Novel Thermally Conductive and Flame-Retardant Substrates for Printed Circuit Boards : Structure-Property-Relationships

Titelangaben

Pawelski-Höll, Christin:
Novel Thermally Conductive and Flame-Retardant Substrates for Printed Circuit Boards : Structure-Property-Relationships.
Bayreuth , 2022 . - XI, 217 S.
( Dissertation, 2021 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00005944

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Abstract

New trends in technology come at the cost of increasing demands on material properties. Prepreg-based materials as used in Printed Circuit Boards (PCBs) are no exception. The short and long-term temperature range which they need to operate in has increased dramatically, critical material failures are often the consequence. Additionally, RoHS compliances and governmental regulations limit the use of i.e., lead-based soldering processes have their share as well. Lead-free soldering requires temperatures about 40 °C higher than State-of-the-Art technologies, making thermal management one of the critical properties of modern PCB base materials. State-of-the-Art polymer-based PCB materials such as glass-fiber (GF) reinforced thermosets lack this requirement due to their low intrinsic thermal conductivity. Pairing high thermally conductive metals that also possess a low CTE with polymers in PCBs creates a challenge as both material classes show a different dimensional behavior under thermal cycling, and PCB delamination or hot-spot formation is the result.
The current research is challenged by the broad spectrum of requirements that need to be fulfilled. Increasing thermal conductivity and other thermal properties usually come at the cost of other must-have properties of PCBs, like water absorption, dielectric and mechanical properties.
So how does one make the impossible possible?
Searching for the “holy grail” in the fields of PCB substrates is finding a material (combination) whose processing is cost-efficient material-wise with a short production cycle at an industrial scale. In addition, the base material must comply with current regulations and has to meet the requirements coming from more demanding and new applications in challenging environments.
Therefore, this doctoral thesis, aims to design a process and material that are environmental-friendly and cost-efficient and applicable in industrial scale. The high-Tg base material is tailored towards a simultaneous increase in thermal conductivity and flame retardancy without deteriorating other essential properties (i.e., water absorption, dielectric properties). The workflow involves the screening of different fillers of different nature, different filler sizes, and concentrations in feasibility studies. In addition, filler combinations and their ratios are investigated. The fillers’ dispersion and orientation are vital factors that can be triggered by an optimized processing method.
Experimental studies are conducted in different stages: filled resin plates, prepregs, and their corresponding GF-reinforced laminates. The structure-property-relationship is established by comparing the overall results with special attention to the effect of GF. The main aim is to understand the impact of (synergistic) filler combinations, and the increasing FVC on filtration of fillers, filler network formation and the final laminate properties. The transferability between filled resin plates to their fiber-reinforced systems is studied to focus on thermal and mechanical properties. It is of great scientific interest to understand the inter-dependency of different fiber volume contents (FVC) with the thermal properties to describe models and give forecasts.

Abstract in weiterer Sprache

Neue technologische Trends gehen mit steigenden Anforderungen an Materialeigenschaften einher. Prepreg-basierte Materialien, wie sie in Leiterplatten (LP) verwendet werden, sind keine Ausnahme, da die kurz- und langfristigen Einsatztemperaturen dramatisch zugenommen haben. Ein Versagen des Trägermaterials ist oft die Folge. Darüber hinaus haben RoHS-Konformität und gesetzliche Vorschriften den Einsatz von bleihaltigen Lötprozessen eingeschränkt. Bleifreies Löten erfordert Temperaturen, die um etwa 40 °C höher liegen als bisherige Blei-basierte Verfahren, wodurch das Wärmemanagement zu einer der Schlüsseleigenschaften moderner PCB-Basismaterialien wird. Derzeitig verfügbare PCB-Materialien auf Polymerbasis, wie beispielsweise glasfaserverstärkte (GF) Duroplaste, haben diese Anforderung aufgrund ihrer geringen inhärenten Wärmeleitfähigkeit nicht.
Die Kombination von Baugruppen aus Metallen und polymeren Materialien in Leiterplatten, zeigen bei Temperaturwechselbeanspruchungen ein unterschiedliches Ausdehnungsverhalten (CTE). Neben dem Auftreten von Hot-Spots ist auch Materialversagen (= Delamination) die Folge.
Die aktuelle Herausforderung liegt darin, das breite Spektrum der Anforderungen, die erfüllt werden müssen, zu kombinieren. Die Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit und anderer thermischer Eigenschaften geht in der Regel einher mit der Verschlechterung anderer notwendiger Eigenschaften von PCB, wie der Wasserabsorption, dielektrische und mechanischen Eigenschaften.
Wie macht man das Unmögliche möglich?
Bei der Suche nach dem „Heiligen Gral“ in den Bereichen der PCB-Substrate wird nach einem Material (-Kombination) gesucht, dessen Verarbeitung kostengünstig ist, aber auch einen kurzen Produktionszyklus erfordert (Serienproduktion), und im industriellen Maßstab abbildbar ist. Darüber hinaus muss das Basismaterial den geltenden Vorschriften entsprechen und die Anforderungen erfüllen, die sich aus anspruchsvolleren und neuen Anwendungen in schwierigen Umgebungen ergeben.
Ziel dieser Doktorarbeit ist es, ein Verfahren zu konzipieren, das umweltfreundlich, kostengünstig und im industriellen Maßstab anwendbar ist. Das hoch-Tg-Basismaterial ist auf eine gleichzeitige Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit und des Flammschutzes ausgerichtet, ohne dass andere wichtige Eigenschaften (d. h. Wasserabsorption, dielektrische Eigenschaften) beeinträchtigt werden. Dazu wurden verschiedene Füllstoffe unterschiedlicher Natur, unterschiedlicher Füllstoffgröße und -konzentrationen verwendet. Außerdem werden Füllstoffkombinationen und deren Verhältnisse untersucht. Die Verteilung und Orientierung der Füllstoffe sind entscheidende Faktoren, die durch das optimierte, lösungsmittelfreie Verarbeitungsverfahren beeinflusst werden kann.
Experimentelle Studien werden in verschiedenen Stadien durchgeführt: gefüllte Harzplatten, Prepregs und ihre GF-verstärkten Laminate. Eine Struktur-Eigenschafts-Beziehung wird durch den Vergleich der Gesamtergebnisse unter besonderer Berücksichtigung der Wirkung von GF hergestellt. Das Hauptziel besteht darin, die Auswirkungen der kombinierten Füllstoffe und die Variation des Faservolumengehaltes (FVG) auf die Filtration von Füllstoffen, die Ausildung des Füllstoffnetzwerks und den daraus resultierenden Eigenschaften zu verstehen. Die Übertragbarkeit von Kompositen auf deren faserverstärkte Systeme wird mit Fokus auf die thermischen Eigenschaften untersucht. Es ist es von großem wissenschaftlichem Interesse, die Abhängigkeit von unterschiedlichen Faservolumengehalten (FVC) auf die thermischen Eigenschaften zu verstehen und die Basis für Vorhersagen oder modellmäßige Beschreibungen zu schaffen.