TWI890140B

TWI890140B - 導熱基板

Info

Publication number: TWI890140B
Application number: TW112135446A
Authority: TW
Inventors: 羅凱威; 林承毅; 陳冠宇
Original assignee: 聚燁科技股份有限公司
Priority date: 2023-09-18
Filing date: 2023-09-18
Publication date: 2025-07-11
Also published as: TW202513300A; CN119697862A; US20250098116A1

Abstract

一種導熱基板，包含上金屬層、下金屬層及疊設於上金屬層及下金屬層之間的電性絕緣導熱層。電性絕緣導熱層包含聚合物基材及散佈於聚合物基材中的導熱填料。聚合物基材包含環氧樹脂組成物，其係由環氧樹脂及含氯不純物所組成。此外，電性絕緣導熱層中的含氯不純物的氯含量為低於300 ppm。

Description

導熱基板

本發明係關於一種導熱基板，特別是一種具有高耐候性的導熱基板。

為生產具有特定功能的電子裝置，會將電子裝置中的數種電子元件組裝至載板上。此載板做為承載用的載體，可固定這些電子元件並使其與外部電源電性連接。然而，這些電子元件於運作時會產生熱能，過多的熱累積將影響電子裝置的正常運作。為了解決散熱的問題，傳統上大致有兩種方式：其一，在載板之外額外增設散熱元件，如散熱片、風扇、散熱膏或其他載板以外的散熱元件；其二，直接對載板的散熱特性進行改良，即製作為具有良好導熱特性的導熱基板。

以前述第二種方式來說，在形成線路層之前，導熱基板最基本的結構係由兩層金屬層及疊設於其間的導熱層所組成。上金屬層可用於形成線路層，下金屬層可作為導熱基板的底材且發揮使熱能向下方外界環境散逸的功效，而導熱層為具有良好導熱能力及低熱膨脹係數的電絕緣層。傳統上，導熱層係由樹脂及導熱粉體所組成。而改良導熱層的方向，普遍皆致力於樹脂及導熱粉體的種類選擇上，嘗試獲得(一或多種)樹脂及(一或多種)導熱粉體的最佳組合。然而，此種方式在配方設計上有複雜度高的問題。舉例來說，每改變一種組成物(樹脂或導熱粉體)的種類，就必須考量到該種組成物與其他組成物的相容性及其與金屬層的界面問題。即便相容性及界面問題解決，又必須考量配製上的最佳比例。若樹脂(或導熱粉體)的種類多於一種時，前述的複雜度將顯著提升。更遑論於樹脂及導熱粉體之外，時常會再混入其他添加物。此外，電子產品的種類日趨多元，其所應用的環境複雜度也隨之提升。為此，導熱基板於嚴苛環境下的表現也需有所提升。例如，傳統上，導熱基板於高溫高濕偏壓試驗(High Temperature High Humidity Bias Test，HHBT)中常有銅離子遷移的現象。此種現象會降低導熱層的電絕緣性，連帶影響導熱基板的耐電壓及其他物化特性。

顯然，傳統的導熱基板於配方設計及耐候性上的問題亟需改善。

本發明提供一種導熱基板。導熱基板為疊層結構，具有上金屬層、下金屬層及疊設於上金屬層及下金屬層之間的電性絕緣導熱層。電性絕緣導熱層包含聚合物基材及導熱填料，故具有良好的絕緣能力及極佳的導熱能力。在本發明中，聚合物基材主要成分為環氧樹脂組成物。藉由精確調控環氧樹脂組成物中的氯含量，導熱基板得以具有極佳的耐候性。

根據本發明之一實施態樣，一種導熱基板，包含上金屬層、下金屬層及疊設於上金屬層及下金屬層之間的電性絕緣導熱層。電性絕緣導熱層包含聚合物基材及散佈於聚合物基材中之導熱填料。聚合物基材包含環氧樹脂組成物，而環氧樹脂組成物由環氧樹脂及含氯不純物所組成，其中環氧樹脂係以環氧氯丙烷及二元酚為原料所合成的主產物，而含氯不純物則為環氧氯丙烷及二元酚於合成環氧樹脂的過程中所產生的副產物及殘留的環氧氯丙烷。此外，電性絕緣導熱層中的含氯不純物的氯含量為低於300 ppm。

根據一些實施例，電性絕緣導熱層的含氯不純物的氯含量為介於80 ppm與260 ppm之間。

根據一些實施例，電性絕緣導熱層的含氯不純物的氯含量為介於80 ppm與90 ppm之間。

根據一些實施例，以電性絕緣導熱層之重量為100%計，環氧樹脂組成物所佔的重量百分比為10%至40%，而導熱填料所佔的重量百分比為60%至90%。

根據一些實施例，以電性絕緣導熱層之重量為100%計，環氧樹脂組成物所佔的重量百分比為30%至40%，而導熱填料所佔的重量百分比為60%至70%。

根據一些實施例，導熱基板於嚴苛環境下具有使用壽命為200小時以上，其中嚴苛環境包含85℃之高溫、85%之相對溼度及1 kV的直流電壓。

根據一些實施例，使用壽命為200小時至900小時。

根據一些實施例，使用壽命為800小時至900小時。

根據一些實施例，導熱基板具有金屬密著力介於1kg/cm與2.1 kg/cm之間。

根據一些實施例，導熱填料選自由氮化鋯、氮化硼、氮化鋁、氮化矽、氧化鋁、氧化鎂、氧化鋅、二氧化矽、二氧化鈦及其任意組合所組成的群組。

根據一些實施例，電性絕緣導熱層不包含玻璃纖維。

根據一些實施例，環氧樹脂組成物的玻璃轉化溫度(glass transition temperature，Tg)為130℃以上。

根據一些實施例，上金屬層的厚度為0.01mm至3 mm，而下金屬層的厚度為0.1 mm至3mm。

根據一些實施例，電性絕緣導熱層的厚度為0.03mm至0.3mm。

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，為本發明的導熱基板100的剖面結構示意圖。本發明的導熱基板100包含上金屬層10、下金屬層30及電性絕緣導熱層20。電性絕緣導熱層20與上金屬層10及下金屬層30接觸並疊設於其間，形成三層結構的層體。較佳地，上金屬層10由銅箔或銅板所形成，而下金屬層30則由鋁板或銅板所形成。並且，透過電性絕緣導熱層20的設置，上金屬層10與下金屬層30彼此電性隔離。在一實施例中，上金屬層的厚度為0.01mm至3mm；下金屬層的厚度為0.1 mm至3mm；而電性絕緣導熱層20的厚度為0.03 mm至0.3 mm。上金屬層10後續可加工為線路層，並將各種電子元件組裝於其上，而下金屬層30作為導熱基板10的底材並使熱能自下方朝外界環境散逸。在一實施例中，上金屬層10及下金屬層30皆由銅箔或銅板組成，故皆可加工為線路層並製作為雙面電路板。在另一實施例中，上金屬層10為銅箔，而下金屬層30為銅以外所組成的金屬板，如鋁板。此外，若為雙面覆銅的導熱基板100，其後續可自由選擇要加工為單面電路板、雙面電路板或其他型式的電路板。除了線路層或金屬底板本身的導熱特性外，電性絕緣導熱層20亦具備極佳的導熱能力，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。電性絕緣導熱層20包含聚合物基材及導熱填料。聚合物基材可提供電性絕緣導熱層20良好的絕緣能力，並藉由導熱填料提升其導熱能力。

在本發明中，聚合物基材的主成分為環氧樹脂組成物，而將電性絕緣導熱層20中的氯含量調降至300 ppm以下時，發現導熱基板100於電氣特性上有極佳的改善。應理解到，習知環氧樹脂的合成過程中無可避免地會產生含氯不純物，故於產業的實際使用上不會有純度為100%的環氧樹脂。具體來說，環氧樹脂的合成原料為環氧氯丙烷及二元酚 (如雙酚A、雙酚S、雙酚F或其他雙酚類化合物)，而此兩種原料可透過開環反應、脫氯反應及其他步驟獲得一定純度的環氧樹脂。然而，環氧氯丙烷中的氯會於前述步驟中生成數種含氯副產物，即使採用萃洗法、沉澱法或其他各種習知的手段也無法完全將其移除。再者，環氧氯丙烷也可能因反應不完全的關係而帶有一定的殘留量。前述所提的含氯不純物大致上即由含氯副產物及殘留的環氧氯丙烷所構成，而本文所定義的環氧樹脂組成物係指純度非100%的環氧樹脂。

本發明發現，含氯不純物的氯含量在極低的情況下，對於導熱基板100的耐候性有所改善，尤其在高溫高濕偏壓試驗(HHBT)有良好表現。其因在於，氯含量與銅離子遷移的現象息息相關。在高溫高濕偏壓試驗(HHBT)中，導熱基板100被通以直流電，並於上金屬層10與下金屬層30間形成電場。此時，上金屬層10與下金屬層30可視為氧化還原反應中的兩電極，例如：上金屬層10為陽極，而下金屬層30為陰極。在陽極端，銅會被氧化為銅離子，如下式：Cu → Cu ²⁺+ 2e ^-。在陰極端，銅會被還原為銅，如下式：Cu ²⁺+ 2e ^-→ Cu。在電場作用下，陽極的銅離子會逐漸通過電性絕緣導熱層20遷移至陰極，最終可能導致電性絕緣導熱層20的絕緣失效而短路。需注意到的是，電性絕緣導熱層20的氯含量的多寡會與銅的腐蝕速率(corrosion rate)呈正相關，如前述陽極端的氧化反應。來自電性絕緣導熱層20的氯離子可與陽極端的銅反應而產生氯化銅，如下式：2Cu + 4Cl ^- 2CuCl ^2-+ 2e ^-。接著，氯化銅進一步解離並與O ₂反應而被氧化為Cu ²⁺。由此可知，氯含量越多，銅離子生成的速率也會越快。在高溫高濕偏壓試驗(HHBT)中，氯含量過高會導致銅離子遷移的現象較為顯著，最終導致電性絕緣導熱層20的絕緣失效而使得導熱基板100燒毀。另外，除了上述銅離子遷移的問題，含氯不純物亦可能會在製程中轉化為鹽酸或次氯酸，進而腐蝕線路。換句話說，含氯不純物也會影響導熱基板100於後續設計電路時的表現。

前述高溫高濕偏壓試驗(HHBT)主要用於模擬元件於嚴苛環境下(即85℃之高溫、85%之相對溼度及1 kV的直流電壓)的加速老化測試。此加速老化測試中所算得的使用壽命，有利於推算出元件於常態溫度及常態壓力使用下的的實際壽命值。在一實施例中，為了將使用壽命提升為200小時至900小時，含氯不純物的氯含量為介於80 ppm與260 ppm之間。在一較佳實施例中，為了將使用壽命提升為800小時至900小時，含氯不純物的氯含量為介於80 ppm與90 ppm之間。在本發明中，以電性絕緣導熱層20之重量為100%計，環氧樹脂組成物所佔的重量百分比為10%至40%，而導熱填料所佔的重量百分比為60%至90%。在一些情況下，環氧樹脂組成物可視需求提高其所佔的重量百分比而仍保持極低的含氯不純物的氯含量，故在使用壽命上仍較傳統的導熱基板長。例如，在一實施例中，以電性絕緣導熱層20之重量為100%計，環氧樹脂組成物所佔的重量百分比可調整為30%至40%，而導熱填料所佔的重量百分比為60%至70%，其中前述環氧樹脂組成物的氯含量為90 ppm以下。

此外，聚合物基材更包含改質聚合物，可有效改善環氧樹脂組成物的耐衝擊性。改質聚合物選自由苯氧樹脂、聚碸、聚醚碸、聚苯乙烯、聚氧化二甲苯、聚苯硫醚、聚醯胺、聚亞醯胺、聚醚醯亞胺、聚醚醯亞胺與矽酮之塊體共聚合物、聚氨酯、聚酯樹脂、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯/丙烯、苯乙烯塊體共聚合物及其任意組合所組成的群組。

至於導熱填料，由於玻璃纖維的導熱能力過差且不需玻纖提供支撐性，本發明不採用玻璃纖維作為本發明的電性絕緣導熱層20的導熱填料。意即，本發明的電性絕緣導熱層20不包含玻璃纖維。本發明的導熱填料選自由氮化鋯、氮化硼、氮化鋁、氮化矽、氧化鋁、氧化鎂、氧化鋅、二氧化矽、二氧化鈦及其任意組合所組成的群組。在一較佳實施例中，本發明的導熱填料為氧化鋁。在含氯不純物的氯含量極低的情況下，導熱填料選用氧化鋁可進一步改善導熱基板100的導熱能力並使導熱基板100的導熱係數介於2.4 W/mK與2.7 W/mK之間。

在本發明中，環氧樹脂組成物的玻璃轉化溫度(glass transition temperature，Tg)為130℃以上。玻璃轉化溫度(Tg)為環氧樹脂組成物在玻璃態與橡膠態之間轉換的溫度點。在一實施例中，環氧樹脂組成物的玻璃轉化溫度(Tg)為介於130℃與350℃之間。若玻璃轉化溫度過低(如130℃以下)，環氧樹脂組成物會容易在低溫的環境下軟化，造成導熱基板100於結構上的不穩定，而減少抗HHBT能力及應用性。若玻璃轉化溫度過高(如350℃以上)，環氧樹脂組成物於固化後硬度會過高，不利於其在固化後的機械加工或其他成型製程。

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

表一

組別	氯含量 (ppm)	金屬密著力 (kg/cm)	導熱係數 (W/mk)	HHBT (hour)
C1	400	1.5	2.2	89
E1	251	1.7	2.4	224
E2	150	1.9	2.5	570
E3	85.4	2.1	2.7	899
E4	88.5	2.3	2.5	800

如表一所示，組別E1至組別E4即為本發明之實施例E1至實施例E4，而組別C1即為比較例C1。本發明實施例E1至實施例E4的導熱基板100，其俯視尺寸皆為10 mm × 10 mm；上金屬層10由厚度為0.035mm的銅箔所組成，而下金屬層30由厚度為 1.5mm的鋁板所組成；而電性絕緣導熱層20的厚度皆為0.1mm，由純度非100%的環氧樹脂(即前文所述的環氧樹脂組成物)及氧化鋁(即前文所述的導熱填料)組成。另外，以電性絕緣導熱層20之重量為100%計，實施例E1至實施例E3的環氧樹脂組成物佔15%，而氧化鋁佔85%。以電性絕緣導熱層20之重量為100%計，實施例E4的環氧樹脂組成物佔30%，而氧化鋁佔70%。比較例C1的導熱基板的俯視尺寸、上/下金屬層的組成、各層體厚度及環氧樹脂/氧化鋁的比例皆與本發明實施例E1至實施例E3相同，差異僅在於氯含量。

氯含量，係指電性絕緣導熱層中的氯含量，主要來自純度非100%的環氧樹脂(即前文所述的環氧樹脂組成物)。如同前述所提，環氧樹脂組成物由環氧樹脂及含氯不純物所組成，或者說環氧樹脂組成物中除了環氧樹脂以外必然會具有一定程度的含氯雜質，從而導致電性絕緣導熱層氯含量過高。氯含量可藉由習知的標準方法進行量測。本文提及的電性絕緣導熱層中的氯含量係以電感耦合電漿體光學發射光譜法(Inductively Coupled Plasma Optical Emission spectroscopy，ICE-OES)進行定量。

金屬密著力，亦可稱為剝離強度(peel strength)，係指單一金屬層自電性絕緣導熱層剝離所需的強度。

導熱係數，亦可稱為熱傳導率，為材料傳導熱量的能力。熱傳導率公式(thermal conductivity) 為 k = (Q/t) *L/(A*ΔT)，其中k 為熱傳導率(W/mk)、Q 為熱量(W)、t為時間、L 為熱傳導距離(m)、A為熱傳導經過物件之截面面積(m2)、 ΔT 為冷熱端的溫度差。本試驗係根據ASTM D5470的標準方法量測導熱基板的導熱係數。

HHBT，係指高溫高濕偏壓試驗(High Temperature High Humidity Bias Test)，主要用於模擬高溫高濕高壓環境下的元件壽命。將待測樣品(即導熱基板)置於85℃之高溫及85%之相對濕度的環境中，對其施加電壓為1kV的直流電(DC)。待測樣品承受一定時數的電壓施加會燒毀，藉此評估其於加速老化測試下的使用壽命。

由表一可知，環氧樹脂組成物中的氯含量會顯著影響HHBT的時數，另外在金屬密著力及導熱係數上也有所差異。就HHBT而言，隨著電性絕緣導熱層中的氯含量由實施例E1中的251 ppm調降為實施例E3中的85.4 ppm， HHBT的時數也相應地由224小時提高至899小時。如前述所提，氯的存在會促進銅離子遷移的現象，導致電性絕緣導熱層絕緣失效而使導熱基板燒毀。相較之下，比較例C1中環氧樹脂組成物的氯含量高達400 ppm，故於HHBT測試中的時數相當短，為89小時。另外，就金屬密著力而言，氯含量過高會影響環氧樹脂的固化情形，導致電性絕緣導熱層與金屬之間的接面未緊密貼合，即接面不良的情形。因此，比較例C1中的金屬密著力(即1.5 kg/cm)也低於實施例E1至E3中的金屬密著力(即1.7至2.1 kg/cm)。另外，考量實際應用時可容許的誤差範圍，本發明的實施例E1至實施例E5的金屬密著力大致上可落在1 kg/cm至2.5 kg/cm之間。值得一提的是，本試驗更發現，在氯含量極低的情況下，亦可進一步改善導熱基板的導熱能力。在實施例E1至E3中，導熱係數為2.4 W/mk至2.7 W/mk，高於比較例C1的導熱係數(即2.2 W/mk)。

另須注意到，在一些情況下，為有效提升絕緣能力或因應其他需求考量，環氧樹脂組成物於電性絕緣導熱層20中的佔比會有所調升。故在實施例E4中，於維持低比例的氯含量的情況下，刻意將環氧樹脂組成物的比例調高，藉此模擬前述的情況。同樣地，實施例E4中，HHBT的時數仍可高達800小時，而在金屬密著力及導熱係數上亦有所改善。

繼續參照圖2，為本發明的導熱基板100的另一實施態樣。在圖2中，上金屬層10、下金屬層30及電性絕緣導熱層20已在前文有所討論，故於此不再贊述。圖2與圖1差異在於，圖2中的導熱基板100新增金屬鍍層11。為了更進一步改善銅離子遷移的問題，上金屬層10的底表面可鍍覆厚度介於1 µm與10 µm之間的金屬鍍層11。亦即，導熱基板100可更包含一金屬鍍層11，金屬鍍層11設置於上金屬層10與電性絕緣導熱層20之間，並且接觸上金屬層10。金屬鍍層11的材料選自由鎳、錫、鋅、鉻、鉍、鈷及其任意組合所組成的群組。在一較佳的實施例中，金屬鍍層11由鎳所組成。金屬鍍層11不僅提供物理上的阻障功用，也具有較佳的化學惰性。如此，銅離子難以從上金屬層10穿透金屬鍍層11至電性絕緣導熱層20，可使導熱基板100的使用壽命進一步獲得提升。需特別注意到，一般而言，增設金屬鍍層11雖可改善銅離子遷移的問題，但會增加導熱基板100整體的熱阻，意即使導熱係數下降。然而，本發明注意到，透過減少環氧樹脂組成物中的氯含量，可彌補金屬鍍層11於熱阻上的缺陷，同時顯著提升HHBT的承受時數。

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:上金屬層 11:金屬鍍層 20:電性絕緣導熱層 30:下金屬層 100:導熱基板

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:上金屬層

20:電性絕緣導熱層

30:下金屬層

100:導熱基板

Claims

一種導熱基板，包含：一上金屬層；一下金屬層；以及一電性絕緣導熱層，疊設於該上金屬層及該下金屬層之間，且由一聚合物基材及散佈於該聚合物基材中之一導熱填料所組成，其中以該電性絕緣導熱層之重量為100%計，該環氧樹脂組成物所佔的重量百分比為10%至40%，而該導熱填料所佔的重量百分比為60%至90%，其中：該聚合物基材包含一環氧樹脂組成物，而該環氧樹脂組成物由環氧樹脂及一含氯不純物所組成，其中該環氧樹脂係以環氧氯丙烷及二元酚為原料所合成的主產物，而該含氯不純物則為該環氧氯丙烷及該二元酚於合成該環氧樹脂的過程中所產生的副產物及殘留的環氧氯丙烷；以及該電性絕緣導熱層中的該含氯不純物的氯含量為介於80ppm與90ppm之間，其中該導熱基板於嚴苛環境下具有一使用壽命為200小時以上，其中該嚴苛環境包含85℃之高溫、85%之相對溼度及1kV的直流電壓。
根據請求項1之導熱基板，其中以該電性絕緣導熱層之重量為100%計，該環氧樹脂組成物所佔的重量百分比為30%至40%，而該導熱填料所佔的重量百分比為60%至70%。
根據請求項1之導熱基板，其中該使用壽命為200小時至900小時。
根據請求項3之導熱基板，其中該使用壽命為800小時至900小時。
根據請求項1之導熱基板，其中該導熱基板具有一金屬密著力介於1kg/cm與2.1kg/cm之間。
根據請求項1之導熱基板，其中該導熱填料選自由氮化鋯、氮化硼、氮化鋁、氮化矽、氧化鋁、氧化鎂、氧化鋅、二氧化矽、二氧化鈦及其任意組合所組成的群組。
根據請求項1之導熱基板，其中該電性絕緣導熱層不包含玻璃纖維。
根據請求項1之導熱基板，其中該環氧樹脂組成物的玻璃轉化溫度(glass transition temperature，T_g)為130℃以上。
根據請求項1之導熱基板，其中該上金屬層的厚度為0.01mm至3mm，而該下金屬層的厚度為0.1mm至3mm。
根據請求項1之導熱基板，其中該電性絕緣導熱層的厚度為0.03mm至0.3mm。