專利名稱：環氧樹脂－氮化鋁復合材料在制備高密度印刷線路板中的應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及環氧樹脂中添加了氮化鋁納米或微米顆粒而制得的環氧樹脂-氮化鋁復合材料在制備高密度印刷線路板中的應用。
背景技術：
隨著PCB復雜化的發展，傳統PCB材料如玻璃布絕緣材料和樹脂覆銅箔由于缺少超前的性能而被淘汰。因此，人們致力于尋找新的易于加工成印刷線路板的高性能材料。在多種添加劑中，由于氮化鋁(AlN)具有卓越的性能和潛在的多領域用途，已引起研究人員的注意。例如，氮化鋁熱傳導性強，熱膨脹系數小，機械性能好，這些性能使其適合用作電子基板。添加了氮化鋁的PCB材料因此綜合了多種優越性能。
隨著高密線路設計和設備小型化的發展，線路中的銅線變得越來越細。環氧樹脂基板和印刷線路板中銅線的熱膨脹系數的匹配性也就變得越來越重要，尤其是對于多層壓板而言，更需如此要求。
發明內容
本發明的目的在于獲得一種尤其適用于高可靠性的高密度印刷線路板的基板材料，該材料的熱膨脹系數低，熱機械性能高，打孔得到的盲孔的錐度角小、底面平坦，能滿足高可靠性和高密度印刷線路板的要求。
為了實現上述目的，本發明提供了一種環氧樹脂-氮化鋁復合材料，其中該復合材料中的氮化鋁為納米或微米顆粒。
本發明還提供了一種制備上述環氧樹脂-氮化鋁復合材料的方法。
本發明所提供的環氧樹脂-氮化鋁復合材料中的氮化鋁顆粒的粒徑為10nm-50μm，所述氮化鋁顆粒的重量為復合材料總重的5-70wt％。
本發明的環氧樹脂-氮化鋁復合材料是通過如下制備方法而制得，該方法主要包括如下步驟
用偶聯劑預處理氮化鋁納米或微米顆粒表面；將溶劑加入到氮化鋁顆粒中，然后用超聲攪拌器攪拌；將上述氮化鋁溶液與環氧樹脂體系充分混合均勻，成為均一的分散液；以及將上述分散液注入模具中，然后真空除氣，最后固化。
現有研究表明在將氮化鋁與環氧樹脂混合時會發生嚴重的團聚現象，這樣的團聚會負面影響材料的性能，而且還導致聚合物基體中存在氣孔。
為了防止在制造氮化鋁-環氧樹脂復合材料的過程中發生團聚現象，本發明采用了兩種方法，即化學方法和機械方法。本發明的化學方法是采用偶聯劑來幫助分離團聚的氮化鋁，然后使分離后的氮化鋁穩定。本法采用了偶聯劑預處理氮化鋁顆粒表面，偶聯劑的加入量為氮化鋁粉末質量的0.5-5wt％。本發明的機械方法是采用了超聲振動的方法，其有助于分離團聚的氮化鋁，然后使分散后的氮化鋁進一步分散開，例如采用超聲攪拌器攪拌的方法對氮化鋁溶液進行超聲振動處理。然后將得到的氮化鋁溶液與環氧樹脂體系混合，所述環氧樹脂體系可包括環氧樹脂基體、固化劑和固化促進劑。充分攪拌上述混合物，得到高度均一的氮化鋁/環氧樹脂清漆，然后進行后續的注入與層壓。注入了氮化鋁-環氧樹脂復合材料的環氧樹脂需在真空中使溶劑揮干，以防止在層壓過程中產生氣泡。
本發明的復合材料中的環氧樹脂的種類無需特別限定。復合材料中的環氧樹脂可以是一種或一種以上。固化劑和促進劑的種類都無需特別限定。本領域適用的常規固化劑和促進劑都可用于本發明的復合材料中。
本發明采用的偶聯劑無需特別限定，優選為除了能消除團聚現象之外，還對改善氮化鋁和環氧樹脂之間的界面性能也發揮著重要作用的偶聯劑，從而能改進所制得的環氧樹脂-氮化鋁復合材料的性能。
環氧樹脂的熱機械性能由于添加了納米或微米氮化鋁也得到巨大改進。由環氧樹脂-氮化鋁復合材料制得的PCB層壓板與常規FR4 PCB板相比，CTE降低了。這使得本發明的環氧樹脂-氮化鋁PCB可用于對CTE和熱可靠性要求嚴格的用途中，尤其用于制造多層板和背板。隨著對高可靠性印刷線路板(PCB)需求的增加，尤其是多層板和采用無鉛焊接，PCB的絕緣材料的熱機械性能就成為產品質量的關鍵因素，因為在使用期間該材料需要耐受熱應力。受到熱沖擊而引起的分層、焊盤翹起、電鍍銅出現裂縫或形成電連接等現象對于常規PCB材料而言是常見的，而本發明的環氧樹脂-氮化鋁復合材料具有較低的熱膨脹系數，從而能緩解由于基板材料和銅的熱膨脹系數的失配而產生的應力，因而采用本發明的復合材料制備的印刷線路板能夠克服這些缺陷。環氧樹脂-氮化鋁復合材料制備的PCB還表現出杰出的耐受熱應力的能力，如耐受無鉛焊接中的熱應力的能力。因此，本發明的環氧樹脂-氮化鋁復合材料制備的印刷線路板的可靠性高。此外，本發明的復合材料與沒有添加氮化鋁的環氧樹脂相比具有更好的楊氏模量(young modules)。
高密度互連(HDI)是印刷線路板(PCB)的引領技術，利用該技術能使線寬和線間距減小，并能減小孔徑。該技術能顯著減小PCB的尺寸和重量，因而可在基板上制作最先進和最密集的線路板。因此，HDI是追求便攜電子產品發展趨勢所應用的重要技術。
錐度的產生是激光打孔盲孔的普遍現象，即孔的頂表面直徑大于底表面直徑。當孔壁厚度增加時，頂表面的最小直徑也隨之增加，以保持底表面直徑不變。以PCB為例，傳統PCB基板材料如環氧樹脂產生的孔的錐角大于本發明的環氧樹脂-氮化鋁PCB基板材料產生的盲孔的錐角。在傳統的PCB材料上制得的盲孔的錐度大、孔壁粗糙，如圖2所示。由于頂面直徑越小意味著底面直徑也越小，而這會影響孔的可靠性，因此難以通過打孔來獲得可靠性高的最小盲孔。且，在利用激光打孔時，為了獲得較好的孔形，還須使用阻止激光的襯墊。
本發明得到的盲孔的錐度小、底面平坦，如圖3所示。由于盲孔的錐度小，因而在保持相同底面直徑的同時可以獲得更小的或超微盲孔。這是保證HDI技術實施的重要條件。由于產生的盲孔孔形好，即錐度小，底面平坦，因而無需使用阻止激光的襯墊，從而避免了當激光束和阻止激光的襯墊的不匹配而導致打孔過深的現象發生。因此，本發明的環氧樹脂-氮化鋁復合材料尤其適用于高密電路設計，如高密互連中。采用本發明的氮化鋁PCB材料可通過減小盲孔的頂表面直徑而節省線路板基板的表面積，從而實現高密設計，如制備高密度印刷線路板，如用于通訊和高速應用如移動電話、電腦主機板、PDA、數碼相機中的高密度多層印刷線路板。
圖1為傳統方法中氮化鋁與環氧樹脂混合時所發生的聚集現象。
圖2為傳統的PCB材料上得到的盲孔。
圖3為本發明的環氧樹脂-氮化鋁復合材料上得到的盲孔。
圖4示出了本發明的環氧樹脂-氮化鋁復合材料層壓板的制備流程圖，虛線圖框是傳統方法之外的步驟。
具體實施例方式
以下通過具體實施例說明本發明的環氧樹脂-氮化鋁復合材料及其制備方法，這些實施例僅用于對本發明進行舉例說明，而非用于限定本發明。
實施例1氮化鋁和偶聯劑采用了四種不同粒徑的氮化鋁顆粒，其分別為(1)購自PlasmaChemGmbH(商品名PL-PJ-AlN)。顆粒形狀為六邊形、多面體或是碎片，粒徑范圍為5-200nm，平均粒徑為50nm。比表面積＞18m2/g，容積密度為0.16-0.28g/cm3，純度＞98.6wt％。(2)購自Hefei Kaier nanometerTechnology Development Co.Ltd.，晶體結構為六邊形，平均粒徑約為500nm。純度＞99.1wt％。(3)和(4)都購自Hefei Kaier nanometerTechnology Development Co.Ltd.平均粒徑分別為約2.3μm和5.6μm。
偶聯劑為3-(2，3-環氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷(商品名KBM-403，購自Shin-Etsu Handotai(SEH)Ltd.)，添加量為AlN顆粒的0.5-5wt％。
環氧樹脂基體、固化劑和促進劑環氧樹脂為Epon 8008和Epon 1031。Epon 8008是一種溴化的環氧樹脂，購自Huntsman Co.。環氧當量重量為410-460g/Eq，溴的含量為19.0-21.0％w/w。Epon 1031是一種固態多官能的表氯醇/四苯基醇乙烷環氧樹脂，環氧基的含量為4350-5130mmol/kg。
固化劑為雙氰胺(DICY，純度＞99.5％)，促進劑為2-甲基咪唑(2-MI，純度＞99.0％)，分別購自Neuto Products和Tokyo Kasei kogyo。DICY顆粒的平均粒徑＜1mm。
上述物質的配比見表1所列。
環氧樹脂-氮化鋁復合材料的制備先用DBM-403對氮化鋁顆粒進行預處理，即將DBM-403與氮化鋁顆粒混合、攪勻，然后按如下步驟制備復合物(1)將適量的無水乙醇加至氮化鋁顆粒中，使氮化鋁顆粒完全浸入乙醇中；(2)分別在超聲攪拌器和磁力攪拌器中攪拌上述溶液15分鐘和1個小時；(3)將Epon 8008、Epon 1031、DICY和2-MI加至上述溶液中，然后通過磁力攪拌器攪拌10個小時；(4)將復合物加到模具中，在烤箱中加熱至80℃。(5)然后加熱至100℃，并用泵減壓15分鐘；(6)最后，加熱至175℃達4個小時，從而完成聚合。
表1環氧樹脂-氮化鋁復合物的配方
圖3所示的盲孔是由本例制得的復合材料中的一種打孔而成，其中該復合材料含50wt％氮化鋁和50wt％樹脂，氮化鋁的粒徑為2.3μm。該復合材料的CTE pre-Tg和post-Tg分別為約27ppm/℃和124ppm/℃，其中的pre-Tg值與銅的pre-Tg(約17ppm/℃)非常接近。
實施例2按照實施例1的方法，采用表2所示的配方制備環氧樹脂-氮化鋁復合材料。
表2
AlN的粒徑為10nm。
實施例3按照實施例1的方法，采用表3所示的配方制備環氧樹脂-氮化鋁復合材料。
表3
AlN的粒徑為50μm。
實施例4按照實施例1的方法，采用表4所示的配方制備環氧樹脂-氮化鋁復合材料。
表4
AlN的粒徑為0.5μm。
權利要求
1.環氧樹脂-氮化鋁復合材料在制備高密度印刷線路板中的應用。
2.根據權利要求1所述的應用，其中所述環氧樹脂-氮化鋁復合材料是通過下述方法制得用偶聯劑預處理氮化鋁納米或微米顆粒表面；將溶劑加入到氮化鋁顆粒中，然后采用超聲攪拌器攪拌所得溶液；將上述氮化鋁溶液與環氧樹脂體系充分混合均勻，成為均一的分散液；以及將上述分散液注入模具中，然后在真空下干燥；其中，所述氮化鋁顆粒的粒徑為10nm-50μm，氮化鋁顆粒的重量為復合材料總重的5-70wt％。
3.根據權利要求2所述的應用，其中所述偶聯劑的加入量為氮化鋁質量的0.5-5wt％。
4.根據權利要求1-3任意一項所述的應用，其中所述高密度印刷線路板線路板為高密度多層印刷線路板。
全文摘要
本發明提供了一種環氧樹脂－氮化鋁復合材料在制備高密度印刷線路板中的應用，所述環氧樹脂－氮化鋁復合材料是通過下述方法制得用偶聯劑預處理氮化鋁納米或微米顆粒表面；將溶劑加入到氮化鋁顆粒中，然后采用超聲攪拌器攪拌所得溶液；將上述氮化鋁溶液與環氧樹脂體系充分混合均勻，成為均一的分散液；將上述分散液注入模具中，然后在真空下干燥固化。其中，所述氮化鋁顆粒的粒徑為10nm－50μm，氮化鋁顆粒的重量為復合材料總重量的5－70wt％。
文檔編號H05K3/46GK101056500SQ200710084130
公開日2007年10月17日 申請日期2007年2月16日 優先權日2007年2月16日
發明者容錦泉, 吳雋, 余大民 申請人:香港理工大學