熱、電兼容組裝與石墨導熱材料

眾所周知，電子組裝和封裝(Assembly Package)技術是電子產(chǎn)品制造中不可或缺的技術。表面組裝技術(SMT)的出現(xiàn)推進了產(chǎn)品小型化的進程。一般電子產(chǎn)品的板級組裝中，主要解決的是元器件、部件的定位、安放和電氣互連以及與之相關的質量和生產(chǎn)效率等問題。新型功率元器件的出現(xiàn)，和產(chǎn)品日趨微小型化，使一些產(chǎn)品散熱問題的凸現(xiàn)出來，為提高產(chǎn)品可靠性，因而在設計和組裝制造中必須同時考慮熱耗散和電氣互連的問題。如：一些功率部件和模塊及大功率LED的熱、電兼容的組裝問題等。

所謂熱、電兼容組裝技術，即是要同時解決功率元器件的熱耗散和電連接的問題。 熱、電兼容組裝采用表面組裝技術和芯片鍵合和絲鍵合(Die bonding Wire bonding)技術進行組裝時，對焊盤和鍵合點(區(qū))的要求是不同的，前者使用焊料，要求焊盤具有可焊性；而后者直接與導體鍵合，要求鍵合點(區(qū))滿足芯片鍵合和絲鍵合的要求。

要解決功率元器件的散熱問題，常用的方法有兩種：一是采用常規(guī)基板組裝元器件，僅在發(fā)熱器件上或周圍裝散熱裝置，它的作用僅是散熱。需要解決的是如何有效地散熱。如利用熱傳導導熱的散熱器(Heat sink)和小型風扇(對流散熱)等。散熱器需要解決的是如何與發(fā)熱元器件連接和防止引起短路。一般都用經(jīng)處理的金屬材料，如：鋁金屬易加工，可制成的各種散熱器，一般用于常規(guī)功率器件；而銅塊，常作為芯片類器件的散熱器，銅塊表面必須進行必要的工藝處理使之能與基板與芯片保持良好連接。另一途徑是采用熱的良導體作為基板，此時基板既是散熱器又是一個印制電路板。

組裝在基板上的發(fā)熱元件通過向基板熱傳導方式散熱，而基板又同時能滿足其它元件的組裝和導體互連的要求。要根據(jù)所組裝發(fā)熱元器件的類型進行選擇以滿足下列熱、電兼容組裝的要求： l 合適的導熱體 l 熱源與導熱體的熱連接 l 發(fā)熱元器件(熱源)與其它元器件的電連接 l 工藝制造的技術和經(jīng)濟可行性。要解決散熱問題首先要選擇熱導性能良好的基材。現(xiàn)已在產(chǎn)品中使用的材料有二類：一是熱導率高而電絕緣的材料，有陶瓷類的氮化鋁(熱導率可達2 6 0 W/ (m· K))和氧化鈹基板等。氧化鈹雖然導熱性能很好，但由于加工過程其粉末有劇毒，現(xiàn)已很少采用。二是金屬類材料，一般來說熱的良導體也是電的良導體，鋁(熱導率238 W/ (m· K))、銅(熱導率397- 407 W/ (m· K))、不銹鋼等都已在不同的產(chǎn)品中用做電路基板的材料。以上所述的二類基材由于解決了熱、電組裝制造兼容的問題，因而在相應的產(chǎn)品中得到應用，例如：氮化鋁基板用于大功率厚膜電路，將導體、電阻漿料通過印刷、燒結工藝淀積在基板上，形成互連導體、焊盤和電阻，可以組裝元器件，發(fā)熱元器件通過基板傳導散熱；而作為導體的金屬基材必須加工成板材，并制造成所謂金屬-絕緣基板(IMS)才能作為可供熱、電兼容組裝的基板使用。金屬-絕緣基板由金屬層、絕緣層和導體互連組裝層組成?，F(xiàn)今使用得最多的是鋁金屬-絕緣基板亦稱鋁基覆銅板。這是以鋁為基材，經(jīng)陽極氧化在鋁表面生成絕緣的氧化鋁層，然后再覆銅。使用時采用類似于PCB的加工藝進行選擇布線，現(xiàn)已廣泛地用于各類功率模塊中。而用于厚膜平面加熱器中的金屬絕緣基板則是以不銹鋼等金屬為基材，采用厚膜工藝在基材表面形成絕緣層，功率電阻體和導體引出端。金屬-絕緣基板的制造中絕緣層和互連導體、焊盤所構成的組裝層也十分重要，沒有這兩層無法進行組裝和互連，而絕緣層既要保證電路的絕緣要求，同時又必須盡可能減少熱阻。 絕緣層和導體層的制造都涉及到許多工藝技術，除了上述鋁陽極氧化、厚膜印刷燒結技術、覆銅箔技術外，還有化學氣相淀積、濺射、電鍍等技術。因此當開發(fā)出一種性能優(yōu)異的導熱材料，到制成可供應用的熱、電兼容組裝的基板(座)尚需做許多工作。

石墨類導熱材料石墨是碳質元素結晶礦物。石墨由于其特殊結構，而具有如下特殊性質： 　　石墨導電，其導電性比一般非金屬礦高一百倍。導熱性超過鋼、鐵、鉛等金屬材料，現(xiàn)今國內研發(fā)、生產(chǎn)的石墨導熱材料其熱導率已超過鋁，達到銅的導熱性能，石墨在不同方向的導熱性能也有差異。石墨能夠導電是因為石墨中每個碳原子與其他碳原子只形成3個共價鍵,每個碳原子仍然保留1個自由電子來傳輸電荷。石墨耐高溫。石墨的熔點為3850±50℃，沸點為4250℃，即使經(jīng)超高溫電弧灼燒，重量的損失很小，熱膨脹系數(shù)也很小。石墨強度隨溫度提高而加強，在2000℃時，石墨強度提高一倍，且石墨的重量要比金屬輕得多。 此外石墨還具有良好的潤滑性、化學穩(wěn)定性、可塑性和抗熱震性等優(yōu)異特性。以往石墨由于導電性能好、宜加工、成本低、耐高溫及不易變形等特點已取代了銅作為電極材料。近年來國內外都在致力于將石墨開發(fā)為散熱器及熱、電兼容組裝基板(座)。如上海鐸程碳素有限公司多年來不僅開發(fā)出了純石墨的高導熱材料還開發(fā)了多種石墨與金屬復合的導熱材料。將冰分別放在鋁板和石墨導熱板上，可以明顯地看到石墨板上冰熔化的速度遠快于鋁板上的冰。石墨及其復合材料的導熱性能雖然非常好，但還必須同步地進行應用開發(fā)以獲得更廣闊的市場。目前應用很廣的功率照明器件LED，直接用芯片組裝的比例很高，要求基板(座)不僅導熱性能優(yōu)越，還需滿足電氣互連和組裝的要求，即如前述的對熱、電兼容組裝基板的要求。石墨導熱材料有廣泛的用途，需要材料開發(fā)商與應用者加強互動開展應用開發(fā)。我國有豐富的石墨資源，加快石墨及其相關導熱材料、散熱器、基板的研發(fā)和生產(chǎn)，滿足熱、電兼容組裝的要求，必將贏得新的市場機遇。