eng
Выпуск #2/2024
А. Егоров, Е. Данилов, А. Иванов, Е. Гурова, Н. Романов, А. Гареев, Ю. Хрипунова
РАЗРАБОТКА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТЕПЛОПРОВОДЯЩЕГО ПЛЕНОЧНОГО АДГЕЗИОННОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ НУЖД ЭЛЕКТРОНИКИ – ОТЕЧЕСТВЕННЫЙ ОПЫТ
РАЗРАБОТКА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТЕПЛОПРОВОДЯЩЕГО ПЛЕНОЧНОГО АДГЕЗИОННОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ НУЖД ЭЛЕКТРОНИКИ – ОТЕЧЕСТВЕННЫЙ ОПЫТ
Просмотры: 844
DOI: 10.22184/1992-4178.2024.233.2.70.72
Разработана технология получения диэлектрического теплопроводящего пленочного адгезионного материала для монтажа алюминиевых и медных теплорассеивающих оснований печатных плат. Адгезионный материал изготовлен из модифицированной эпоксидной смолы, в качестве наполнителя использован гексагональный нитрид бора.
Разработана технология получения диэлектрического теплопроводящего пленочного адгезионного материала для монтажа алюминиевых и медных теплорассеивающих оснований печатных плат. Адгезионный материал изготовлен из модифицированной эпоксидной смолы, в качестве наполнителя использован гексагональный нитрид бора.
Теги: aerosol spraying boron nitride epoxy resin heat transfer coefficient printed circuit boards аэрозольное напыление коэффициент теплоотдачи нитрид бора печатные платы эпоксидная смола
Разработка диэлектрического теплопроводящего пленочного адгезионного материала для нужд электроники – отечественный опыт
А. Егоров, Е. Данилов, к. х. н., А. Иванов, Е. Гурова,
Н. Романов, А. Гареев, к. т. н., Ю. Хрипунова
Разработана технология получения диэлектрического теплопроводящего пленочного адгезионного материала для монтажа алюминиевых и медных теплорассеивающих оснований печатных плат. Адгезионный материал изготовлен из модифицированной эпоксидной смолы, в качестве наполнителя использован гексагональный нитрид бора.
Полимерную композицию в виде раствора-суспензии наносили на алюминиевую подложку методом аэрозольного напыления, сборку получали методом горячего прессования в вакууме. При этом базовый материал с высокой теплопроводностью обладает необходимыми технологическими характеристиками, позволяющими изготавливать сложные силовые печатные платы.
Печатные платы (ПП) являются основным конструктивным элементом современной радиоэлектронной аппаратуры. Главные тенденции развития современной электроники, связанные с ростом степени интеграции элементной базы, плотности размещения компонентов на ПП и их компактизация, увеличением мощности компонентов, повышают требования к тепловому режиму и электроизоляции проводящих элементов [1].
Из-за невозможности установки вентиляторов и радиаторов в миниатюрных или многослойных конструкциях чаще всего единственным путем управления режимом работы электронного устройства является отвод тепла от компонента через печатную плату, на которой собрано устройство, путем ее монтажа на металлическое основание, обладающее высокой собственной теплопроводностью. При этом возникают проблемы с обеспечением высокого коэффициента теплоотдачи на границах раздела материалов, связанные с невозможностью обеспечения плотного теплового контакта и минимизации граничных термических сопротивлений.
Необходимый уровень изоляции связан с расстоянием между токопроводящими элементами. Чем оно меньше, тем диэлектрические свойства подложки должны быть выше [2]. Диэлектрической подложкой большинства современных печатных плат является стеклотекстолит.
Но для данного материала сложно обеспечить низкие значения водопоглощения из-за пористости его структуры при любых технологиях получения, что приводит
к низкому уровню сопротивления такой изоляции [3].
В таком случае необходима разработка материала, который способен эффективно заполнять микропустоты между монтируемыми элементами, обладает более высокой по сравнению с воздухом собственной теплопроводностью и способен выступать в роли изолятора. Обычно такие материалы являются полимерными наполненными композитами.
Перспективным направлением является использование пленочных клеевых диэлектрических полимерных материалов. Среди преимуществ таких материалов можно отметить, что клеи эффективно распределяют механические и тепловые напряжения равномерно по широкой площади, снижая концентрацию напряжений в местах соединения. Использование пленочных материалов, в свою очередь, позволяет повысить технологичность процесса сборки, а рациональный выбор связующих позволяет эффективно защитить соединение от коррозии.
Выбор компонентов для полимерного композиционного материала основан на требованиях, предъявляемых к базовым материалам ПП. К необходимым характеристикам можно отнести высокую адгезионную прочность, физическую и химическую стабильность материала в диапазоне температур эксплуатации, диэлектрические свойства в рабочем интервале частот и высокий уровень тепло- и температуропроводности [4].
Широкое применение в производстве материалов для ПП нашли эпоксидные связующие. Это связано с их высокой адгезией к большинству наполнителей, широким выбором олигомеров и отвердителей, позволяющих получать материалы с разнообразными свойствами, высокими эксплуатационными характеристиками в отвержденном состоянии и наиболее удовлетворительными значениями газовыделения в вакууме при повышенных температурах [5]. Использование бромированных эпоксидных смол позволяет значительно повысить их пожаробезопасность, однако при этом могут снижаться адгезионные характеристики клеевого соединения. Дополнительным удобством эпоксидных связующих является возможность их компаундирования и модификации для регулирования функциональных свойств и пленкообразующей способности.
В качестве наполнителя зачастую используют соединения на основе оксида алюминия или диоксида титана. С другой стороны, недостаточно работ посвящено использованию гексагонального нитрида бора. Этот керамический материал обладает очень низкой диэлектрической проницаемостью, превосходными электроизоляционными свойствами и стойкостью к высокотемпературному окислению. Он нетоксичен, хорошо диспергиру-
ется в пастообразных композициях, имеет приближенную к полимерам плотность и высокую собственную теплопроводность по сравнению с другими керамиками [6].
В рамках проведения совместной работы АО «Электромаш» и АО «НИИграфит» была отработана опытная технология получения нового теплопроводного адгезионного материала на основе модифицированной эпоксидной смолы и гексагонального нитрида бора. Одним из существенных аспектов технологии полимерных композиций является необходимость выбора оптимального распределения частиц по размерам. Так, известно [7], что размер частиц слоистого наполнителя, как правило, обратно коррелирует с теплопроводящими свойствами композиционного материала, однако технологичность получения тонких однородных пленок требует использования частиц с необходимыми параметрами распределения по размерам. При выполнении работы были подобраны необходимые параметры измельчения в виброистирателе, обеспечивающие возможность получения стабильных пленок толщиной до 150 мкм.
Технологии изготовления адгезионных материалов с высокой теплопроводностью для монтажа ПП на теплорассеивающее основание подразумевают, как правило, каландрирование композиционной массы до получения однородной пленки. Применяется также метод трафаретной печати. В настоящей работе с целью возможной интеграции процесса в непрерывную линию изготовления слоев печатной платы был отработан способ аэрозольного напыления пленки непосредственно на алюминиевую подложку.
Материал подготавливался путем смешения компонентов и растворителей с последующим напылением на алюминиевую подложку и испарением растворителя. Нанесение композиций пневматическим напылением основано на воздействии потока сжатого воздуха
на полимерный материал, формирующий покрытие и имеющий в своем составе легкоиспаряемый растворитель. Главными его достоинствами являются высокая технологичность, которая заключается в возможности наносить практически любые жидкие составы на подложки разных размеров и форм, простоте и надежности обслуживания распылительного устройства, применимостью в различных производственных условиях и т.д. [8].
Сборку на основе алюминиевой подложки и медной электрической фольги с использованием разработанного материала можно получить методом горячего прессования в вакуумных гидравлических прессах, ее вид представлен на рис. 1.
Ограничения метода аэрозольного напыления связаны, в первую очередь, с затруднениями в формировании сплошной равнотолщинной пленки, что накладывает дополнительные требования на вязкость распыляемой композиции и на смачивание материала подложки.
Путем подбора отдельных компонентов, природы и количества растворителя (метилэтилкетона) удается обеспечить технологически приемлемую динамическую вязкость системы для работы серийно изготавливаемых напылительных установок (около 250 мПа·с) при высокой смачиваемости алюминиевой подложки (краевой угол смачивания 36±2), что приводит к требуемым для полного растекания значениям критериальных факторов, а также получению отвержденных адгезионных слоев с высокой адгезией как к алюминию, так и к меди.
Основные характеристики базового материала на алюминиевой основе с применением нового адгезива приведены в табл. 1.
Таким образом, представлены основные результаты первого отечественного опыта получения напыленного пленочного адгезионного теплопроводящего диэлектрического состава для применения в монтаже печатных плат. Разработанная технология подразумевает использование только отечественных компонентов и после
масштабирования позволяет организовать технологию получения полупродукта (адгезионная пленка на алюминиевом основании) с производительностью не менее двух-трех погонных метров в минуту на одну технологическую установку, что отвечает современным потребностям в соответствующем материале.
ЛИТЕРАТУРА
Раньери Д. Правильный выбор материала основания может упростить обеспечение теплового режима //
ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2018. № 10.
С. 116–119.
Ahmad Z. Polymer dielectric materials // Dielectric material. IntechOpen, 2012.
Уразаев В. О проблеме влагостойкости
печатного монтажа // Компоненты и технологии. 2002. № 21. С. 152–154.
Александрова Л.Г. Клеевые материалы в производстве фольгированных диэлектриков и печатных плат // Новос-
ти материаловедения. Наука и техника. 2016. № 2. 5 с.
Векшин Н.Н., Озерский М.Д., Гладких С.Н.
Теплопроводящие эпоксидные клеящие материалы
для бортовой аппаратуры // Инновационные аспекты
социально-экономического развития региона:
сб. ст. по материалам участников VI Ежегодной
научной конференции аспирантов «МГОТУ», 2015.
С. 87–94.
Guerra V., Wan C., McNally T. Thermal conductivity of 2D nanostructured boron nitride (BN) and its composites with polymers // Progress in Materials Science. 2019. V. 100.
PP. 170–186.
Danilov E.A., Samoilov V.M., Kaplan I.M. et al.
Excellent Thermal and Dielectric Properties of Hexagonal Boron Nitride/Phenolic Resin Bulk Composite Material
for Heatsink Applications // Journal of Composites Science.
2023. V. 7. No. 7. P. 291.
Кондрашин А., Лямин А., Слепцов В.
Современные технологии изготовления трехмерных
электронных устройств. Litres, 2022.
А. Егоров, Е. Данилов, к. х. н., А. Иванов, Е. Гурова,
Н. Романов, А. Гареев, к. т. н., Ю. Хрипунова
Разработана технология получения диэлектрического теплопроводящего пленочного адгезионного материала для монтажа алюминиевых и медных теплорассеивающих оснований печатных плат. Адгезионный материал изготовлен из модифицированной эпоксидной смолы, в качестве наполнителя использован гексагональный нитрид бора.
Полимерную композицию в виде раствора-суспензии наносили на алюминиевую подложку методом аэрозольного напыления, сборку получали методом горячего прессования в вакууме. При этом базовый материал с высокой теплопроводностью обладает необходимыми технологическими характеристиками, позволяющими изготавливать сложные силовые печатные платы.
Печатные платы (ПП) являются основным конструктивным элементом современной радиоэлектронной аппаратуры. Главные тенденции развития современной электроники, связанные с ростом степени интеграции элементной базы, плотности размещения компонентов на ПП и их компактизация, увеличением мощности компонентов, повышают требования к тепловому режиму и электроизоляции проводящих элементов [1].
Из-за невозможности установки вентиляторов и радиаторов в миниатюрных или многослойных конструкциях чаще всего единственным путем управления режимом работы электронного устройства является отвод тепла от компонента через печатную плату, на которой собрано устройство, путем ее монтажа на металлическое основание, обладающее высокой собственной теплопроводностью. При этом возникают проблемы с обеспечением высокого коэффициента теплоотдачи на границах раздела материалов, связанные с невозможностью обеспечения плотного теплового контакта и минимизации граничных термических сопротивлений.
Необходимый уровень изоляции связан с расстоянием между токопроводящими элементами. Чем оно меньше, тем диэлектрические свойства подложки должны быть выше [2]. Диэлектрической подложкой большинства современных печатных плат является стеклотекстолит.
Но для данного материала сложно обеспечить низкие значения водопоглощения из-за пористости его структуры при любых технологиях получения, что приводит
к низкому уровню сопротивления такой изоляции [3].
В таком случае необходима разработка материала, который способен эффективно заполнять микропустоты между монтируемыми элементами, обладает более высокой по сравнению с воздухом собственной теплопроводностью и способен выступать в роли изолятора. Обычно такие материалы являются полимерными наполненными композитами.
Перспективным направлением является использование пленочных клеевых диэлектрических полимерных материалов. Среди преимуществ таких материалов можно отметить, что клеи эффективно распределяют механические и тепловые напряжения равномерно по широкой площади, снижая концентрацию напряжений в местах соединения. Использование пленочных материалов, в свою очередь, позволяет повысить технологичность процесса сборки, а рациональный выбор связующих позволяет эффективно защитить соединение от коррозии.
Выбор компонентов для полимерного композиционного материала основан на требованиях, предъявляемых к базовым материалам ПП. К необходимым характеристикам можно отнести высокую адгезионную прочность, физическую и химическую стабильность материала в диапазоне температур эксплуатации, диэлектрические свойства в рабочем интервале частот и высокий уровень тепло- и температуропроводности [4].
Широкое применение в производстве материалов для ПП нашли эпоксидные связующие. Это связано с их высокой адгезией к большинству наполнителей, широким выбором олигомеров и отвердителей, позволяющих получать материалы с разнообразными свойствами, высокими эксплуатационными характеристиками в отвержденном состоянии и наиболее удовлетворительными значениями газовыделения в вакууме при повышенных температурах [5]. Использование бромированных эпоксидных смол позволяет значительно повысить их пожаробезопасность, однако при этом могут снижаться адгезионные характеристики клеевого соединения. Дополнительным удобством эпоксидных связующих является возможность их компаундирования и модификации для регулирования функциональных свойств и пленкообразующей способности.
В качестве наполнителя зачастую используют соединения на основе оксида алюминия или диоксида титана. С другой стороны, недостаточно работ посвящено использованию гексагонального нитрида бора. Этот керамический материал обладает очень низкой диэлектрической проницаемостью, превосходными электроизоляционными свойствами и стойкостью к высокотемпературному окислению. Он нетоксичен, хорошо диспергиру-
ется в пастообразных композициях, имеет приближенную к полимерам плотность и высокую собственную теплопроводность по сравнению с другими керамиками [6].
В рамках проведения совместной работы АО «Электромаш» и АО «НИИграфит» была отработана опытная технология получения нового теплопроводного адгезионного материала на основе модифицированной эпоксидной смолы и гексагонального нитрида бора. Одним из существенных аспектов технологии полимерных композиций является необходимость выбора оптимального распределения частиц по размерам. Так, известно [7], что размер частиц слоистого наполнителя, как правило, обратно коррелирует с теплопроводящими свойствами композиционного материала, однако технологичность получения тонких однородных пленок требует использования частиц с необходимыми параметрами распределения по размерам. При выполнении работы были подобраны необходимые параметры измельчения в виброистирателе, обеспечивающие возможность получения стабильных пленок толщиной до 150 мкм.
Технологии изготовления адгезионных материалов с высокой теплопроводностью для монтажа ПП на теплорассеивающее основание подразумевают, как правило, каландрирование композиционной массы до получения однородной пленки. Применяется также метод трафаретной печати. В настоящей работе с целью возможной интеграции процесса в непрерывную линию изготовления слоев печатной платы был отработан способ аэрозольного напыления пленки непосредственно на алюминиевую подложку.
Материал подготавливался путем смешения компонентов и растворителей с последующим напылением на алюминиевую подложку и испарением растворителя. Нанесение композиций пневматическим напылением основано на воздействии потока сжатого воздуха
на полимерный материал, формирующий покрытие и имеющий в своем составе легкоиспаряемый растворитель. Главными его достоинствами являются высокая технологичность, которая заключается в возможности наносить практически любые жидкие составы на подложки разных размеров и форм, простоте и надежности обслуживания распылительного устройства, применимостью в различных производственных условиях и т.д. [8].
Сборку на основе алюминиевой подложки и медной электрической фольги с использованием разработанного материала можно получить методом горячего прессования в вакуумных гидравлических прессах, ее вид представлен на рис. 1.
Ограничения метода аэрозольного напыления связаны, в первую очередь, с затруднениями в формировании сплошной равнотолщинной пленки, что накладывает дополнительные требования на вязкость распыляемой композиции и на смачивание материала подложки.
Путем подбора отдельных компонентов, природы и количества растворителя (метилэтилкетона) удается обеспечить технологически приемлемую динамическую вязкость системы для работы серийно изготавливаемых напылительных установок (около 250 мПа·с) при высокой смачиваемости алюминиевой подложки (краевой угол смачивания 36±2), что приводит к требуемым для полного растекания значениям критериальных факторов, а также получению отвержденных адгезионных слоев с высокой адгезией как к алюминию, так и к меди.
Основные характеристики базового материала на алюминиевой основе с применением нового адгезива приведены в табл. 1.
Таким образом, представлены основные результаты первого отечественного опыта получения напыленного пленочного адгезионного теплопроводящего диэлектрического состава для применения в монтаже печатных плат. Разработанная технология подразумевает использование только отечественных компонентов и после
масштабирования позволяет организовать технологию получения полупродукта (адгезионная пленка на алюминиевом основании) с производительностью не менее двух-трех погонных метров в минуту на одну технологическую установку, что отвечает современным потребностям в соответствующем материале.
ЛИТЕРАТУРА
Раньери Д. Правильный выбор материала основания может упростить обеспечение теплового режима //
ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2018. № 10.
С. 116–119.
Ahmad Z. Polymer dielectric materials // Dielectric material. IntechOpen, 2012.
Уразаев В. О проблеме влагостойкости
печатного монтажа // Компоненты и технологии. 2002. № 21. С. 152–154.
Александрова Л.Г. Клеевые материалы в производстве фольгированных диэлектриков и печатных плат // Новос-
ти материаловедения. Наука и техника. 2016. № 2. 5 с.
Векшин Н.Н., Озерский М.Д., Гладких С.Н.
Теплопроводящие эпоксидные клеящие материалы
для бортовой аппаратуры // Инновационные аспекты
социально-экономического развития региона:
сб. ст. по материалам участников VI Ежегодной
научной конференции аспирантов «МГОТУ», 2015.
С. 87–94.
Guerra V., Wan C., McNally T. Thermal conductivity of 2D nanostructured boron nitride (BN) and its composites with polymers // Progress in Materials Science. 2019. V. 100.
PP. 170–186.
Danilov E.A., Samoilov V.M., Kaplan I.M. et al.
Excellent Thermal and Dielectric Properties of Hexagonal Boron Nitride/Phenolic Resin Bulk Composite Material
for Heatsink Applications // Journal of Composites Science.
2023. V. 7. No. 7. P. 291.
Кондрашин А., Лямин А., Слепцов В.
Современные технологии изготовления трехмерных
электронных устройств. Litres, 2022.
Отзывы читателей
