75g电子级玻璃毡），在150-170℃烤箱中烘烤3-5分钟，制成玻璃布半固化片与玻璃毡半固化片；

②在玻璃毡半固化片的两面各贴敷一张玻璃布半固化片，然后在其中一张玻璃布半固化片上贴敷一张电解铜箔；

③将上述配好的坯料送入真空热压机中，在60-210℃温度、6-80kgf/cm2压力和10mmHg真空度下热压2-3小时，即制成导热型CEM-3覆铜板。

3.3 检测项目及仪器

热导率：ASTM D 5470方法，LW9091IR；

击穿强度：IPC TM650，高压测试仪；

燃烧性：UL94，垂直燃烧；

热应力：IPC TM650，焊锡炉。

4 板材测试结果

板材主要指标检测结果如表1所示。

5 结束语

采用提高聚合物结晶度和填充无机绝缘导热填料并举的方式，制备出了一种高导热的CEM-3覆铜板，热导率达到1.2W/M·K，且燃烧性耐热性良好。

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