高散热印制电路材料与互连的构建研究

发布时间：2017-05-16 18:26

  本文关键词：高散热印制电路材料与互连的构建研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：高性能印制电路板是大功率器件实现高速信号处理与传输的重要载体,而高散热材料研发和高密度互连构建是高可靠印制电路板制造中亟需解决的两个热点问题。高散热材料须同时兼具耐高温、高导热系数与低成本等优点,高密度互连则须符合厚度均一与层间多阶堆叠等指标,这些特殊的要求正挑战着传统印制电路材料与制作技术。因此,开展基于高散热印制电路新型材料与互连结构构建的研究,对提升高性能印制电路板制造技术水平具有重要的科学意义与实用价值。(1)对常用印制电路基板进行导热性能、耐热性、热膨胀性能等分析。结果表明碳氢聚合物覆铜基板的性能最佳,其中导热系数达到0.797 Wm-1K-1、热分解温度高至350℃以及热膨胀系数72.7×10-6/℃,但是碳氢聚合物覆铜基板成本高,很难广泛应用于低成本的印制电路板。对导通孔互连结构的吹孔失效问题进行分析,结果表明了吹孔失效的原因是在无铅焊接的高温环境下,不规则孔壁内部的水汽迅速排出而把熔融状态的焊料吹向孔外。为了制造出高性能的印制电路板,低成本高导热介质材料的开发与高可靠性层间互连结构的构建等问题亟需得到解决。(2)在球磨条件下同时对AlN颗粒进行粒度细化与半硅醇吸附表面改性。不同含量的AlN颗粒与聚芳醚腈(PEN)共混制备出二元复合材料。考察了AlN颗粒在PEN基体的分散性以及不同AlN含量对复合材料导热系数、热稳定性、热膨胀系数、介电性能、电阻特性与拉断强度的影响。研究结果表明:表面吸附了半硅醇的AlN颗粒能均匀分散在PEN基体。AlN颗粒的表面改性有利于降低与PEN基体复合时的相界面热阻效应,提高AlN/PEN复合材料的导热系数;AlN/PEN复合材料的导热系数随着AlN加入量的增加而变大;42.3 vol%AlN/PEN复合材料的导热系数达到0.779 Wm-1K-1;改良Russell模型能较好地反映AlN/PEN复合材料导热系数的变化趋势。AlN/PEN复合材料的热稳定性随着AlN颗粒加入量的增多而升高,且复合材料的最终分解温度为440℃以上。当AlN含量过高,温度升高会造成AlN颗粒在PEN基体中发生自沉淀与团聚,AlN/PEN复合材料的CTE呈现负值变化。AlN/PEN复合材料的介电常数与介电损耗正切值均随着AlN加入量的增多而变大,且频率升高过程中,AlN/PEN复合材料介电常数与介电损耗正切值的变化对频率变化的依赖性弱。AlN/PEN复合材料的电阻率随着AlN含量的增大而减小,但绝缘PEN聚合物基体的存在仍能保证复合材料具有相对较高的电阻率,42.3 vol%AlN/PEN复合材料的电阻率同样高达1.39 GΩ.cm。AlN/PEN复合材料的抗断强度均在22.6 N以上。(3)以CuSO4与NaHCO3为反应主体,PEG为添加剂,水热合成出碱式碳酸酸,高温热分解后获得CuO,其微观形态为片状小颗粒松散堆积成球形,粒度分布范围是100 nm~100μm,且纯度高。超声处理后,乙醚溶剂浸泡的CuO颗粒的微观形貌变成小颗粒紧密堆积球状,而乙醇溶剂浸泡的CuO颗粒的微观形貌则变成完全离散的片状小颗粒。考察了CuO颗粒的形貌不同对表征测试的影响。结果表明:乙醇中超声处理的CuO颗粒对表征的影响更显著,粒度分布变为60 nm~10μm,沉降速率得到降低,UV-vis光谱中出现220 nm和390 nm两个吸收峰,XRD衍射角发生轻微的增大,XPS的光电子峰强增强且峰位向高结合能方向偏移,Raman强度增强,溶解速率提高到7 s,能高效地维持不溶性阳极电镀系统铜离子浓度的稳定性而获得高质量的铜沉积效果。(4)采用恒电流法(GM)、循环伏安法(CV)与恒电势法考察了含有不同添加剂的镀液体系的电化学行为。在物理气相沉积(PVD)铜层表面电化学沉积铜颗粒,并用扫描电子显微镜(SEM)与XRD分析沉积铜层的效果。电化学沉积的铜柱与铜线的切片则用金相显微镜进行观察。GM结果显示在60 mg/L氯离子存在的情况下,环氧乙烷-环氧丙烷嵌段共聚物(EO/PO)浓度的增大可进一步抑制铜颗粒的沉积速率,且EO/PO的浓度增加至20 mg/L时,抑制效果达到最大。GM、CV与恒电势测试结果表明添加剂间的协同作用能使含0.40 mol/LCuSO4·5H2O、1.80 mol/LH2SO4的基础镀液体系的电化学铜沉积速率得到增大,此时添加剂及其浓度确定为20 mg/LEO/PO、0.7 mg/L聚二硫二丙烷磺酸钠(SPS)以及60 mg/L氯离子。与压延铜层相比,具备平整表面的PVD铜层所沉积的铜颗粒密度更大,沉积铜层的均匀性更好。增加周期性阴极抖动可提高铜沉积的厚度均一性。电化学沉积铜的主导生长方向为(1 1 1)面。上述镀液体系配方、PVD铜层与阴极周期性抖动相结合进行电化学沉积铜,可获得均匀性良好的Bottom-up沉积铜柱与精细铜线。(5)设计并实现了两种新型的印制电路互连结构,包括塞树脂式叠孔互连结构与全加成叠孔互连结构。塞树脂式叠孔互连结构的树脂填塞平整紧密,盲孔与通孔的对位精准;全加成叠孔互连结构的铜线精细且均匀,铜柱厚度均一性高,整板平整度好;这种两种新型互连结构的实现在一定程度提高了印制电路板制作的高密度化水平。
【关键词】：印制电路 复合材料 氧化铜 电化学沉积 互连
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN41
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-14
• 第一章 绪论14-35
• 1.1 引言14
• 1.2 印制电路板的散热研究现状14-26
• 1.2.1 固体物质导热的相关理论14-16
• 1.2.2 散热孔设计改善散热问题16-17
• 1.2.3 金属基设计改善散热问题17-18
• 1.2.4 改性高分子复合材料改善散热问题18-26
• 1.2.4.1 环氧树脂及其导热改性18-22
• 1.2.4.2 酚醛树脂及其导热改性22-23
• 1.2.4.3 聚酰亚胺及其导热改性23
• 1.2.4.4 聚苯醚树脂及其导热改性23-24
• 1.2.4.5 氰酸酯树脂及其导热改性24
• 1.2.4.6 双马来酰亚胺三嗪树脂及其导热改性24-25
• 1.2.4.7 聚四氟乙烯及其导热改性25-26
• 1.3 印制电路板互连结构现状26-34
• 1.3.1 孔金属化实现互连方法26-30
• 1.3.1.1 预镀层的形成及机理26-28
• 1.3.1.2 电镀层的形成及机理28-30
• 1.3.2 导通孔互连结构30-31
• 1.3.3 盲孔互连结构31
• 1.3.4 叠孔互连结构31-34
• 1.4 本论文选题依据和研究内容34-35
• 第二章 印制电路板材料热性能与孔互连失效的研究35-48
• 2.1 印制电路板材料温变热性能的研究35-41
• 2.1.1 实验材料与仪器35
• 2.1.2 实验部分35-36
• 2.1.2.1 基板导热系数温变性能35-36
• 2.1.2.2 基板热稳定温变性能36
• 2.1.2.3 基板热膨胀温变性能36
• 2.1.3 实验结果与讨论36-41
• 2.1.3.1 基板导热性能分析36-39
• 2.1.3.2 基板热稳定性分析39
• 2.1.3.3 基板CTE性能分析39-40
• 2.1.3.4 基板热性能评估40-41
• 2.2 印制电路板孔互连失效的研究41-46
• 2.2.1 实验部分41-42
• 2.2.2 实验结果42-44
• 2.2.2.1 吹孔的可视观察42-43
• 2.2.2.2 导通孔内部结构43
• 2.2.2.3 基板材料吸湿性分析43-44
• 2.2.3 讨论44-46
• 2.3 本章小结46-48
• 第三章 AlN/PEN复合材料的制备及其性能研究48-71
• 3.1 前言48-49
• 3.2 实验部分49-51
• 3.2.1 实验材料49
• 3.2.2 复合材料的制备过程49-50
• 3.2.2.1 AlN颗粒的表面处理49
• 3.2.2.2 复合材料的制备49-50
• 3.2.3 复合材料的表征测试50-51
• 3.2.3.1 测试样品制备50
• 3.2.3.2 AlN/PEN复合材料的表征测试50-51
• 3.3 结果与讨论51-69
• 3.3.1 AlN颗粒的表面功能化51-54
• 3.3.2 AlN颗粒与PEN基体的共混效果54-55
• 3.3.3 AlN/PEN复合材料的红外光谱55-56
• 3.3.4 AlN颗粒的加入对PEN基体结构的影响56-57
• 3.3.5 AlN/PEN复合材料的导热性能57-64
• 3.3.5.1 导热系数模型57-58
• 3.3.5.2 AlN/PEN复合材料的导热系数58-64
• 3.3.6 t-AlN/PEN复合材料的热稳定性64-65
• 3.3.7 t-AlN/PEN复合材料的CTE65
• 3.3.8 t-AlN/PEN复合材料的介电性能65-68
• 3.3.9 t-AlN/PEN复合材料的电阻特性68
• 3.3.10 t-AlN/PEN复合材料的拉断强度68-69
• 3.4 本章小结69-71
• 第四章 电化学沉积用氧化铜的合成及形貌控制研究71-94
• 4.1 电化学沉积用氧化铜的合成及表征71-76
• 4.1.1 实验部分71-72
• 4.1.1.1 氧化铜的合成71-72
• 4.1.1.2 氧化铜的表征测试72
• 4.1.2 结果与讨论72-76
• 4.1.2.1 氧化铜的形成过程72-74
• 4.1.2.2 氧化铜的表征74-76
• 4.2 超声控制氧化铜形貌及表征76-92
• 4.2.1 实验部分77-79
• 4.2.1.1 氧化铜的超声处理过程77
• 4.2.1.2 超声处理氧化铜的表征77-79
• 4.2.2 结果与讨论79-92
• 4.2.2.1 超声处理对氧化铜形貌的影响79-83
• 4.2.2.2 不同形貌氧化铜的粒度分布情况83-84
• 4.2.2.3 不同形貌氧化铜对沉降速率影响84-85
• 4.2.2.4 不同形貌氧化铜对紫外-可见吸收光谱的影响85
• 4.2.2.5 不同形貌氧化铜对XRD测试的影响85-87
• 4.2.2.6 不同形貌氧化铜对XPS测试的影响87-89
• 4.2.2.7 不同形貌氧化铜对Raman光谱的影响89-90
• 4.2.2.8 不同形貌氧化铜对溶解速率的影响90
• 4.2.2.9 CuO-EA颗粒在电化学沉积中的应用90-92
• 4.3 本章小结92-94
• 第五章 电化学沉积铜的均匀性生长控制研究94-108
• 5.1 前言94-95
• 5.2 实验部分95-96
• 5.3 结果与讨论96-107
• 5.3.1 添加剂对电化学沉积铜的影响96-99
• 5.3.2 添加剂辅助电化学沉积铜的均匀性控制99-105
• 5.3.2.1 底铜选择对电化学沉积铜的均匀性影响99-100
• 5.3.2.2 添加剂选择对电化学沉积铜的均匀性影响100-104
• 5.3.2.3 溶液搅拌对电化学沉积铜的均匀性影响104-105
• 5.3.3 添加剂对铜晶体生长的影响105-107
• 5.4 本章小结107-108
• 第六章 印制电路互连结构的构建与实现108-115
• 6.1 前言108
• 6.2 印制电路互连结构的构建108-110
• 6.2.1 塞树脂式叠孔互连结构的构建108-110
• 6.2.2 全加成叠孔互连结构的构建110
• 6.3 印制电路互连结构的实现110-114
• 6.3.1 塞树脂式叠孔互连结构的实现110-112
• 6.3.1.1 孔内填塞树脂质量控制110-112
• 6.3.1.2 塞树脂式叠孔互连结构的制作112
• 6.3.2 全加成叠孔互连结构的实现112-114
• 6.4 本章小结114-115
• 第七章 结论与展望115-118
• 致谢118-119
• 参考文献119-136
• 攻读博士学位期间取得的成果136-139

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