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1、日本高导热性基板材料的新发展 作者：佚名 发表时间：2011-09-18 16:58:11 关键词：基板; 散热; 生产; 导热性; 产品 LED（Light Emitting Diode）产业正处于蓬勃发展的阶段。它带动了新一代的印制电路板及其基板材料的出现，推进其技术的跨跃性进步。与此同时也开拓了 PCB 基板材料的新市场、新应用领域。日本在 LED 散热基板用基板材料技术、市场的发展上,走在世界前列。在本文按照日本一些散热基板用基板材料的生产企业的综述顺序，对日本在金属基覆铜板和高导热性有机树脂基覆铜板方面的技术进展及技术发展特点，加以阐述和探讨。1. 三洋半导体株式会社三洋半导体株式会
2、社是生产半导体器件的企业，它又是一家在日本很有名的生产金属基型散热基板及其基板材料的很具特色的厂家。长期以来它不但生产制造混合集成电路（ Hybrid IC）器件，而且还生产这种 HIC 的封装基板，以及生产封装基板所用的金属基覆铜板（金属基 CCL）。这一从产品的上游基材（CCL ），到基板（PCB ）、再到器件、封装的“一贯制生产” 的经营方式，使得它在日本半导体器件制造业界中成为一家很有经营特色的厂家。三洋半导体公司早在 1969 年就在世界上最早实现工业化生产金属基 PCB 的厂家之一。自那时起该公司所生产的这种金属基覆铜板产品，被注册为称为“IMST” Insulated Metal
3、 Substrate Technology，绝缘金属基板技术）的商标牌号。IMST 由三层结构组成，即导电层（铜箔）、绝缘树脂层、金属层（铝金属底板）。其中绝缘层组成及制造技术是 IMST 的产品技术的关键。三洋半导体公司金属基 CCL 技术专家（该公司 HIC 事业部第一开发部主任技术员）在近期发表的文章中提及：“基板绝缘层的树脂组成，是决定金属基 CCL 特性的非常重要的因素。担当基板中的导体（铜箔）层与铝金属底板之间的电气绝缘，这是它的第一个作用。而绝缘树脂层将安装在基板上芯片所发出的热，再传输到在它下层的金属板层上，也是它的另外一个重要任务。通常绝缘层所用的高聚物树脂（如环氧树脂）具有
4、高绝缘性，但它在基板的散热上，大都是起到了阻碍的作用。因此，需要在绝缘层树脂组成中添加填料，来赋予它的导热性。”“在同一树脂组成的金属基 CCL 中，绝缘层的厚度也对基板的导热性有很大的关联。太厚的绝缘层构成的金属基 CCL 在导热性上表现得比薄型绝缘层基 CCL 的相对恶劣。而薄型绝缘层，尽管它可提高整个金属基 CCL 的导热性有所贡献，但它也需要克服由绝缘层的减薄而带来的基材耐电压下降的问题出现。”三洋半导体公司的 IMST 的最大特点是它具有高散热性。它的这种特性来自于它的薄型、高导热性的绝缘层的重要支撑。IMST 的绝缘层不仅实现了低热阻化，并且还有着低成本的特点。为了提高金属基CCL
5、 的高导热性，在此板的绝缘层的树脂组成中加入高导热性的填料。在填料种类的选择上，大多数的金属基 CCL 生产企业是采用了 Al2O3 填料。三洋半导体公司则采用了加入硅类填料的工艺配方。选择硅类填料的原因，该公司的技术专家（HIC 技术部基板工艺技术课课长高草木贞道）是如此解释的：“氧化铝填料的价格要比硅填料高出 10 倍，采用 Si 填料主要是为了实现金属基 CCL 的低价格化。另外，采用Si 填料的铝基 CCL，还会在加工性上得到提高。板的绝缘层中加入 Al2O3 填料的铝基 CCL，在 PCB 加工中，对模具的磨耗很大，大大地减少了它在 PCB 加工中的使用寿命。在加工模具耐久性方面，使
6、用 Si填料的铝基 CCL 要比 采用 Al2O3 填料的铝基 CCL 高出 8 倍以上。 ”三洋半导体公司采用 Si 为绝缘层填料的铝基 CCL（即 IMST）由于它在导热性、成本性、加工性具有竞争优势，因此当近年的 LED 对散热基板的需求迅速增加后，使得这种铝基 CCL 的销售首先获益，其量得到很大幅度的增长。三洋半导体公司 IMST 产品有两种常规的品种。它们的主要性能如表 1 所示。三洋半导体公司研发人员草部隆之在近期出版的日本专业杂志上提出：该公司目前正开展有关金属基 CCL 的两个重要课题：一个是解决芯片或片式元件在安装在金属基 CCL 所制的散热基板上时,容易发生的焊接部位“开
7、裂”问题。在这方面的有效技术途径，是通过降低金属基 CCL 绝缘层树脂的模量。另一个课题是：出于面临与有机树脂散热基板的市场竞争愈发激烈等原因，开发低成本金属基 CCL 势在必行、十分重要。三洋半导体公司的金属基 CCL（IMST）的需求量于生产量自 2009 年起都出现了明显的提高。它在国内的生产据点是东京制作所（东京制作所工厂地址在群马县邑乐郡）。其生产能力在 2 万 m2/月。今后随着 IMST 外售量的增加，该公司计划还将进一步地扩大在东京制作所的 IMST 生产量。另外，三洋半导体公司已经在其需求较大的中国内地，与一家工厂合作，已开始了 IMST 产品的 OEM 生产。同时，在 20
8、09 年三洋半导体公司已将从金属基 CCL 开始制作起的驱动 IC 产品（其封装基板采用金属基散热基板）移至在越南的该公司海外投资工厂进行生产。在 2010 年间越南厂仅 IMST 生产量也达到了 1.5 万 m2/月。三洋半导体公司的金属基（芯）基板（MDPCB ）产品例见图 1。图 1 三洋半导体公司的金属基（芯）基板例2.电气化学工业：发展散热基板的先驱者日本电气化学工业株式会社14生产、销售散热型 PCB（散热基板）已经有 20 多年的历史。它可算是日本国内的发展散热基板的先驱者。长期以来，散热基板成为该企业经营业绩的重要支撑部分。近年来，半导体照明及液晶 TV 的面板的 LED 背光
9、源（Backlight，简称 BLU）的需求散热基板的市场，得到迅速的扩大。在此背景下，该公司更加大力发展散热基板的经营事业。早在 1985 年，日本电气化学工业株式会社就问世了第一代的散热基板产品。产品牌号为“HITT ”。多年来，该公司这类散热基板一直保持着良好的经营业绩。这种骄人的经营业绩还得利于散热基板主导市场方面的近年所发生的重大转变：过去，该公司的散热基板过去的主要应用领域为电力电子（包括变电、发电、电源、大功率等类别的电子部品）产品中。现在，随着 LED 的高功率化的发展，该公司的散热基板在 LED 的应用领域市场得到很快的扩大。日本电气化学工业株式会社的“HITT PLATE”
10、散热基板的制作，是本企业自己首先制造基板材料金属基覆铜板。基板材料是由铝金属板、附在金属板上的导热性绝缘层、铜箔三种主要材料所构成的。完成金属基覆铜板制作后，再经对金属基覆铜板上的铜箔进行蚀刻加工，而制成导电电路图形，最后形成散热基板。该公司自制的金属基覆铜板的绝缘层，其本体树脂是环氧树脂。在树脂中添加了高导性的无机填料。这个绝缘层的散热功效，可以达到一般氧化铝陶瓷基板材料的热阻性能水平。日本电气化学工业株式会社的主要几种金属基覆铜板品的绝缘层所能达到的性能指标值见表 24为了应对散热基板需求量迅速增加的市场变化，该公司还新开发了两种陶瓷型散热基板。它们是氮化铝基的高散热性陶瓷型散热基板（产品
11、型号为：“ AN ” ）、氮化硅基散热基板（产品型号为：“ SN ” ）。它们具有机械强度优异、热膨胀系数低的特性。这两种陶瓷基板主要应用在功率模块领域中。电气化学公司在日本国内有两座生产散热基板的工厂，即设在福冈县的大牟田工厂和设在群马县的渋川工厂。其中原料粉体材料及 AN/SN 型号的陶瓷基板是在大牟田工厂内生产，而“HITT PLATE”有机树脂绝缘层型散热基板的生产制作是在渋川工厂内进行。该公司的电子材料事业部下属电子部材部门的负责人河内亮先生近期谈到了电气化学公司散热基板在今后发展的规划：“未来随着 LED 大功率化的进展，金属基型散热基板市场预测将有更大的扩大。鉴于这个市场的大变化
12、，我们公司现正在制定对铝基散热基板扩产的规划。而我们需要增加多大的产能才能符合市场增强的需求，在这个问题上我们正在积极地进行调研、考察之中。待此项工作完成后，扩产建设计划将会进入实际实施阶段。”在 2007 年 6 月电气化学公司与日本工业株式会社5合资建立了 “ AGSP 株式会社”。新建公司主要生产高散热性基板。它的生产基地设在原来工业公司的长野县冈谷工厂内。此工厂主要生产 LED 照明和液晶电视用面板的 LED 背光（BLU）模块的两种封装基板。而这两种封装基板下侧的母板，是采用电气化学公司已有的“HITT PLATE”金属基散热基板作为配套。 AGSP 株式会社的建立，标志着电气化学公
13、司将从事的经营业务，延伸到封装领域，完善了该公司的散热基板产业链。6 AGSP 株式会社生产的这种 BUL 封装产品，是在基板的环氧树脂绝缘层表面形成 Cu 凸块，接合芯片而构成的。过去，传统的 LED 背光模块（BLU 封装）所用的封装基板是陶瓷类基板，而近年已经逐渐被这类环氧树脂作绝缘层的有机封装金属基散热基板所替代。后者在实现高散热性、高可靠性、低成本方面特性优于陶瓷类基板，因此它的需求量在近年得到很大的增加。在 AGSP 株式会社，为 LED 照明和液晶显示用 BUL 封装配套生产的散热基板，已有一半以上由原来采用的陶瓷类基板更换为有机树脂的高散热性金属基散热基板。3. 日本理化工业所
14、株式会社（NRK）日本理化工业所（株）是生产铝基覆铜板的大型厂家。由于近一、两年用于 LED 照明和液晶电视的背光源对高亮度 LED 的需求量大增，使得该公司的铝基 CCL 生产业务得到扩大。2009 年 9 月该公司的铝基 CCL 销售额比 2008 年同期增加了 20%，而 2010 年 9 月，预计又比 2009 年同期再增加 20%。在五、六年前该公司开始注重发展铝基 CCL。起初它的应用领域主要还是为大功率模块做配套，而近两、三年 LED 应用市场已迅速地成为了它的重要的、新应用领域。用于 LED 的铝基 CCL，在该公司这类产品中的销售额比例在逐年得到迅速提高，至 2010 年初它
15、已占到 50%以上。理化工业所铝基 CCL 原来的主导产品是“NRA-8”和“NRA-E”。自 2009 年又问世了种铝基 CCL 新品 “NBA-ES”和“NRA-L”。其中“NBA-ES”是针对下一代 LED 用的高导热性基板材料。它的结构特点是其底基板用铝板厚度很薄，从原来的 1.0mm 减薄到 0.23mm，实现了市场所需求的铝基 CCL 产品薄型化。底基铝板采用更薄型，一般会给整个铝基 CCL 的压制成型加工带来工艺性的困难。该公司凭借多年来的生产铝基 CCL 的经验，改进了工艺条件，很好地解决了生产工艺中的难点，实现了此产品的工业化生产。该公司所推出的另外一种铝基 CCL 新品“N
16、RA-L”，它的性能特点是实现了低模量性。这也使得它的 PCB 加工性获得提升。面临 LED 散热基板领域对铝基 CCL 需求的快速增加，日本理化工业所为适应市场扩大的形势，决定在 2010 年 4 月起，开始与台湾一家企业合作，委托它在海外生产该公司的铝基 CCL（生产品种主要是 LED 专用的 “NBA-ES”品种）。将部分的“NBA-ES”转给台湾厂家生产其主要原因为：在台湾，在液晶电视制造中用的背光源模块的生产量近期得到急速的增加。台湾已经形成多家生产规模较大的背光源模块生产厂家。它们在背光源模块生产中大量的需要使用铝基 CCL。理化工业所将具有薄型化特点的“NBA-ES” 产品委托台湾厂生产，意在抢占、扩大这种产品在台湾 LED 背光源领域的应用市场。理化工业所所委托生产铝基 CCL 的台湾厂家，是一家设在台湾桃园地区的 PCB 生产企业。理化工业所将在日本国内生产出的高导热性半固化性的
