TWI890015B

TWI890015B - 導熱基板

Info

Publication number: TWI890015B
Application number: TW111148124A
Authority: TW
Inventors: 羅國彰
Original assignee: 聚燁科技股份有限公司
Priority date: 2022-12-15
Filing date: 2022-12-15
Publication date: 2025-07-11
Also published as: CN118250889A; US12404438B2; TW202426259A; US20240199936A1

Abstract

一種導熱基板，包含上金屬箔、下金屬箔及疊設於其間的導熱層。導熱層包含絕緣基材及導熱填料。絕緣基材包含含氟聚合物。導熱填料包含玻璃纖維散佈於絕緣基材中。玻璃纖維具有第一介電組成分及第二介電組成分。第一介電組成分為鹵素，其中以玻璃纖維的重量為100%計，鹵素佔0.05%以上。第二介電組成分為鈦族元素，其中以玻璃纖維的重量為100%計，鈦族元素佔0.03%以上。

Description

導熱基板

本發明係關於一種導熱基板，特別是關於一種具有低介電常數的導熱基板。

習知典型的導熱基板具有三層結構，即上金屬層、下金屬層及疊設於上金屬層與下金屬層之間的導熱層。上金屬層為銅層，後續可透過圖案化製程做出所需的線路圖案(即佈線)，形成線路層。下金屬層常為鋁板，可在其中快速傳導來自線路層的熱能，並可協助將熱能散逸至外界環境。為避免短路，上金屬層與下金屬層之間須增設一層電性絕緣的導熱層。導熱層也需具備良好的導熱能力，方可將熱能傳導至下金屬層。

近年來，5G通訊技術的發展快速，導熱基板在選擇上有所限制，除了必須考量導熱基板的導熱能力外，亦須考量其是否適用於高頻電路傳輸。而此點高頻應用的特性，其中一個因素取決於導熱層的介電常數。然而，傳統的導熱基板中的導熱層的介電常數過高，會造成訊號的傳播延遲，意即不利於高頻傳輸。更具體而言，關於傳統的導熱基板，導熱層包含絕緣基材及填充料(filler)。絕緣基材常由聚合物所組成，而填充料則散佈於絕緣基材中，用於改善導熱層的物化特性。填充料常以玻璃纖維為主，且此類填充料最廣泛選用的玻璃纖維類型為E玻璃纖維(E-glass)。然而，E玻璃纖維雖具有良好的耐高溫及電絕緣特性，但其介電常數過高，不適用於高頻的需求。

顯然，傳統的導熱基板存在介電常數過高的問題，亟需進一步改善。

本發明提供一種導熱基板，主要改良在於導熱層中的功能性填料(即導熱填料)。導熱填料係以玻璃纖維為主，並在其組成分中導入微量的氟及鈦。透過此種元素組合的調整，導熱層具有低介電常數，使得本發明導熱基板可應用於高頻電路傳輸。

根據本發明之一實施態樣，為一種導熱基板，包含上金屬箔、下金屬箔及導熱層。導熱層為電絕緣體且疊設於上金屬箔與下金屬箔之間。導熱層包含絕緣基材及導熱填料。絕緣基材包含含氟聚合物。導熱填料包含玻璃纖維散佈於絕緣基材中。玻璃纖維具有第一介電組成分及第二介電組成分。第一介電組成分為鹵素，其中以玻璃纖維的重量為100%計，鹵素佔0.05%以上。第二介電組成分為鈦族元素，其中以玻璃纖維的重量為100%計，鈦族元素佔0.03%以上。

根據一些實施例，前述鹵素為氟。

根據一些實施例，前述鈦族元素為鈦。

根據一些實施例，以玻璃纖維的重量為100%計，氟佔0.05%至5%。

根據一些實施例，以玻璃纖維的重量為100%計，鈦佔0.03%至3%。

根據一些實施例，以導熱層的體積為100%計，含氟聚合物佔30%至40%，而玻璃纖維佔60%至70%。

根據一些實施例，導熱層的厚度為0.05 mm至0.35 mm，而玻璃纖維的纖維長度為低於50 μm。

根據一些實施例，導熱層的介電常數為3.7至3.8。

根據一些實施例，導熱填料更包含矽酸鹽類化合物。矽酸鹽類化合物選自由鋁硼矽酸鹽、石英、長石、電氣石、雲母、氟金雲母、高嶺土、矽酸鈦、矽酸鋯、矽酸鉿、空心玻璃球及其任意組合所組成的群組。

根據一些實施例，以導熱層的體積為100%計，絕緣基材佔50%至60%，而導熱填料佔40%至50%。

根據一些實施例，以導熱層的體積為100%計，導熱填料中的玻璃纖維佔30%至40%，而矽酸鹽類化合物佔10%。

根據一些實施例，導熱層的厚度為0.05 mm至0.35 mm，而玻璃纖維的纖維長度及該矽酸鹽類化合物的粒徑皆低於50 μm。

根據一些實施例，導熱層的介電常數為3至3.3。

根據一些實施例，含氟聚合物選自由聚四氟乙烯、全氟烴氧改質四氟乙烯、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物及其任意組合所組成的群組。

根據一些實施例，上金屬箔及下金屬箔為銅箔。

根據一些實施例，各銅箔的厚度為0.5盎司至2盎司。

為讓本發明之上述和其他技術內容、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出相關實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

請參照圖1，顯示本發明一實施態樣的導熱基板100。導熱基板100包含上金屬箔10、下金屬箔12及導熱層11。導熱層11為電絕緣體且疊設於上金屬箔10與下金屬箔12之間。在一實施例中，上金屬箔10及下金屬箔12可為含銅的金屬層，或者上金屬箔10及下金屬箔12可為含其他金屬或任何金屬合金的金屬層，厚度為0.5盎司至2盎司。上金屬箔10、下金屬箔12及導熱層11可透過熱壓合的方式疊置而形成具有三層結構的導熱基板100。透過導熱層11的設置，上金屬箔10與下金屬箔12彼此電性隔離，故後續可將上金屬箔10及/或下金屬箔12透過圖案化製程形成線路層，並將各種電子元件焊接或組裝至線路層。除了線路層本身的導熱特性外，導熱層11亦需具備極佳的導熱和散熱能力，如此才得以將電子元件所產生的熱能迅速傳遞至金屬層體進行散熱。導熱層11包含絕緣基材及導熱填料。絕緣基材包含含氟聚合物。在一實施例中，含氟聚合物選自由聚四氟乙烯、全氟烴氧改質四氟乙烯、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物及其任意組合所組成的群組。導熱填料包含玻璃纖維11a散佈於絕緣基材中。如圖1所示，複數個玻璃纖維11a為導熱層11的導熱填料，而除了此些玻璃纖維11a外的空白處即為絕緣基材。應理解的是，前述玻璃纖維11a僅供示意，其數量及型態不以此為限。另外，除了此些玻璃纖維11a外的空白處，更可進一步包含其他導熱填料。

須特別注意到，本發明所製成的玻璃纖維11a含有特定比例的兩種元素組成，使得導熱層11進一步具有低介電常數。更詳細而言，玻璃纖維11a具有第一介電組成分及第二介電組成分。第一介電組成分為鹵素，如氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)、碘(I)或砈(At)。並且，以玻璃纖維11a的重量為100%計，鹵素佔0.05%以上。第二介電組成分為鈦族元素，如鈦(Ti)、鋯(Zr)、鉿(Hf)或鑪(Rf)。並且，以玻璃纖維11a的重量為100%計，鈦族元素佔0.03%以上。另須說明的是，前述鈦族元素即為元素週期表上的4族(IVB族)元素，且此類元素均為過渡元素。

舉例而言，第一介電組成分的鹵素為氟，而第二介電組成分的鈦族元素為鈦。以玻璃纖維11a的重量為100%計，氟的重量百分比落於0.05%至5%的範圍間，而鈦的重量百分比落於0.03%至3%的範圍間。應注意到的是，無論是氟或鈦，僅需微量即可大為降低導熱層11的介電常數。兩者的含量過高反而會造成導熱層11的介電常數的上升。除了前述介電常數會上升的不利因素外，氟及鈦過量尚有其他影響。就氟而言，若其含量過高，意味著於製程中會使用過多含氟的有機溶劑。這些含氟的有機溶劑不僅對環境不友善，也可能對人體造成毒害。至於鈦，若其含量過高，在高溫製程中會有多餘的鈦與其他元素形成高介電常數的礦物結晶，例如鈣鈦礦(perovskite)。前述其他元素包含碳(C)、氧(O)、鎂(Mg)、鋁(Al)、矽(Si)及鈣(Ca)。而鈣鈦礦可為例如鈦酸鈣(CaTiO ₃)。應知道的是，在頻率為10 GHz時，鈦酸鈣的介電常數約落在150至190間的範圍。有鑑於此，為避免上述不良情形發生，在較佳實施例中係將氟的含量範圍調降為0.05%至1.1%，而鈦的含量範圍則調降為0.03%至0.8%。

在導熱層11中，為了有效改善介電常數同時保持良好的導熱特性，導熱填料中的玻璃纖維11a所佔的含量會超過一半。例如，導熱層11中的絕緣基材係由含氟聚合物所組成，而導熱填料則由玻璃纖維11a所組成。以導熱層11的體積為100%計，含氟聚合物佔30%至40%，而玻璃纖維佔60%至70%。此外，導熱填料僅由單一成分所組成，亦有利於配方的簡化。應理解到，導熱填料的組成成分為兩種以上時，便須考量各成分彼此之間的相容性，及各成分與絕緣基材的相容性。為了因應快速變遷的產業需求，配方常有改良的可能。每多增加一種成分，未來改良時的複雜度會更為驟增。在本發明中，導熱層11具有前述單一配方的導熱填料，介電常數可調整為3.8以下，例如3.7至3.8之間。

此外，導熱層11的厚度T為約0.05 mm至0.35 mm，例如0.05 mm、0.075 mm、0.1 mm、0.125 mm、0.15 mm、0.175 mm、0.2 mm、0.225 mm、0.25 mm、0.275 mm、0.3 mm、0.325 mm或0.35 mm。考量導熱層11的機械特性，玻璃纖維11a的纖維長度L較佳為低於導熱層11的厚度T，例如：低於50 μm (即0.05 mm)。若玻璃纖維11a的纖維長度L大於導熱層11的厚度T，會導致許多玻璃纖維11a的兩端抵住導熱層11的上下表面。在這種情況下，額外施予應力於導熱基板100時，容易造成玻璃纖維11a斷裂或刺穿導熱層11的上下表面，使得導熱層11的原有結構遭受破壞。前述原有結構遭受破壞會導致數種不良的電氣特性，例如：耐電壓能力不足，以致於無法通過高溫高濕偏壓試驗(High Temperature High Humidity Bias Test，HHBT)。再者，玻璃纖維11a的纖維長度L低於導熱層11的厚度T，意味著單一玻璃纖維11a的兩端不會卡到導熱層11的上下表面。如此，玻璃纖維11a可以較均勻地散佈於導熱層11之中。

請參照圖2，顯示本發明另一實施態樣的導熱基板200。圖2與圖1差別在於，圖2的導熱基板200的導熱填料為兩種以上(即玻璃纖維11a及矽酸鹽類化合物11b)。圖2中，上金屬箔10、下金屬箔12、導熱層11的厚度T、導熱層11的絕緣基材及導熱層11的玻璃纖維11a皆與圖1相同，在此不多做贊述。

如前述所提，導熱填料僅由單一成分所組成，有利於配方的簡化。但為進一步改善介電常數，導熱填料仍可包含複數種組成物。在導熱基板200的導熱層11中，導熱填料更包含矽酸鹽類化合物11b。矽酸鹽類化合物11b選自由鋁硼矽酸鹽、石英、長石、電氣石、雲母、氟金雲母、高嶺土、矽酸鈦、矽酸鋯、矽酸鉿、空心玻璃球及其任意組合所組成的群組。考量前述導熱填料與絕緣基材的相容性，兩者的比例亦有所調整。以導熱層11的體積為100%計，絕緣基材佔50%至60%，而導熱填料佔40%至50%。更進一步而言，以導熱層11的體積為100%計，前述導熱填料中的玻璃纖維11a佔30%至40%，而矽酸鹽類化合物11b佔10%。在一實施例中，矽酸鹽類化合物11b更可替換為其他功能性填料，例如：其他具有低介電常數的玻璃纖維。

另外，在本實施例中，如同前述玻璃纖維11a的纖維長度L，矽酸鹽類化合物11b的粒徑D較佳亦低於50 μm。應注意的是，圖2中的矽酸鹽類化合物11b雖繪示為球狀，但其形狀亦可為類球狀、破碎狀、片狀或任何不規則形狀。據此，導熱層11具有前述至少兩種組成的導熱填料，介電常數可調整為3.3以下，例如3至3.3之間。

為進一步驗證本發明的導熱基板100及導熱基板200的性能，遂進行各種測試並將結果彙整於下表一至表三。

表一

成分元素	玻璃纖維1	玻璃纖維2
重量百分比 (wt%)	原子百分比 (at%)	重量百分比 (wt%)	原子百分比 (at%)
C	16.60	24.13	33.86	43.94
O	51.90	56.64	45.96	44.78
F	-	-	1.09	0.89
Mg	0.87	0.62	1.21	0.77
Al	6.49	4.20	3.51	2.03
Si	20.88	12.98	12.26	6.80
Ca	3.27	1.43	1.49	0.58
Ti	-	-	0.63	0.21

如表一，顯示兩種玻璃纖維(玻璃纖維1及玻璃纖維2)的元素組成。玻璃纖維1即為傳統所採用的E玻璃纖維(E-glass)，而玻璃纖維2則為本發明所採用的玻璃纖維。玻璃纖維1與玻璃纖維2主要差異在於元素的種類。相較於玻璃纖維1，玻璃纖維2更包含氟(F)及鈦(Ti)。以玻璃纖維1的重量為100%計，氟(F)及鈦(Ti)分別佔1.09%及0.63%。應理解的是，前述兩者元素可根據實際應用需求來適度進行調整，而仍保有相同的功效。氟(F)的比例範圍為約0.05%至5%，而鈦(Ti) 的比例範圍為約0.03%至3%。惟如前述所提，氟(F)及鈦(Ti)僅是用於調整介電常數的微量元素。在相同的含量變化程度下，微量元素所造成的影響會比主要元素來得大。考量低介電常數的再現性，氟(F)的比例宜控制在0.05%至1.1%的範圍間，而鈦(Ti) 的比例宜控制在0.03%至0.8%的範圍間。

根據上述，本發明採用玻璃纖維1及玻璃纖維2配製為不同的導熱填料進行比較，請繼續參照下表二。

表二

組別	絕緣基材	導熱填料	導熱層厚度 (mm)	銅箔厚度 (oz)
玻璃纖維	矽酸鹽類化合物
E1	35% PTFE	65% 玻璃纖維2		0.075	1
E2	35% PTFE	65% 玻璃纖維2		0.175	2
E3	35% PTFE	65% 玻璃纖維2		0.300	2
E4	50% PFA	40% 玻璃纖維2	10% SiO ₂	0.075	1
E5	60% PTFE	30% 玻璃纖維2	10% 雲母粉	0.300	0.5
C1	35% PTFE	65% 玻璃纖維1		0.075	1
C2	35% PTFE	65% 玻璃纖維1		0.175	2
C3	35% PTFE	65% 玻璃纖維1		0.300	2
C4	50% PFA	40% 玻璃纖維1	10% SiO ₂	0.075	1
C5	60% PTFE	30% 玻璃纖維1	10% 雲母粉	0.300	0.5

如表二所示，組別E1至E5即為本發明的實施例，而組別C1至C5則是比較例。導熱層11由絕緣基材及導熱填料所組成，其比例以體積百分比表示。在實施例E1至E3中，絕緣基材皆由聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)所組成，而導熱填料僅含玻璃纖維2。並且，為了驗證導熱層11在不同厚度都能具有相同功效，其厚度為0.075 mm至0.3 mm。

在實施例E4及E5中，導熱填料進一步包含第二種組成，即矽酸鹽類化合物。實施例E4所採用的矽酸鹽類化合物為二氧化矽(SiO ₂)，而實施例E5所採用的矽酸鹽類化合物則為雲母粉。矽酸鹽類化合物在導熱填料中為次要成分，用於微調導熱層11的介電特性。另須注意的是，實施例E4的絕緣基材亦有所調整，改採另一種含氟化合物，即全氟烴氧改質四氟乙烯(perfluoroalkoxy modified tetrafluoroethylene，PFA)。此外，有鑑於導熱填料的組成不同，絕緣基材的比例相應調整為50%至60%。

至於比較例C1至C5，可各別對應至實施例E1至E5，差別僅在於導熱填料中所採用的玻璃纖維不同。根據表二的配方組成，實施例及比較例的製作方式相同，其包含三個步驟，即混料步驟、壓片步驟及壓合步驟。

在混料步驟中，將含氟聚合物的乳液、導熱填料與水攪拌60分鐘，形成導熱漿料。

在壓片步驟中，導熱漿料經烘乾後壓製為片材。更具體而言，導熱漿料置於110℃的環境中烘乾24小時後，再混入大豆蠟作為潤滑之用。接著，將烘乾後的導熱漿料以擠壓出片(extrusion)的方式於100℃壓製為片材，再用環己酮清洗片材。前述擠壓出片的方式亦可改採輪壓出片(calendering)的方式。需特別提及的是，本發明的導熱填料分散性佳，且成型容易，故實際上亦可於低溫(40℃ - 80℃)下進行壓片。

在壓合步驟中，將前述片材疊設於兩銅箔之間，形成導熱基板。更具體而言，片材的上方及下方各疊設一層銅箔，形成堆疊層體。隨後，透過熱壓機，將此堆疊層體於380℃的溫度下熱壓50分鐘後置於室溫冷卻。最後，將壓合後的堆疊層體進行裁切，即形成複數個本發明的導熱基板。各組別取15個樣本，進行介電常數(於10 GHz的頻率下)及導熱率的量測，該15個樣本經量測後計算得到的平均值如下表三。

表三

組別	E1	E2	E3	E4	E5	C1	C2	C3	C4	C5
介電常數(Dk)	3.8	3.7	3.8	3.3	3.0	5.1	5.1	5.0	4.1	3.6
導熱率(W/mK)	0.6	0.5	0.5	0.3	0.2	0.5	0.5	0.5	0.3	0.1

實施例E1至E3的介電常數為3.7至3.8，而比較例C1至C3的介電常數為5至5.1。前述實施例及比較例中的導熱填料皆由單一玻纖纖維所組成，可知本發明僅單純將傳統的玻璃纖維1替換為玻璃纖維2即可有效地將介電常數從5調降為4以下。並且，在不同的導熱層11厚度之下，實施例E1至E3的介電常數並無太大的落差。也就是說，本發明可應用於薄型或厚片的導熱層11。此外，實施例E1至E3與比較例C1至C3的導熱率大致上相等，意味著本發明不會因為導熱填料的改變而減損導熱能力。事實上，前述所提的導熱能力不但未有減損，而於實施例E1更有所改善。實施例E1的導熱率為0.6 W/mK，而比較例C1的導熱率為0.5 W/mK。由此可知，實施例E1不僅具有較低的介電常數，同時具有較佳的導熱能力。

實施例E4至E5的介電常數為3至3.3，而比較例C4至C5的介電常數為3.6至4.1。前述實施例及比較例中的導熱填料除了玻璃纖維外，更包含矽酸鹽類化合物。由上方結果可知，將玻璃纖維搭配矽酸鹽類化合物可進一步降低導熱層11的介電常數。玻璃纖維2搭配二氧化矽(SiO ₂)或雲母粉的組合，皆優於玻璃纖維1搭配二氧化矽(SiO ₂)或雲母粉的組合。並且，在實施例E4之中，即使絕緣基材替換為另一種含氟聚合物(即PFA)，仍可降低導熱層11的介電常數，保有相同的技術效果。同樣地，在不同的導熱層11厚度之下，實施例E4至E5的介電常數並無太大的落差，此種導熱填料的組合亦可應用於薄型或厚片的導熱層11。實施例E4至E5與比較例C4至C5的導熱率大致上相等，意味著本發明不會因為導熱填料的改變而減損導熱能力。

綜上所述，本發明改良傳統導熱基板中的導熱層以玻璃纖維為主的導熱填料，提供一種具有低介電常數的導熱基板。在本發明的導熱填料中，玻璃纖維的組成分導入微量的氟及鈦。透過此種元素組合的調整，導熱層具有低介電常數，使得本發明導熱基板可應用於高頻電路傳輸。

本發明之技術內容及技術特點已揭示如上，然而本領域具有通常知識之技術人士仍可能基於本發明之教示及揭示而作種種不背離本發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。

10:上金屬箔 11:導熱層 11a:玻璃纖維 11b:矽酸鹽類化合物 12:下金屬箔 100、200:導熱基板 D:粒徑 L:長度 T:厚度

圖1顯示本發明一實施態樣之導熱基板的剖面結構示意圖；以及圖2顯示本發明另一實施態樣之導熱基板的剖面結構示意圖。

10:上金屬箔

11:導熱層

11a:玻璃纖維

12:下金屬箔

100:導熱基板

L:長度

T:厚

Claims

一種導熱基板，包含：一上金屬箔；一下金屬箔；以及一導熱層，為電絕緣體且疊設於該上金屬箔與該下金屬箔之間，其中該導熱層的厚度為0.05mm至0.35mm，而介電常數為3至3.8，並包含：一絕緣基材，包含一含氟聚合物；以及一導熱填料，包含一玻璃纖維散佈於該絕緣基材中，其中以該導熱層的體積為100%計，該含氟聚合物佔35%至60%，而該玻璃纖維佔30%至65%，其中該玻璃纖維包含碳、氧、鎂、鋁、矽及鈣，更具有：一第一介電組成分，為氟，其中以該玻璃纖維的重量為100%計，氟佔0.05%至1.1%；以及一第二介電組成分，為鈦，其中以該玻璃纖維的重量為100%計，鈦佔0.03%至0.8%。
根據請求項1之導熱基板，其中以該導熱層的體積為100%計，該含氟聚合物佔35%至40%，而該玻璃纖維佔60%至70%。
根據請求項2之導熱基板，其中該玻璃纖維的纖維長度為低於50μm。
根據請求項3之導熱基板，其中該導熱層的介電常數為3.7至3.8。
根據請求項1之導熱基板，其中該導熱填料更包含一矽酸鹽類化合物，該矽酸鹽類化合物選自由鋁硼矽酸鹽、石英、長石、電氣石、雲母、氟金雲母、高嶺土、矽酸鈦、矽酸鋯、矽酸鉿、空心玻璃球及其任意組合所組成的群組。
根據請求項5之導熱基板，其中以該導熱層的體積為100%計，該絕緣基材佔50%至60%，而該導熱填料佔40%至50%。
根據請求項6之導熱基板，其中以該導熱層的體積為100%計，該導熱填料中的該玻璃纖維佔30%至40%，而該矽酸鹽類化合物佔10%。
根據請求項7之導熱基板，其中該導熱層的厚度為0.05mm至0.35mm，而該玻璃纖維的纖維長度及該矽酸鹽類化合物的粒徑皆低於50μm。
根據請求項8之導熱基板，其中該導熱層的介電常數為3至3.3。
根據請求項1之導熱基板，其中該含氟聚合物選自由聚四氟乙烯、全氟烴氧改質四氟乙烯、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物及其任意組合所組成的群組。
根據請求項1之導熱基板，其中該上金屬箔及該下金屬箔為銅箔。
根據請求項11之導熱基板，其中各該銅箔的厚度為0.5盎司至2盎司。