CN107660064A - 导热绝缘板及其制备方法和电子元器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电子电路封装基板技术领域，公开了导热绝缘板及其制备方法和电子元器件。一种导热绝缘板，该导热绝缘板包括：金属基板(1)，在金属基板(1)上形成的依次层叠的氧化物层(2)和含有二氧化硅的涂层(3)。本发明通过使用全氢聚硅氮烷溶液处理，在没有降低导热绝缘板的绝缘性能的情况下，大大提升了导热性能，本发明的导热绝缘板具有较好的绝缘性和导热性。

Description

导热绝缘板及其制备方法和电子元器件
技术领域
本发明涉及电子电路封装基板领域，具体涉及导热绝缘板及其制备方法和电子元器件。
背景技术
电子元器件的高功率、微小化和密集化成为发展方向，高的热传导性能成为电子元器件集成的一大问题。工作时的高密度电子元器件会产生出大量的热，若发生热聚集现象，则会使高密度电子元器件工作性能降低甚至损毁发生事故。因此，高密度电子元器件的组装需要高导热的基板以满足其满负荷的工作状态。
高导热的基板如陶瓷基板和铝基板应用于高密度电子元器件的组装。陶瓷基板具有脆性特点，在工作时产生的很热循环冲击作用下出现开裂和断裂问题。而对于铝金属基基板来说，多是在基板上涂覆有机聚合物或树脂类作为涂层，这样会严重的降低金属基板的导热性能，而且有机聚合物或树脂类涂层在热环境下长时间工作会出现老化现象，引起导热性能严重降低，从而进一步降低器件的性能。
CN104559061A公开了一种高导热绝缘碳系填料和高导热绝缘环氧树脂复合材料制备方法，它是将石墨烯、石墨粉或碳纤维粉通过正硅酸四乙酯或正钛酸丁酯等绝缘改性剂改性，添加到环氧树脂中，热压成型固化得到绝缘胶膜，该胶膜掺入了具有高导热系数碳系材料，也仅得到了导热系数为2.7～3.2W/m·K的胶膜，并且它掺入的材料为具有导电性能的碳系材料，会对材料的绝缘性能产生影响。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的导热基板不能兼顾导热性能和绝缘性能，而且导热性能有待提高的问题，提供导热绝缘板及其制备方法和电子元器件，本发明的导热绝缘板，在没有降低绝缘性能的情况下，大大提升了导热性能，具有较好的绝缘性和导热性。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种导热绝缘板，其中，该导热绝缘板包括：金属基板1，在金属基板1上形成的依次层叠的氧化物层2和含有二氧化硅的涂层3。
本发明第二方面提供了上述的导热绝缘板的制备方法，其中，该方法包括以下步骤：
(A)在金属基板1上形成氧化物层2；
(B)在氧化物层2上涂布全氢聚硅氮烷溶液，然后进行固化，形成含有二氧化硅的涂层3。
本发明第三方面提供了一种电子元器件，其中，该电子元器件包括上述的导热绝缘板。
在本发明中，通过涂布全氢聚硅氮烷溶液，形成的含有二氧化硅的涂层使得导热绝缘板具有良好的绝缘性能和导热性能，直流击穿电压可以达到1500V-2500V，导热系数能够提高至20W/m·K-40W/m·K，优选为25W/m·K-35W/m·K。
附图说明
图1是本发明的导热绝缘板的示意图。
附图标记说明
1、金属基板 2、氧化物层
3、含有二氧化硅的涂层
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明第一方面提供了一种导热绝缘板，如图1所示，该导热绝缘板包括：金属基板1，在金属基板1上形成的依次层叠的氧化物层2和含有二氧化硅的涂层3。
在本发明中，所述含有二氧化硅的涂层3可以含有但不限于：二氧化硅和可选的无机物，所述无机物可以为氧化硅、氧化铝、氧化镁、氧化锌、氮化硼、氮化铝、氮化硅和碳化硅中的一种或多种。
在本发明中，所述含有二氧化硅的涂层3的厚度可以为100nm-100μm，优选为300nm-50μm。
在本发明中，所述金属基板1可以选自铝板、铝合金板、铜板、铜合金板、钢板、不锈钢板或锌板。在本发明中，考虑到原料成本，优选使用价格相对低廉的铝板。
在本发明中，所述金属基板1的厚度可以根据需要进行选择，考虑到经济成本，例如可以为500μm-2mm。
在本发明中，所述氧化物层2可以含有但不限于：氧化铝、氧化硅、氧化镁、氧化铁、氧化铜、氧化锰、氧化铬、氧化锌和氧化钛中的一种或多种。
在本发明中，所述氧化物层2的厚度可以为500nm-100μm。
本发明第二方面提供了上述的导热绝缘板的制备方法，其中，该方法包括以下步骤：
(A)在金属基板1上形成氧化物层2；
(B)在氧化物层2上涂布全氢聚硅氮烷溶液，然后进行固化，形成含有二氧化硅的涂层3。
根据本发明的方法，在步骤(A)中，所述形成氧化物层2的方法可以选自但不限于：阳极氧化法、微弧氧化法、热水氧化法、溶胶凝胶法、酸浸钝化法和碱浸钝化法中的一种。所述方法为本领域常规的方法，在此不再赘述。
根据本发明的方法，在步骤(B)中，所述全氢聚硅氮烷溶液包括全氢聚硅氮烷、溶剂、引发剂，以及可选的聚二甲基硅氧烷和/或无机物。
所述溶剂可以为但不限于：正丁醚或二氯甲烷。
所述引发剂可以为但不限于：N-正丁基-N-甲基乙醇胺、甲基乙醇胺、N-丁基二乙醇胺、乙醇胺或二乙醇胺。
所述无机物可以为纳米氧化铝、纳米氧化硅、纳米氧化镁、纳米氧化锌、纳米氮化硼、纳米氮化铝、纳米氮化硅和纳米碳化硅中的一种或多种。无机物也可以增加膜的厚度。在固化之后，全氢聚硅氮烷变为二氧化硅，溶剂挥发不存在，引发剂含量较低且易分解，聚二甲基硅氧烷变为二氧化硅，无机物依然为无机物。
根据本发明的方法，全氢聚硅氮烷、溶剂、引发剂、聚二甲基硅氧烷和无机物的混合比例，以保证得到的全氢聚硅氮烷溶液能够进行涂布为目的，例如固体物质较多，将无法进行涂布。全氢聚硅氮烷、溶剂、引发剂、聚二甲基硅氧烷和无机物的投料重量比可以为0.8：(1-5)：(0.1-2)：(0-6)：(0-4)；优选为0.8：(1-3)：(0.1-1)：(0-4)：(0-4)。例如，每4g的全氢聚硅氮烷(固含量为20重量％)与2g正丁醚、0.36g的N-正丁基-N-甲基乙醇胺、1g聚二甲基硅氧烷、0.56g纳米氧化硅、2g纳米氧化镁进行混合，得到全氢聚硅氮烷溶液。使用聚二甲基硅氧烷和无机物能够增加一定的厚度。
根据本发明的方法，在步骤(B)中，所述涂布的方法可以选自但不限于：旋涂法、浸涂法、喷涂法、丝网印刷法、喷墨打印法、刮刀涂布法、辊式涂布法、坡流涂布法和落帘涂布法中的一种，优选为坡流涂布法或落帘涂布法。上述方法为本领域常规的方法，在此不再赘述。
根据本发明的方法，所述固化方法可以为但不限于：紫外辐照固化法或水汽固化法。
根据本发明的方法，所述紫外辐照法的条件可以包括：紫外线波长为365nm，辐照时间为5min-360min，辐照功率为0.4kW-1.7kW。优选地，所述紫外辐照固化处理的气氛为空气、氮气、氧气、氩气或氦气，优选为氮气。
根据本发明的方法，所述水汽固化法的条件可以包括：水汽温度为250-350℃，湿度为30-85％，固化时间为30-600min。
本发明第三方面提供了一种电子元器件，其中，该电子元器件包括上述的导热绝缘板。例如，将上述的导热绝缘板作为载体基板，与电阻、电容器、电位器、电子管、散热器等进行组装，形成电子元器件。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
在以下实施例1中，全氢聚硅氮烷购自英国公司，固含量为20重量％。
纳米氧化铝购自西格玛公司，粒径分布为20-30nm。
纳米氧化硅购自西格玛公司，粒径分布为15-45nm。
N-正丁基-N-甲基乙醇胺购自百灵威公司，纯度96％以上。
乙醇胺购自百灵威公司，纯度99％以上。
二乙醇胺购自百灵威公司，纯度99％以上。
聚二甲基硅氧烷购自百灵威公司，纯度97％以上。
正丁醚购自萨恩化学技术有限公司公司，分析纯。
二氯甲烷购自百灵威公司，分析纯。
制备例1
将4g全氢聚硅氮烷(固含量为20重量％)、2g正丁醚、0.36g的N-正丁基-N-甲基乙醇胺、1g聚二甲基硅氧烷、0.56g纳米氧化硅和2g纳米氧化镁进行混合，制得全氢聚硅氮烷溶液1。
制备例2
将4g全氢聚硅氮烷(固含量为20重量％)、5g二氯甲烷、0.44g二乙醇胺和4g纳米氧化硅进行混合，制得全氢聚硅氮烷溶液2。
制备例3
将4g全氢聚硅氮烷(固含量为20重量％)、1g正丁醚、0.51g乙醇胺和1g聚二甲基硅氧烷、和进行混合，制得全氢聚硅氮烷溶液3。
制备例4
将4g全氢聚硅氮烷(固含量为20重量％)、2g正丁醚和0.36g的N-正丁基-N-甲基乙醇胺进行混合，制得全氢聚硅氮烷溶液4。
实施例1
准备10cm(长)×20cm(宽)×2mm(厚)的平板式铝板，将铝板置于含有0.2M草酸溶液的阳极氧化池中进行阳极氧化，在10℃恒温槽氧化240min，以形成20μm厚度的氧化物层。
采用坡流涂布法，在氧化物层上涂布全氢聚硅氮烷溶液1(制备例1得到)，表干后，送入波长为365nm的紫外线下，辐照功率为1.2kW，氮气氛下紫外辐照处理60min，形成50μm厚度的含有二氧化硅的涂层。得到导热绝缘板，如图1所述。
将该导热绝缘板，按照ASTM D5470稳态热流法，使用界面材料热阻及热传导系数测量装置(台湾瑞领公司生产，型号为LW-9389)，测得该导热绝缘板的导热系数为25.7W/m·K。
按照GB/T 1408-2006标准，使用电气介电强度试验仪(北京冠测精电仪器设备有限公司生产，型号为DDJ-10KV)进行测试，测得该导热绝缘板的最低击穿电压为2500V。
实施例2
准备10cm(长)×20cm(宽)×2mm(厚)的平板式铝板，将铝板置于含有浓度为10.0/2.0g/L的Na3PO4/NaOH电解液的微弧氧化氧化槽中进行微弧氧化，在电流密度10A/dm2下氧化30min，以形成25μm厚度的氧化物层。
采用落帘涂布法，在氧化物层上涂布全氢聚硅氮烷溶液2(制备例2得到)，表干后，送入波长为365nm的紫外线下，辐照功率为1.7kW，空气氛下紫外辐照处理40min，形成30μm厚度的含有二氧化硅的涂层。得到导热绝缘板。
按照实施例1的方法，测得该导热绝缘板的导热系数为27.6W/m·K。
按照实施例1的方法，测得该导热绝缘板的最低击穿电压为2300V。
实施例3
准备10cm(长)×20cm(宽)×2mm(厚)的平板式铝合金板，将铝合金板置于75℃去离子水中，恒温浸泡20min，得到200nm厚度的氧化物层。
采用旋涂法，在氧化物层上涂布全氢聚硅氮烷溶液3(制备例3得到)，表干后，在300℃、湿度为50％的水汽中，固化30min，形成500nm厚度的含有二氧化硅的涂层。得到导热绝缘板。
按照实施例1的方法，测得该导热绝缘板的导热系数为29.5W/m·K。
按照实施例1的方法，测得该导热绝缘板的最低击穿电压为1500V。
实施例4
准备10cm(长)×20cm(宽)×2mm(厚)的平板式钢板，将铁板置于冷的浓硝酸中，浸泡10min，得到500nm厚度的氧化物层。
采用辊式涂布法，在氧化物层上涂布全氢聚硅氮烷溶液4(制备例4得到)，表干后，送入波长为365nm的紫外线下，工作功率为1.5kW，氧气氛下紫外辐照处理30min，得到100μm厚度的含有二氧化硅的涂层。得到导热绝缘板。
按照实施例1的方法，测得该导热绝缘板的导热系数为29.1W/m·K。
按照实施例1的方法，测得该导热绝缘板的最低击穿电压为1700V。
实施例5
准备10cm(长)×20cm(宽)×500μm(厚)的铝板，将铝板置于0.5M的氢氧化钠沸水中，连续煮沸2小时，150℃下干燥，得到100μm厚度的氧化物层。
采用浸涂法，在氧化物层上涂布全氢聚硅氮烷溶液1(制备例1得到)，表干后，送入波长为365nm的紫外线下，工作功率为1.5kW，氧气氛下紫外辐照处理30min，得到30μm厚度的含有二氧化硅的涂层。得到导热绝缘板。
按照实施例1的方法，测得该导热绝缘板的导热系数为28.1W/m·K。
按照实施例1的方法，测得该导热绝缘板的最低击穿电压为1800V。
实施例6
准备10cm(长)×20cm(宽)×1mm(厚)的平板式不锈钢板，将不锈钢板置于的钛溶胶(含量为20重量％，胶粒直径为30nm)中，浸泡20min，得到10μm厚度的氧化物。
采用浸涂法，在氧化物层上涂布全氢聚硅氮烷溶液1(制备例1得到)，表干后，送入波长为365nm的紫外线下，工作功率为0.4kW，氧气氛下紫外辐照处理30min，得到5μm厚度的含有二氧化硅的涂层。得到导热绝缘板。
按照实施例1的方法，测得该导热绝缘板的导热系数为27.2W/m·K。
按照实施例1的方法，测得该导热绝缘板的最低击穿电压为2120V。
对比例1
准备10cm(长)×20cm(宽)×2mm(厚)的平板式铝板，将铝板置于含有0.2M草酸溶液的阳极氧化池中进行阳极氧化，在10℃恒温槽氧化240min，以形成20μm厚度的氧化物层。得到导热绝缘板。
按照实施例1的方法，测得该导热绝缘板的导热系数为29.8W/m·K。
按照实施例1的方法，测得该导热绝缘板的最低击穿电压为220V。
对比例2
市场采购的常用的深圳市骏欣铝基板有限公司PCB板(印刷电路板)，该基板采用台湾1060型高导热铝材，在铝材的上面覆铜箔层，铜箔层的厚度为35μm-280μm。
按照实施例1的方法，测得该导热绝缘板的导热系数为1.4-1.6W/m·K。
按照实施例1的方法，测得该导热绝缘板的最低击穿电压为3000V。
对比例3
市场采购的常用的深圳市德亚电子科技有限公司FR4基板(玻璃布基板)，在玻璃布上面覆环氧树脂，该基板的厚度为0.3mm-3.2mm。
按照实施例1的方法，测得该导热绝缘板的导热系数为2W/m·K。
按照实施例1的方法，测得该导热绝缘板的最低击穿电压为480V-5120V。
通过实施例和对比例的结果可以看出，本发明通过使用全氢聚硅氮烷溶液形成含有二氧化硅的涂层，以及形成氧化物层，制备的导热绝缘板具有较高的绝缘性能，最低击穿电压为1500V-2500V，而且还大大提升了导热性能，与市场上常用的基板相比，导热系数能够从2W/m·K提升至25W/m·K以上。本发明的导热绝缘板兼具较好的绝缘性能和导热性能。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种导热绝缘板，其特征在于，该导热绝缘板包括：金属基板(1)，在金属基板(1)上形成的依次层叠的氧化物层(2)和含有二氧化硅的涂层(3)。
2.根据权利要求1所述的导热绝缘板，其中，所述含有二氧化硅的涂层(3)含有二氧化硅和可选的无机物，所述无机物选自氧化硅、氧化铝、氧化镁、氧化锌、氮化硼、氮化铝、氮化硅和碳化硅中的一种或多种；
优选地，所述含有二氧化硅的涂层(3)的厚度为100nm-100μm，优选为300nm-50μm。
3.根据权利要求1所述的导热绝缘板，其中，所述金属基板(1)选自铝板、铝合金板、铜板、铜合金板、钢板、不锈钢板或锌板；
优选地，所述金属基板(1)的厚度为500μm-2mm。
4.根据权利要求1所述的导热绝缘板，其中，所述氧化物层(2)含有氧化铝、氧化硅、氧化镁、氧化铁、氧化铜、氧化锰、氧化铬、氧化锌和氧化钛中的一种或多种；
优选地，所述氧化物层(2)的厚度为500nm-100μm。
5.权利要求1-4中任意一项所述的导热绝缘板的制备方法，其中，该方法包括以下步骤：
(A)在金属基板(1)上形成氧化物层(2)；
(B)在氧化物层(2)上涂布全氢聚硅氮烷溶液，然后进行固化，形成含有二氧化硅的涂层(3)。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，在步骤(A)中，所述形成氧化物层(2)的方法选自阳极氧化法、微弧氧化法、热水氧化法、溶胶凝胶法、酸浸钝化法和碱浸钝化法中的一种。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，在步骤(B)中，所述全氢聚硅氮烷溶液包括全氢聚硅氮烷、溶剂、引发剂，以及可选的聚二甲基硅氧烷和/或无机物；
优选地，所述溶剂为正丁醚和/或二氯甲烷；
优选地，所述引发剂为N-正丁基-N-甲基乙醇胺、甲基乙醇胺、N-丁基二乙醇胺、乙醇胺或二乙醇胺；
优选地，所述无机物选自纳米氧化铝、纳米氧化硅、纳米氧化镁、纳米氧化锌、纳米氮化硼、纳米氮化铝、纳米氮化硅和纳米碳化硅中的一种或多种；
优选地，所述全氢聚硅氮烷、溶剂、引发剂、聚二甲基硅氧烷和无机物的投料重量比为0.8：(1-5)：(0.1-2)：(0-6)：(0-4)；优选为0.8：(1-3)：(0.1-1)：(0-4)：(0-4)。
8.根据权利要求5所述的方法，其中，在步骤(B)中，所述涂布的方法选自旋涂法、浸涂法、喷涂法、丝网印刷法、喷墨打印法、刮刀涂布法、辊式涂布法、坡流涂布法和落帘涂布法中的一种，优选为坡流涂布法或落帘涂布法。
9.根据权利要求5所述的方法，其中，所述固化方法为紫外辐照固化法或水汽固化法；
优选地，所述紫外辐照法的条件包括：紫外线波长为365nm，辐照时间为5min-360min，辐照功率为0.4kW-1.7kW；优选地，所述紫外辐照固化处理的气氛为空气、氮气、氧气、氩气或氦气，优选为氮气；
优选地；所述水汽固化法的条件包括：水汽温度为250-350℃，湿度为30-85％，固化时间为30-600min。
10.一种电子元器件，其中，该电子元器件包括权利要求1-4中任意一项所述的导热绝缘板。
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