環(huán)保型散熱介電絕緣材料技術(shù)
隨著電子系統(tǒng)朝輕薄短小、多功能化、高密度化、高可靠性、低成本及提升電氣的特性等高功率方向發(fā)展，如何散熱以維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)作將變得越來(lái)越重要。其中散熱介電絕緣材料在熱管理設(shè)計(jì)中扮演非常關(guān)鍵的角色。為了將廢熱從組件、電源或IC中移出，如何在組件及IC間增加熱傳遞效率，介電絕緣材料之導(dǎo)熱和熱阻抗特性將扮演重要角色。本文針對(duì)散熱介電絕緣材料的現(xiàn)況、未來(lái)發(fā)展需求，以及2009 JPCA Show環(huán)保型散熱介電絕緣材料相關(guān)信息作一簡(jiǎn)單介紹。
前言
系統(tǒng)模塊化構(gòu)裝(System in Package; SiP)技術(shù)正是快速滿(mǎn)足上述終端產(chǎn)品的需求，且具最佳經(jīng)濟(jì)效益的解決方案， SiP 技術(shù)主要是運(yùn)用電子構(gòu)裝技術(shù)，結(jié)合3D 構(gòu)裝設(shè)計(jì)與制程、功能性基板制程與材料，以及相關(guān)構(gòu)裝制程與介電材料等關(guān)鍵構(gòu)裝技術(shù)，將主動(dòng)組件如內(nèi)存芯片或邏輯運(yùn)算芯片，與各種分散組件及被動(dòng)組件，如電阻、電容、電感、濾波器等內(nèi)藏化于功能性基板中而形成一系統(tǒng)構(gòu)裝模塊，甚至可結(jié)合光通訊組件形成整合型光基板。系統(tǒng)模塊化構(gòu)裝技術(shù)已逐漸受到半導(dǎo)體構(gòu)裝業(yè)者及系統(tǒng)業(yè)者的重視，成為新世代構(gòu)裝技術(shù)的主流。
當(dāng)SiP 技術(shù)應(yīng)用于3C 產(chǎn)品，如計(jì)算機(jī)（DT PC 、NB PC 及Server 等）、游戲機(jī)、DVD 錄/ 放影機(jī)、電漿顯示器(PDP)、LED模塊等，其散熱議題已成為產(chǎn)品在設(shè)計(jì)制造上重要的技術(shù)課題，一般散熱材料之組成及應(yīng)用如圖一所示。
圖一、散熱材料之應(yīng)用及組成
散熱基板的技術(shù)發(fā)展
將組件產(chǎn)生的熱散逸以維持運(yùn)作及功能穩(wěn)定是高散熱基板主要的功用，一般常用的材料大約分為有機(jī)基板、金屬基板、陶瓷基板等三種。目前在高散熱基板市場(chǎng)中發(fā)展最快速及最受矚目的領(lǐng)域，當(dāng)以L(fǎng)ED 的應(yīng)用最為大家所期待。
根據(jù)JMS 推測(cè)， LED 未來(lái)市場(chǎng)規(guī)模如圖二所示。傳統(tǒng)LED 由于發(fā)熱量不大，散熱問(wèn)題不嚴(yán)重，因此只要運(yùn)用一般電子用的FR-4 印刷電路板即足以應(yīng)付，可以是單層設(shè)計(jì)，也可以是多層銅箔電路設(shè)計(jì)。此種FR-4 印刷電路基板的熱傳導(dǎo)率約0.36 W/m?K 。隨著高功率LED 的盛行，印刷電路板已無(wú)法滿(mǎn)足散熱需求，因此需再將印刷電路板貼附在一金屬板上（鋁基板為主），即所謂的Metal Core PCB (MCPCB)，以改善其傳熱路徑。
目前高功率、高瓦數(shù)基板大多采用此種含有金屬基板的MCPCB 。另一種做法系直接在鋁基板表面作絕緣層(Insulated Layer)或稱(chēng)介電層(Dielectric Layer)，接著在介電層表面做電路層，如此LED 模塊即可直接Wire Bonding 在電路層上。同時(shí)為避免因介電層的導(dǎo)熱性不佳而增加熱阻抗，有時(shí)會(huì)采取穿孔方式(Through Hole)，以便LED 模塊底端的Heat Slug 直接接觸到金屬基板。目前在Metal Core PCB 中，其金屬基板大多使用鋁基板，不論含玻璃纖維的樹(shù)脂復(fù)合絕緣材料或不含玻璃纖維的樹(shù)脂絕緣層材料，在與鋁金屬基板熱壓合之前，鋁金屬基板必須作表面處理（一般為陽(yáng)極表面處理），此與銅金屬基板表面處理有很大差異。鋁金屬基板材料則依據(jù)鋁及其它金屬成份所形成之硬度、熱傳導(dǎo)系數(shù)、質(zhì)量、成本等考慮作為產(chǎn)品及應(yīng)用層面之選擇。一般來(lái)說(shuō)， MCPCB 價(jià)格介于中、高價(jià)位
環(huán)保型散熱介電絕緣材料及應(yīng)用
相較于以往對(duì)于散熱材料商品發(fā)表的不普及， 2009 JPCA Show 在散熱用介電絕緣材料的相關(guān)產(chǎn)品上就多有著墨，尤其在有機(jī)散熱基板材料的發(fā)表。此外，開(kāi)發(fā)同時(shí)滿(mǎn)足「無(wú)鉛制程」及「無(wú)鹵基板材料」的綠色環(huán)保趨勢(shì)，已是2009 年JPCA Show 基本必備的條件，廠(chǎng)商已經(jīng)不再特別強(qiáng)調(diào)此方面，因?yàn)楫a(chǎn)品發(fā)表就是必須符合環(huán)保綠色規(guī)范。2009 年JPCA Show 所介紹環(huán)保型散熱介電絕緣材料商品由表二可知，目前在有機(jī)散熱基板材料方面，因必須用玻璃纖維含浸樹(shù)脂，受限于含浸制程及玻璃纖維低熱傳導(dǎo)率，因此目前開(kāi)發(fā)的商品其熱傳導(dǎo)率約為0.7~1.3 W/m?K ，是傳統(tǒng) FR-4板的2~4 倍。而在不含玻璃纖維的散熱介電絕緣材料方面，則可以有較高的熱傳導(dǎo)率，Hitachi Chemical 新開(kāi)發(fā)的熱傳導(dǎo)率可高達(dá)5~10 W/m?K 。而在非有機(jī)樹(shù)脂的Graphite Sheet 方面， XY 軸方向的熱傳導(dǎo)率可高達(dá)1,200 W/m?K左右， Z 軸方向則在4~6 W/m?K左右。由此可知，開(kāi)發(fā)符合環(huán)保需求及具備高散熱特性的有機(jī)基板材料，仍為業(yè)者戮力開(kāi)發(fā)的目標(biāo)。
工研院材化所為因應(yīng)全球綠色環(huán)保風(fēng)潮趨勢(shì)與市場(chǎng)商機(jī)策略考慮，所開(kāi)發(fā)的散熱絕緣有機(jī)基板材料，乃是利用反應(yīng)型PI 寡聚合物改質(zhì)馬來(lái)亞酰胺樹(shù)脂，此樹(shù)脂展現(xiàn)特有的韌性及高熱穩(wěn)定性，在不需添加任何含鹵素或含磷的難燃劑，以及無(wú)機(jī)添加劑的情形下，即可通過(guò)UL-94 V0 的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，且擁有極佳的機(jī)械性質(zhì)與熱性質(zhì)。此外，價(jià)格上也比傳統(tǒng)BMI 樹(shù)脂便宜很多。最后再利用.