FR-4基材高导热印制板的研制

杨存杰 倪蕴之 彭小波

（江苏苏杭电子集团公司，江苏 昆山 215341）

1 任务提出

随着电子产品的小型化不断发展，产品的布线密度越来越高，而大功率器件也在不断增多，造成功耗增加，转变为热量增加，导致温度不断升高，会造成系统不能正常工作。一般FR-4材质印制电路板，导热系数小，不适宜用于直接安装大功率器件。

普通FR-4印制电路板导热系数，一般只有0.5 W/m·K左右，这种板能够承受的温升在70 ℃。对于在其上安装大功率器件和高频元器件，如果散热不及时，板温会升高到100 ℃，甚至到130 ℃。在这样的高温下，将威胁到元器件和印制板的可靠性和使用寿命，严重时系统将不能正常工作。

有一家客户要试制一种调速电机，因为电机工作功率较大，产生的热量较多，要求与之配套的PCB板具有高导热性能，其导热系数要求1.0 W/m·K以上，系统才能正常工作。之前这家客户，在我公司生产了形状差不多的电机控制板，就是用普通材质的FR-4基板，在使用时出现温升过高问题，希望新产品能够改善这种状况。客户要求制作的调速电机控制板（见图1）。

为了解决散热问题，使系统正常工作，一般情况下，业界都采用金属基板或者陶瓷基板来制作印制电路板。使用陶瓷基板，制作成本较高，客户不接受。如果使用铝基板，由于客户设计的线路图形为双面板，铝基板的绝缘介质很薄，在电机长期高速运转产生振动时会使绝缘强度降低，易产生漏电的风险，制作成本也较高，客户难以接受。

图1 调速电机控制PCB

经过我们工艺调研和评估，并与客户一起商讨，利用FR-4基材制作线路图形，然后涂覆导热胶制作成FR-4高导热印制板，满足客户的高导热的要求和低成本的期望。

2 工艺流程及关键工序

2.1 工艺流程

制作工艺流程：开料→烘板→钻孔→孔金属化→干膜→图形电镀→碱性蚀刻→AOI→阻焊→导热胶→字符→热风整平无铅焊锡→外形铣切→V槽切割→清洗→电测试→成品检查→包装。

2.2 关键工序制作方法

2.2.1 导热胶的选择

导热胶是一种有机树脂添加填充料混炼而成的导热材料。导电胶应具有的特性：优良的电绝缘性能，在受热、受潮环境下保持良好的电气性；具有优异的导热性能（散热性能），以及耐高低温性能；具有卓越的粘接强度，与绝缘基板或金属都有良好的附着力；涂布操作方便，固化温度低、速度快，适于印制板工艺；无毒、无刺激性气体释放、无溶剂、无腐蚀、无污染、更安全环保。

我们选择的导热胶基本指标是固化后的导热系数达到1.1～1.5 W/m·K，为电子产品提供了高保障的散热系数。经过联系，有导热胶供应商提供导热胶样品供我们试验。经过试验比较，我们选择了一种导热系数高（导热系数大于3 W/m·K），热阻小（热阻小于0.09 ℃/W），与环氧树脂基材兼容性好的单液型TCI-B-C260型黑色导热胶。

2.2.2 印刷网板的选择

根据我公司现有资源，我们有100T的字符网，43T和36T阻焊网，18T可剥胶网可供选择。结合我司阻焊印刷经验，和导热胶资料介绍，选择用36T的网印刷，在黏度调到180 Pa.s左右时，导热胶膜厚度为大于60 μm以上，满足厚度要求。测得铜面导热胶厚度80.52 μm，基材面导热胶厚度114.29 μm（见图2）。

图2 导热胶厚度切片图

2.2.3 导热胶印刷面贴片位置图形处理

由于导热胶不易定型，在印刷后进行烘烤时渗出，失真严重，极易渗到贴片焊盘位置，导致贴片不良。我们在图形处理时，将元件贴片焊盘四周，印刷3 mm宽的阻焊隔离带，阻止导热胶渗到贴片上。导热胶的图形由贴片位置向外削掉2 mm。导热胶图形、导热胶面阻焊图形及印刷导热胶实样（见图3）。

图3 导热胶图形阻焊图形和印刷导热胶实样

2.2.4 导热胶印刷工艺控制

导热胶黏度很大，粘度达260 Pa.s，不易印刷。一般阻焊油墨混合后的粘度在108～150 Pa.s之间。虽然产品资料说明为单液型产品，如果完全不加稀释剂，无法印刷。添加15～20 mL稀释剂后，降低粘度到180 Pa.s，才可正常印刷。基本印刷参数为：刮刀硬度： 75°（邵氏硬度）；刮刀角度：5°～25°；丝印压力：0.45 Mpa（4.5 kgf/cm2）；丝印速度：50～60刻度值。

2.2.5 导热胶烘烤工艺控制

由于导热胶流动度不易控制，印刷后烘烤时流动度变化很大，采用插架方式烘烤，将出现严重的表面厚度不均，流动痕迹很严重的现象。

为了消除导热胶的厚度不均和流动痕迹现象，印刷后要水平放静置1 h以上，用千层架进行烘烤（见图4）。

图4 利用千层架烘板图形

导热胶印刷后，烘干温度分二段：100 ℃、30 min；150 ℃、60 min。

2.2.6 其它工艺控制

（1） 裸铜面去氧化处理。

导热胶是印刷在裸铜面上的，印刷导热胶时，板面局部已经印刷了阻焊剂，无法用机械磨板的方式处理铜面氧化层，需采取化学方式去氧化，或用喷砂方式去氧化，保证铜面上氧化层去除干净，又不能损坏阻焊层。

（2）热风整平无铅焊锡工艺控制。

由于导热胶胶层比较厚，其胶层包裹的贴片焊盘位置凹陷较深，热风整平焊锡时易产生锡高的现象，需要重点控制。

（3）电测试修补控制。

当导热胶用刀修刻时，导热胶膜将会断开，相当于导热通道被隔断。由于导热胶粘度较大，填缝性能不好，后续修补时补上的胶层很难渗到缝隙中，会大大影响导热效果，最终会引起产品导热性能不符合要求。因此，产品的半成品AOI检查要控制好，避免后工序产生修补。如电测发现有短路现象，修刻后补胶要适当加厚，最好修补二次，确保导热通道畅通。

3 总结

导热胶印制电路板，按照上述工艺流程生产，并经电测试合格后，包装交付给客户试用。在客户端把产品已经装配成成品样机，导热胶印制电路板产品的各项指标满足设计要求。

利用FR-4普通材质的印制电路板，在其上印刷导热系数大于3 W/m·K的导热胶，制作成FR-4高导热印制电路板，可以代替要求导热系数1 W/m·K的陶瓷印制板或铝基印制板，而且成本低廉，工艺简单，绝缘强度高，可靠性好。我们通过研发已经掌握了制作FR-4高导热印制电路板的基本工艺方法，了解了制程中的关键工艺步骤，可以承接批量性的FR-4高导热印制电路板的生产。