一种新型高导热电子封装用基板材料的结构及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种新型高导热电子封装用基板材料的结构及制备方法，采用有机聚氨酯泡沫浸渍法烧结成网状多孔氧化铝陶瓷作为环氧树脂基材料的导热骨架，然后经过硅烷偶联剂表面改性后填充环氧树脂灌封，经过高温固化后形成具有良好导热性能的陶瓷/树脂复合基板材料。本发明专利技术属于电子封装用基板材料领域，针对当今陶瓷/树脂复合材料在低填料含量下不能形成导热网络的问题，通过有机泡沫浸渍法构造网状多孔结构，再利用表面改性，环氧树脂负压浸渍等技术制得轻质的复合基板材料，达到了在较低陶瓷体积分数的情况下实现复合材料较高的热导率提升和极大降低热膨胀系数的目的，本发明专利技术操作简单、成本低且性能优异，适合大面积推广。

Structure and preparation method of a new substrate material for high thermal conductivity electronic packaging

【技术实现步骤摘要】
一种新型高导热电子封装用基板材料的结构及制备方法
本专利技术属于电子封装用基板材料领域，具体是指一种新型高导热电子封装用基板材料的结构及制备方法。
技术介绍
近些年来，随着电子集成技术高速发展，组装密度不断提高，电子元件向轻、薄、小等方向发展，导致电子元件在很小的体积范围内产生大量的热量聚集。高温会影响电子元器件的性能导致其失效，因此开发高导热材料以降低电子元件的工作温度显得尤为重要。聚合物因成本低且具有电气绝缘性、耐腐蚀、可操作性强等特点，使其在电子器件封装中得到了广泛的应用。然而，常规的聚合物是热的不良导体，导热系数一般低于0.4W/(m·K)，在实际应用过程中面临散热困难和易老化变形的问题。此外，聚合物的热膨胀系数远远高于硅片及金属线，作为电子封装用基板材料会产生界面失效的问题。因此有效提高聚合物基复合材料的导热性能并降低其热膨胀系数成为目前电子封装用基板材料领域研究的重点之一。现有技术表明可通过在聚合物中添加高导热材料(如Al2O3、AlN、BN、SiC等)来提高聚合物导热系数，施萍等人在氧化铝粒子填充环氧基复合材料导热性能的研究一文中，以Al2O3为导热填料制备了填充型环氧基复合材料，并研究了该复合材料导热系数与Al2O3粉体的填充量、粒径和形状之间的关系。研究结果表明：复合材料的导热系数随着氧化铝填充量的增加而增大，当氧化铝填充量较低时，导热系数随Al2O3粉体填料粒径的增加而增大；当氧化铝填充量较高时，导热系数随填料粒径的增加而减小，通过上述复配填充的方法最终获得了导热系数大于1.10W/(m·K)且黏度适宜的环氧基复合材料。导热填料掺杂的方法存在两个问题：一是通常在60vol％以上的填充量时才能形成一定的导热网络，这无疑增加了基体的质量并在一定程度上恶化了材料的力学性能，而且纳米级的颗粒无法实现较高的填充量；二是随着导热填料添加量的增大，界面增多，界面处声子散射严重，导致复合材料并不能达到理论的热导率。
技术实现思路
为解决上述现有技术难题，本专利技术的目的在于解决现有技术中电子封装用基板材料在较低填料掺杂量下导热系数提升不明显、热膨胀系数大的技术问题；本专利技术新型高导热电子封装用基板材料不同于传统的粉末直接掺杂，先采用有机聚氨酯泡沫浸渍法烧结成网状多孔氧化铝陶瓷作为环氧树脂基材料的导热骨架，然后经过硅烷偶联剂表面改性后填充环氧树脂灌封，经过高温固化后形成具有良好导热性能的陶瓷/树脂复合基板材料，同时，本专利技术提供了一种新型的电子封装用基板材料互穿网络结构，通过烧结形成的陶瓷骨架极大地减小了粉体之间的界面热阻并且实现了较低填充量下导热率的迅速提升，因此本专利技术制得这种特殊的三维网状多孔结构在较少陶瓷填充量的情况下有利于形成连续的导热网络，增强电子元器件封装用材料的散热能力并且限制了聚合物的自由膨胀。本专利技术采取的技术方案如下：本专利技术一种新型高导热电子封装用基板材料的结构，包括通过有机泡沫浸渍法制备网状多孔陶瓷骨架和用于填充多孔网状结构的环氧树脂溶液体系。本专利技术一种新型高导热电子封装用基板材料的制备方法，包括如下步骤：(1)通过有机泡沫浸渍法制备具有孔隙率的网状多孔陶瓷骨架：利用经过NaOH处理、PVC表面改性后的有机泡沫作为模板，然后将以具备高导热率材料粉体为原料制备的陶瓷浆料浸渍到经过预处理后的有机泡沫模板表面进行挂浆，经挤压、干燥后于高温炉中1500℃环境下烧结制备具有连续三维网络结构的网状多孔陶瓷骨架；(2)通过硅烷偶联剂对材料的表面进行改性：取体积比9：1的乙醇与水进行混合，并加入乙酸调整酸碱度至4.8左右，再加入硅烷偶联剂超声分散30min，并在磁力搅拌机作用下搅拌水解1小时制备硅烷偶联剂溶液体系，将网状多孔陶瓷骨架浸没至硅烷偶联剂溶液体系中，对网状多孔陶瓷骨架进行表面接枝，洗涤后100℃环境下用真空干燥箱烘干备用；(3)将环氧树脂和固化剂混合搅拌均匀在真空条件下排出气泡：取质量比为2：1的环氧树脂与固化剂混合，加入消泡剂，-0.01MPa真空度条件下，于温度为30℃的环境下使用磁力搅拌机搅拌均匀后抽真空，抽至基本无气泡冒出后保压至完全无泡制备环氧树脂溶液体系；(4)将网状多孔陶瓷置于模具中通过真空浸渍将树脂渗入陶瓷的多级孔洞：将网状多孔陶瓷骨架置于硅胶模具中，缓慢加入配制好环氧树脂溶液体系直至浸没网状多孔陶瓷骨架，再放入真空容器中-0.01MPa真空度条件下抽真空，抽至基本无泡后在保压除泡，上述过程至少循环三次，使环氧树脂渗入网状多孔陶瓷骨架的多级孔洞中并将微观孔填满从而制备网状多孔陶瓷，上述操作要在树脂的可操作时间内进行，避免微孔灌封不入形成孔洞，影响导热性能；(5)将步骤(4)制备的网状多孔陶瓷于60℃恒温干燥箱中放置3小时，固化脱模后即制成具有互穿网络结构导热复合材料。进一步地，步骤(1)所述NaOH选用质量分数为20％的NaOH溶液，所述PVA选用质量分数为5％的PVA溶液。进一步地，步骤(1)所述的有机泡沫选用聚氨酯类泡沫海绵，聚氨酯类泡沫海绵的主要原料是有机多元异氰酸酯和端羟基化合物，体积密度在0.02～0.06g/cm3，利用有机泡沫作为模板制备网状多孔陶瓷骨架，要求有机泡沫与陶瓷浆料具有优异的亲和性，进而使陶瓷浆料在有机泡沫表面有一定的涂覆厚度，采用物理和化学方法改变聚氨酯类泡沫海绵表面结构，能提高基体的挂浆量。进一步地，步骤(1)所述陶瓷浆料制备高导热率材料选用氧化铝、氮化铝、氮化硼和碳化硅粉体中的一种，所述粉体为球形、片状或多元混合型，粒径大小为0～100μm，陶瓷浆料烧结温度根据粉体的种类选择确定。进一步地，根据有机泡沫模板的形状及挂浆量，烧结之后的网状多孔陶瓷骨架体积密度为0.3g/cm3～1.0g/cm3，气孔率为20％～95％，采用更密集的有机泡沫模板和提高基体挂浆量，可以烧制成具有更高体积分数的陶瓷骨架，所述网状多孔陶瓷骨架作为导热骨架用于各种具有流动性低散热性能材料的填料体。进一步地，步骤(2)所述硅烷类偶联剂选自KH-550、KH-560、KH-570、KH-792、DL602、DL171和钛酸酯类，所述硅烷类偶联剂选择种类根据环氧树脂和填料体确定，从而增加陶瓷浆料和有机泡沫模板之间的亲和力。进一步地，步骤(3)所述基体环氧树脂为酚醛树脂、环氧树脂、氨基树脂、不饱和聚酯树脂及硅醚树脂等热固型树脂中的任意一种，所述环氧树脂粘度低于2000cps，从而使其更易进入网状多孔陶瓷骨架的多级孔洞。进一步地，步骤(3)所述消泡剂选用100～500ppm破泡聚有机硅氧烷。进一步地，步骤(5)所述固化模具选用软硅胶材料。作为优选地，所述固化模具表面预先涂覆油酸层便于脱模。采用上述方案本专利技术取得的有益效果如下：本专利技术解决了当今陶瓷/树脂复合材料在低填料含量下不能形成导热网络的问题，通过有机泡沫浸渍法构造网状多孔结构，再利用表面改性，环氧树脂负压浸渍等技术制得轻质的复合基板材料，达到了在较低陶瓷体积分数的情况下实现复合材料较高的热导率提升和极大降低热膨胀本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型高导热电子封装用基板材料的结构，其特征在于，包括通过有机泡沫浸渍法制备网状多孔陶瓷骨架和用于填充多孔网状结构的环氧树脂溶液体系。/n

【技术特征摘要】
1.一种新型高导热电子封装用基板材料的结构，其特征在于，包括通过有机泡沫浸渍法制备网状多孔陶瓷骨架和用于填充多孔网状结构的环氧树脂溶液体系。


2.一种新型高导热电子封装用基板材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)通过有机泡沫浸渍法制备具有孔隙率的网状多孔陶瓷骨架：利用经过NaOH处理、PVC表面改性后的有机泡沫作为模板，然后将以具备高导热率材料粉体为原料制备的陶瓷浆料浸渍到经过预处理后的有机泡沫模板表面进行挂浆，经挤压、干燥后于高温炉中1500℃环境下烧结制备具有连续三维网络结构的网状多孔陶瓷骨架；
(2)通过硅烷偶联剂对材料的表面进行改性：取体积比9：1的乙醇与水进行混合，并加入乙酸调整酸碱度至4.8左右，再加入硅烷偶联剂超声分散30min，并在磁力搅拌机作用下搅拌水解1小时制备硅烷偶联剂溶液体系，将网状多孔陶瓷骨架浸没至硅烷偶联剂溶液体系中，对网状多孔陶瓷骨架进行表面接枝，洗涤后100℃环境下用真空干燥箱烘干备用；
(3)将环氧树脂和固化剂混合搅拌均匀在真空条件下排出气泡：取质量比为2：1的环氧树脂与固化剂混合，加入消泡剂，-0.01MPa真空度条件下，于温度为30℃的环境下使用磁力搅拌机搅拌均匀后抽真空，抽至基本无气泡冒出后保压至完全无泡制备环氧树脂溶液体系；
(4)将网状多孔陶瓷置于模具中通过真空浸渍将树脂渗入陶瓷的多级孔洞：将网状多孔陶瓷骨架置于硅胶模具中，缓慢加入配制好环氧树脂溶液体系直至浸没网状多孔陶瓷骨架，再放入真空容器中-0.01MPa真空度条件下抽真空，抽至基本无泡后在保压除泡，使环氧树脂渗入网状多孔陶瓷骨架的多级孔洞中并将微观孔填满从而制备网状多孔陶瓷；
(5)将步骤(4)制备的网状多孔陶瓷于60℃恒温干燥箱中放置3小时，固化脱模后即制成具有互穿网络结构导热复合材料。


3.根据权利要求2所述的一种新型高导热电子封装用...

【专利技术属性】
技术研发人员：傅仁利，吴彬勇，黄义炼，邹燕清，刘后宝，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32