CN101321428A - 一种高散热电路板及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明关于一种高散热电路板及其制作方法，主要以一金属材料作为基板，在该金属基板表面设置缓冲层，在缓冲层表面形成绝缘层。该缓冲层可改善金属基板与绝缘层之间的附着性，同时降低热应力；该绝缘层提供电路布植时所需的表面绝缘性，同时具有导热性质，可引导热能均匀分布，以利下方的缓冲层与金属基板将热释放至外界，进一步提升电路板的散热效率。

Description

一种高散热电路板及其制作方法

技术领域

本发明关于一种电路板及其制作方法，其特别关于一种高散热电路板及其制作方法。

背景技术

目前应用最广的电路板为印刷电路板，其基板材质包括以下四种：(1)纸质基板；(2)复合基板；(3)玻璃纤维环氧基板；(4)软质基板。其中以玻璃纤维环氧基板最被广泛使用，其材质为玻璃纤维布含浸耐燃性环氧树脂，俗称FR4印刷电路基板。前述电路基板材质都是树脂与高分子材料，其导热与散热性质较差，对于高发热量的电子组件与系统，无法有效排除热能。因此，为了改善基板的散热问题，藉由各种不同的接合方法，在基板的下方黏结一金属平板，来增加整体电路板结构的散热效能。如图1所示，说明习知印刷电路板结构，该习知印刷电路板1包括一金属平板11、一玻璃纤维环氧基板12及一铜箔层13。

然而，前述不同的接合方法，其所获致的散热效能亦大不相同，这主要是受到黏结剂性质与黏结过程影响所致。以玻璃纤维环氧基板为例，为了降低黏结剂的影响，在玻璃纤维环氧基板的制作过程当中，即将金属平板与玻璃纤维环氧基板压合在一起，亦即在生产玻璃纤维环氧基板的同时，亦一并结合金属平板，经由此种方式获得的电路板是目前市面上散热效能较佳的，又称为金属芯印刷电路板。

以高功率、高亮度LED电路板为例，一般习知，LED芯片发光时所产生的功率逸散，如没有适当地排除，将降低芯片发光效率甚至损毁。经查照明设备大厂欧司朗(OSRAM)所揭示一种散热技术，来改善高功率LED电路板的散热效能，该技术藉由设置导热管的设计来解决散热问题，在LED封装芯片下方的FR4电路板上制作数个连通管作为导热管，然后再以黏结剂与下方的铝合金基板接合，如此LED封装芯片的功率逸散，可藉由这些导热管传递至铝合金基板，另外，为了增加热能的传递速度，FR4电路板上除了必要的铜导线之外，在LED下方的导热管内壁，以及FR4电路板与铝合金接合的表面上，也都镀有一层铜金属。

由以上可知，即使如本技术具有导热管结构的FR4电路板，为了确保散热的效能，其下方仍然需要黏结金属板，而黏结剂散热性质与黏结过程对整体散热的影响，仍旧无法排除。此外，FR4电路板上导热管内壁、导电线路等等铜金属镀层的表面处理相当不易，制程成本与复杂度都很高，铜镀层的纯度也会影响热传导的效果，而最后所获得的散热效能仍不尽理想。

经查，中国台湾发明专利595016号、中国台湾新型专利545702号及中国台湾专利申请案93102046号均揭示了一种散热电路板技术，该些专利技术内容仍以电路板的一表面黏结金属板的方式来增加散热效果。中国台湾发明专利550841号及中国台湾新型专利549590号等，亦针对散热金属板做散热设计的专利技术，主要以散热鳍片的设计概念为主。

另外，于LED专业领域中具有通常知识者所习知，温度对半导体发光组件工作时的稳定性具有决定性影响，而该稳定性将影响LED芯片发光效率的保持程度。良好的LED芯片发光效率，对整体发光的贡献具有一定的影响力。因此，如果没有良好的LED芯片发光效率，再好的光取出设计，其对整体发光的贡献将相当有限。例如，美国专利案号6,346,771B1与6,720,730B2揭示一种发光面积可大于1mm2的高功率LED封装方法，其利用芯片表面的沟槽设计以及在散热金属板表面制作反射金属层，来提高光取出效率，而其电路板仍是树脂基板黏结金属平板的结构，来提高电路板的散热效率。另外，如美国专利案号6,641,284B2利用光学的物线反射面来增加效率；美国专利案号6,793,374B2的LED灯泡设计，其外型与传统钨丝灯泡一样；美国专利案号2003/0048641A1的LED灯管设计，其外型与传统日光灯管一样；美国专利案号08/671249、5785418、6045240与6517218B2等，则是将LED用于交通号志灯或汽车指示灯的设计。前述的习知技术除了从整体灯具设计来提高光取出效率，仍然会利用树脂基板黏结金属平板的结构，来提高电路板的散热效率。

综观上述的各种习知技术，其主要的散热方式均是利用树脂基板黏结金属平板的结构，来提高电路板的散热效率。由此可知温度对此半导体组件工作时的稳定性具有决定性影响，优良散热的重要性不可言喻。

然而目前电路板的散热方式均是在树脂基板下方接合金属板来加强效果，此种方式有以下缺点：(1)树脂基板的导热性不佳；(2)树脂基板与散热金属间的接合方式也会影响导热效果。

发明内容

本发明的主要目的乃提供一种高散热电路板，包括至少一金属基板；一绝缘层，藉以提供电路布植时所需要的表面绝缘性，并具有导热性质，引导热能均匀散布；以及，一缓冲层，介于该金属基板与该绝缘层之间，以提升该金属基板与该绝缘层的附着性，并降低热应力造成的镀层剥离或破裂。藉此改善习知树脂基板黏结金属板的电路板在散热方面的缺点，提供更佳的导热、散热效能。

本发明的另一目的在于提供一种高散热电路板的制作方法，该方法包括：提供至少一个金属基板；在该金属基板上形成一缓冲层；以及，在该缓冲层上形成一绝缘层。

再者，为达成上述的目的，该金属基板的材料选自铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)、铟(In)、锡(Sn)、锌(Zn)、铝(Al)及其合金所构成的群组，该金属基板厚度并无特殊的限制，只要利于电子组件所产生的热，可以迅速地均匀分布于此金属基板均可，目前金属基板厚度约为0.1mm至10mm之间，但不局限于此一厚度。该绝缘层的材料选自氧化铝、氮化铝、石墨、钻石及其混合物所构成的群组，而该绝缘层的厚度约为0.5μm至5mm之间，但不局限于此一厚度。该缓冲层的材料选自铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)、铟(In)、锡(Sn)、锌(Zn)、铝(Al)及其合金所构成的群组，或该群组的氧化物或该群组的氮化物，而该缓冲层的厚度约为0.5μm至200μm之间，但不局限于此一厚度。

此外，上述形成缓冲层及绝缘层的方法选自电镀法、热喷涂法、真空溅镀法、化学气相沉积法及其任两种以上方法并用所构成的群组，利用该等表面处理方法使得各层之间拥有最佳的接合接口，免除使用黏结剂的对散热所造成的负面效果。

本发明所提供的高散热电路板，并不限定使用于LED驱动电路，举凡具有高功率、高发热电子组件的电路系统，本发明所揭示的技术内容皆可应用。

附图说明

图1说明习知印刷电路板结构示意图；

图2说明本发明的高散热电路板结构示意图；

图3说明本发明的高散热电路板制作方法流程图；以及

图4说明本发明高散热电路板与习知印刷电路板温度变化比较图。

【图号说明】

1习知印刷电路板

11金属平板

12玻璃纤维环氧基板

13铜箔层

2高散热电路板

21金属基板

22缓冲层

23绝缘层

10提供至少一金属基板

20形成一缓冲层于该金属基板上

30形成一绝缘层于该缓冲层上

A习知印刷电路板散热效率曲线

B本发明高散热电路板散热效率曲线

具体实施方式

为使熟悉该项技艺人士了解本发明的目的、特征及功效，兹藉由下述具体实施例，并配合所附的图式，对本创作详加说明，说明如后：

请参考图2，说明本发明的高散热电路板结构示意图，该高散热电路板2包括：至少一金属基板21；一绝缘层23，该绝缘层23为一具有导热性质的绝缘表面，以布植导电线路；以及一缓冲层22，该缓冲层22介于该金属基板21与该绝缘层23之间，以提升该金属基板21与该绝缘层23的接合附着性，并降低因热应力所产生镀层剥离或破裂的现象。

请参考图3，说明本发明的高散热电路板制作方法流程图，该制作方法包括：步骤10：提供至少一金属基板10；步骤20：在该金属基板上形成一缓冲层；步骤30：在该缓冲层上形成一绝缘层。本发明的高散热电路板制作方法在该高散热电路板的结构中，利用表面处理方法使得各层之间的接合性质得以提升，而拥有较佳的接合接口，可免除一般习知电路板制造过程中使用黏结剂对散热所造成的负面效果。

其中，各层的材料分述如下，请再参考图1，该金属基板21的材料选自铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)、铟(In)、锡(Sn)、锌(Zn)、铝(Al)及其合金所构成的群组等高导热金属材料，但不局限于这些金属材料。在本实施例中，该金属基板21材料为铝，其厚度并无特殊限制，只要有助于将电子组件所产生的热迅速均匀地分布于此金属基板21即可，其厚度约为0.1mm至10mm之间，但不局限于此一厚度。

此外，该缓冲层22的材料选自铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)、铟(In)、锡(Sn)、锌(Zn)、铝(Al)及其合金所构成的群组，或该群组的氧化物或该群组氮化物。在本实施例中，该缓冲层22材料为铝(Al)，其厚度约为0.5μm至200μm，但不局限于此一厚度。

再者，该绝缘层23的材料选自氧化铝、氮化铝、石墨、钻石及其混合物所构成的群组。在本实施例中，该绝缘层23材料为氮化铝，其厚度约为0.5μm至5mm，但不局限于此一厚度。

然而，本发明高散热电路板的制作方法中，形成该缓冲层及绝缘层的方法选自电镀法、热喷涂法、真空溅镀法、化学气相沉积法及其任两种以上方法并用所构成的群组，本实施例中为真空溅镀法在该金属基板21上形成一缓冲层22，并在该缓冲层22上形成一绝缘层23。

所以，请同时参考图2及图3，制作过程如下，步骤10先提供至少一金属基板21，此处以铝为其基材，厚度为10mm以下，在施以必要的清洁过程后，如步骤20在该金属基板21上形成一缓冲层22，此处以真空溅镀法在该金属基板21的一表面形成铝层(Al layer)作为缓冲层22，其厚度可为0.5μm至200μm，接着，如步骤30在该缓冲层22上形成一绝缘层23，在该铝缓冲层22的表面，以真空溅镀法形成计量型氮化铝(AlN)镀层，，作为绝缘层23，厚度可为0.5μm～5mm，该绝缘层23可取代树脂基板，并提供电路布植所需的绝缘表面。经由上述制作方法，即可制得本发明的高散热电路板2。

另外，为说明本发明具有高散热效能，故取相同尺寸的目前习用的树脂基板的印刷电路板，在其表面布植相同的电路，并于此二电路板安装1W功率的LED组件。请参考图4，说明本发明高散热电路板与习知印刷电路板温度变化比较图，本发明的高散热电路板及目前习用的树脂基板的印刷电路板均以该1W功率的LED组件作为热源，并均在LED下方设置温度传感器，纪录温度的变化，其结果如图4所示，A代表习知印刷电路板散热效率曲线，该习知印刷电路板使用数分钟之后，其温度即跳升至80℃以上，且持续地上升；B代表本发明高散热电路板散热效率曲线，本发明的高散热电路板使用数分钟之后，温度虽跳升至70℃，但自此至持续使用200分钟后，温度仍稳定地维持在80℃以下，相较之下，可知本发明的高散热电路板较习知印刷电路板更具有高散热效能。

综合上述，本发明中具导热性的绝缘材料不仅可取代习知散热性不佳的基板，如树脂基板，亦由于排除了黏结剂的使用，再加上缓冲层的引入，提升了绝缘层与金属基板之间的接合性质，大幅降低因热应力所产生镀层剥离或破裂的现象，同时提高散热效果，快速地把电子组件产生的热排放至周围环境或温度较低的额外散热装置，达到散热的目的。对于各种高工作时脉、高功率逸散、以及高发热量组件的电路系统中，例如：高功率、高亮度发光二极管，均可应用。

然而以上所述，仅为本创作的较佳实施例，当不能以此限定本创作实施的范围；故，凡依本创作申请专利范围及创作说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属本创作专利涵盖的范围内。

Claims (12)

1、一种高散热电路板，包括：

至少一金属基板；

一绝缘层，为一具有导热性的绝缘表面，以布植导电线路；以及

一缓冲层，介于该金属基板与该绝缘层之间，以降低热应力并提升该金属基板与该绝缘层的附着性。

2、如权利要求1所述的高散热电路板，其中该金属基板的材料选自铜、金、银、铟、锡、锌、铝及其合金所构成的群组。

3、如权利要求1所述的高散热电路板，其中该绝缘层的材料选自氧化铝、氮化铝、石墨、钻石及其混合物所构成的群组。

4、如权利要求1所述的高散热电路板，其中该缓冲层的材料选自铜、金、银、铟、锡、锌、铝及其合金所构成的群组。

5、如权利要求1所述的高散热电路板，其中该缓冲层的材料选自铜、金、银、铟、锡、锌、铝及其合金所构成群组的氧化物。

6、如权利要求1所述的高散热电路板，其中该缓冲层的材料选自铜、金、银、铟、锡、锌、铝及其合金所构成群组的氮化物。

7、如权利要求1所述的高散热电路板，其中该金属基板的厚度介于0.1mm至10mm之间。

8、如权利要求1所述的高散热电路板，其中该绝缘层的厚度介于0.5μm至5mm之间。

9、如权利要求1所述的高散热电路板，其中该缓冲层的厚度介于0.5μm至200μm之间。

10、一种高散热电路板的制作方法，包括：

提供至少一金属基板；

在该金属基板上形成一缓冲层；以及

在该缓冲层上形成一绝缘层。

11、如权利要求10所述的高散热电路板的制作方法，其中该形成缓冲层的方法选自电镀法、热喷涂法、真空溅镀法、化学气相沉积法及其任两种以上方法并用所构成的群组。

12、如权利要求10所述的高散热电路板的制作方法，其中该形成绝缘层的方法选自电镀法、热喷涂法、真空溅镀法、化学气相沉积法及其任两种以上方法并用所构成的群组。

Images