不锈钢基高导热板材表面处理工艺研究

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【摘 要】不锈钢基高导热板材因其优良的耐酸碱性和磁吸附性，成功取代了铜基和铝基等常用高导热金属基板材在特殊应用领域如海洋基建设施，船舶工业等易受酸碱侵袭环境下的应用；而在整个不锈钢基板生产制作过程中，不锈钢基板热应力分层起泡问题是困扰业内各生产厂家的一大难点；本文以不锈钢为研究对象，通过从化学和物理角度两个方面对比不同的不锈钢表面处理方式，对其分层起泡问题的改善作用；最后选择了一种钢材粗化、涂布偶联剂+半固化片相结合的表面处理方式，可以从根本上杜绝不锈钢板分层起泡问题。

【关键词】不锈钢基；结合力；丝网印刷；导热胶；压合

一、前言

传统铝基和铜基高导热金属基板长期在潮湿的酸碱环境下，容易产生微电池效应，从而极易腐蚀元器件缩短元器件的寿命；而不锈钢基板具备耐酸碱，可有效地降低恶劣环境对元器件的影响。根据其磁分为受磁系列和不受磁系列；表面处理时通常使用物理粗化；但因机械磨刷受不锈钢硬度的影响，表面粗糙度不均匀；与导热胶的结合力较差而造成分层起泡；直接影响板材的可靠性；为改善不锈钢基板的分层起泡缺陷，研究一种科学的加工方法势在必行。

二、不锈钢基板加工工艺

目前不锈钢基板的制作工艺分为两种：一种通过在钢板上涂布绝缘层后直接压合；此工艺受涂布设备和不锈钢基材平整度影响，介质均匀性较差；不适宜批量生产。另外一种方式为采用半固化片或上胶铜箔压合成型；操作简单、效率高；为业内常规生产模式。

三、不锈钢板加工过程分析

在生产过程中，分层缺陷一直是业界难题；为了更好的了解分层产生的机理，并验证金属基表面处理对分层的影响；针对性的提出解决方案，分别采用不同的加工方式进行实验。

3.1 金属基板表面处理方式业内常用的方法一般有喷砂、拉丝、磨刷、阳极氧化。

3.1.1 喷砂

喷砂是采用压缩空气为动力，以形成高速喷射束将喷料（铜矿砂、石英砂、金刚砂、铁砂、海南砂）高速喷射到需要处理的工件表面，使工件表面的外表面的外表或形状发生变化，由于磨料对工件表面的冲击和切削作用，使工件的表面获得一定的清洁度和不同的粗糙度，使工件表面的机械性能得到改善，因此提高了工件的抗疲劳性，增加了它和涂层之间的附着力，延长了涂膜的耐久性，也有利于涂料的流平和装饰。

3.1.2 拉丝

拉丝所得到的效果会有极细微的凸凹效果。选择不同的拉丝轮可达到不同的拉丝效果，同时还可以进行遮蔽选择性拉丝。拉丝可根据装饰需要，制成直纹、乱纹、螺纹、波纹和旋纹等几种。

3.1.3 磨刷

磨刷工艺的原理类似拉丝工艺原理；都是通过磨刷辊轮在一定的压力下高速转动切削加工面，使被加工面产生具有一定方向性的凹凸粗化效果。磨刷工艺可以根据磨刷辊轮的制作方式分为不织布缠绕式和放射式，以及重型切削的砂带研磨式，具体可以根据被加工材质要求进行选择，以达到粗化效果。

3.1.4 阳极氧化

阳极氧化层具有耐酸碱，防刮花和美化作用；阳极氧化的原理实质上就是水电解的原理，当电流通过时， 将发生以下的反应：

在阴极上， 按下列反应放出 H2：2H++2e H2

在阳极上， 4OH4e 2H2O + O2， 析出的氧不仅是分子态的氧 （O2）， 还包括原子氧（O）， 以及离子氧（O2-）， 通常在反应中以分子氧表示。

3.2 不同表面处理方式试验

为验证不同表面处理对结合力的影响，采用半固化片与涂布树脂工艺，通过设置不同的参数、条件增强铝材表面粗糙度进行压制。

3.2.1 具体实验及结果如表一

从统计数据可明显看出喷砂、不织布磨刷Ra值差别不大，砂带磨刷略高；采用半固化片压合都存在起泡的缺陷；而采用涂布树脂压合无不良品，工艺稳定性较好。阳极氧化对不锈钢腐蚀严重，工艺成熟度不够；整体来看表面粗糙度的大小对分层的改善不明显。

3.2.2 不同表面处理粗糙度分析：

3.2.3 缺陷分析

为查证采用半固化片压合板材分层的具体部位，对比喷砂处理后的两种工艺产品进行了切片分析，发现主要表现为介质层与不锈钢板界面。起泡区域的基材表面粗糙度较高（如下图四），而采用涂布工艺未分层的界面粗糙度不明显（如下图五）；说明基材表面粗糙度不是影响不锈钢板分层爆板的主要因素。

而采用涂布树脂与半固化片压合工艺不同之处在于涂布树脂是把调配好的树脂胶直接印到不锈钢材上，在钢材上完成介质层的半固化过程；让液态的树脂胶润浸到金属基表面增强亲和力。

通过对涂布树脂工艺原理分析，提升介质与金属基的亲和力是研究的重点方向；因此筛选并采用偶联剂原料对无机和有机界面的桥接性能，来提高钢材与介质层的结合力是个可行的方案。

偶联剂是一类硅基的有机/无机杂化物，其基本分子式为：R’（CH2）.Si（OR）3，其中0R是可水解的基团，所以它分布在无机物与有机物界面上时，在相互没有亲和力而难以兼容的界面之间起着“乳化剂”的作用。其反应原理分四步完成：

R-Si-（OR） 1+ 3H2O R-Si-（OH） 3+ ROH

（1） 与硅相连的3个Si-OR基水解成Si-OH；

（2） Si-OH之间脱水缩合成含Si-OH的低聚硅氧烷；

（3） 低聚物中的Si-OH与基材表面上的OH形成氢键；

（4） 加热固化过程中伴随脱水反应而与金属基材形成共价键连接，从分析来看，偶联剂可有效地提升不锈钢与半固化的结合力。

四、不同工艺、表面处理方式对不锈钢基板结合力的影响

根据表面处理结果，不锈钢基板采用砂带研磨Ra值较大，产品良率高；偶联剂具有较强的桥接作用，配合目前行业常规的生产流程涂布导热胶或采用半固化片压合的方式进行验证，评估适合我司的可行性方案；达到批量生产的要求。

4.1 混合表面处方式结果（下表二）

由以上实验结果可以看出混合表面处理方式，对不锈钢基板的起泡分层有明显改善作用，特别是对不锈钢板偶联化后的加工工艺，品质稳定，良率高；适合批量生产。

五、结论

综上所述，不锈钢因其材料特殊性，单一的物理或化学表面处理，均无法杜绝板材起泡分层的缺陷，而砂带研磨+偶联化+半固化片这种复合的表面处理方式则可以保证粗化效果，同时通过偶联化桥接作用进一步加强介质层和金属基材的结合力，从根本上可解决不锈钢基板起泡分层的问题。