CN101908490A - 具有散热器的电路基板模组及其制造方法 - Google Patents

具有散热器的电路基板模组及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种具有散热器的电路基板模组及其制造方法，将一电路基板接合于一散热器的承载座，该电路基板以双面覆铜陶瓷板制成，并于其中一面铜层形成电路图案，在该电路基板的另一面铜层形成多个第一定位部，且在该承载座形成分别与所述第一定位部一一对应的多个第二定位部，通过相对应的所述第一定位部与所述第二定位部使该电路基板与该承载座相对定位，并进行热处理，而将该电路基板及该承载座烧结接合，使该电路基板固定于该承载座。本发明不但能降低热阻抗并能增加散热速度，而能大幅提升散热效能，且使电路基板与散热器具有良好的接合牢靠度。

Description

具有散热器的电路基板模组及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种具有散热器的电路基板模组的制造方法，特别是涉及一种以烧结方式固定电路基板与散热器的具有散热器的电路基板模组的制造方法及其制得的电路基板模组。
背景技术
为了提高电子元件的效率，越来越多的电子元件朝向高功率发展，例如高亮度发光二极管(High Brightness LED)、聚光型太阳能电池、绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor，IGBT)等。
由于高功率的电子元件在工作时通常会产生大量的热，若热能无法适时地排除，将会使电子元件的性能受损。因此，高功率电子元件需要搭配散热器(heat sink)以能快速散热。
如图1所示，一般电子元件91设于电路板92后，再以焊料或导热胶93与散热器94的承载座941接合，将电子元件91产生的热能通过承载座941传导至散热鳍片942加速散热。
然而，随着电子元件功率不断提升，散热效能的要求也越来越严苛，现有电路板92及接合电路板92与承载座941的焊料或导热胶93产生的热阻抗，都会影响电子元件91的散热效能。所以如何降低电子元件91至散热器94之间的热阻抗，以提升散热效能，仍有改进的必要。而且，连接电路板92与承载座941的焊料或导热胶93也容易因为常处于高温环境而老化，影响电路板92与承载座941的接合牢靠度，也有改进的必要。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以降低电子元件与散热器之间的热阻抗，且能提升电路板与散热器的接合牢靠度的具有散热器的电路基板模组的制造方法。
本发明的另一目的，是提供一种具有散热器的电路基板模组，适用于提供会发热的电子元件电连接，例如高亮度发光二极管(High Brightness LED)、聚光型太阳能电池、绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)等。
依据本发明的一方面，本发明具有散热器的电路基板模组的制造方法，将一电路基板接合于一散热器的承载座，该电路基板以双面覆铜陶瓷板制成，并于其中一面铜层形成电路图案；在该电路基板的另一面铜层形成多个第一定位部，且在该承载座形成分别与所述第一定位部一一对应的多个第二定位部，通过相对应的所述第一定位部与所述第二定位部使该电路基板与该承载座相对定位，并进行热处理，而将该电路基板及该承载座烧结接合，使该电路基板固定于该承载座。
适用于使所述第一定位部与所述第二定位部相对定位的方式可以为：使相对应的每对该第一定位部与该第二定位部其中的一个为凹槽，其中另一个为凸块，借此使每对第一定位部及第二定位部能互相卡合；或者，使各该第一定位部为凹槽，且各该第二定位部为凸块，或使各该第一定位部为凸块，且各该第二定位部为凹槽，同样可使一一对应的每对第一定位部及第二定位部能互相卡合；或者，相对应的各该第一定位部与各该第二定位部分别为凹槽，并形成一连通的容室，以容置一定位柱，且通过各该定位柱两端分别与相对应的该第一定位部及该第二定位部卡合，而使各该第一定位部与各该第二定位部相对定位，所述定位柱为陶瓷制成或铜制成较佳。
本发明所述的具有散热器的电路基板模组的制造方法，所述第二定位部与该承载座一同模造而成，或于该承载座成型后再另外加工而成。
本发明所述的具有散热器的电路基板模组的制造方法，所述第一定位部是以液态感光制程或线路油墨印刷制程于该铜层定义一预定图案，再蚀刻该铜层所形成。
本发明所述的热处理步骤是利用直接铜接合技术(简称DCB，Direct Copper Bonding或简称DBC，Direct BondingCopper)，在一低于金属铜熔点(约1083℃)并高于铜与氧化铜共晶温度(1063℃)的温度范围进行热处理，将该电路基板与该承载座烧结接合。
适用于本发明的散热器可为一般常见具有散热鳍片的散热器或水冷式散热器，并无限制。前述制法较适用于该承载座为铜制者，惟若所述第一定位部为凹槽时，也可适用于该承载座为陶瓷制者，陶瓷材料例如氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)、氧化钛(TiO2)、氧化硅(SiO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化锌(ZnO)、镁橄榄石(2MgO·SiO2)、钛酸钡(BaTiO3)等，其中以氧化铝及氮化铝较佳。
依据本发明的另一方面，本发明具有散热器的电路基板模组的制造方法，将一电路基板接合于一散热器的承载座，该电路基板以双面覆铜陶瓷板制成，并于其中一面铜层形成电路图案，在该电路基板的另一面铜层形成多个第一定位部，且在该承载座形成多个第二定位部，并取一适当大小的中间铜层，在该中间铜层形成分别与所述第一定位部及所述第二定位部相对应的多个穿孔，再将该中间铜层置于该电路基板与该承载座之间，通过所述第一定位部及所述第二定位部与所述穿孔相配合，将该电路基板与该承载座相对定位，并进行热处理，而将该电路基板、该中间铜层及该承载座烧结接合，使该电路基板固定于该承载座。
适用于使所述第一定位部、该中间铜层与所述第二定位部相对定位的方式可以为：各该第一定位部及各该第二定位部分别为凸块，并分别与该中间铜层的一对应的穿孔相配合，使各该第一定位部及各该第二定位部分别与一对应的穿孔互相卡合而定位；或者，各该第一定位部及各该第二定位部分别为凹槽，且每一第一定位部分别与相对应的一第二定位部及该中间铜层的一穿孔相配合，形成一连通的容室，以容置一定位柱，且通过该定位柱而使相对应的各该第一定位部、各该穿孔与各该第二定位部相对定位，也就是说，该定位柱通过该穿孔而将其两端分别与该第一定位部及该第二定位部互相卡合，借此将该第一定位部、该穿孔及该第二定位部定位，该定位柱以陶瓷制成或铜制成较佳。
本发明所述的具有散热器的电路基板模组的制造方法，所述第二定位部与该承载座一同模造而成，或于该承载座成型后再另外加工而成。
本发明所述的具有散热器的电路基板模组的制造方法，所述第一定位部是以液态感光制程或线路油墨印刷制程于该铜层定义一预定图案，再蚀刻该铜层所形成。
前述制法较适用于该承载座为陶瓷制者，因陶瓷材料在横向(即一般所谓的x-y方向)的导热效果较铜材料差，而通过该中间铜层可增加横向的导热效能。
依据本发明另一方面，本发明具有散热器的电路基板模组，用以设置会发热的电子元件，该电路基板模组包括：一具有一承载座的散热器、一陶瓷层、一设于该陶瓷层的一侧表面且具有电路图案的电路层，及一设于该陶瓷层与该承载座之间的铜层，且该铜层与该陶瓷层及该承载座为烧结接合。
其中该铜层的面积不小于该陶瓷层的面积较佳。
本发明所述的具有散热器的电路基板模组，该承载座为铜制成，且该铜层的面积等于该陶瓷层的面积。
本发明所述的具有散热器的电路基板模组，该承载座为陶瓷制成，且该铜层的面积等于该承载座的面积。
本发明所述的具有散热器的电路基板模组，该电路层由烧结接合于该陶瓷层表面的铜层图案化而成。
依据本发明的又一方面，本发明具有散热器的电路基板模组，用以设置会发热的电子元件，该电路基板模组包括：一散热器及一电路基板；该散热器具有一承载座；该电路基板包括一陶瓷层及一设于该陶瓷层表面且具有电路图案的电路层，该电路基板以烧结接合方式固定于该承载座。
本发明的电路基板与散热器是以烧结接合，可以省去现有的接合方式的焊料或导热胶，而避免焊料或导热胶所产生的热阻抗，以及焊料或导热胶因老化所导致接合牢靠度不佳的问题。而且，本发明的电路基板的绝缘层为散热效能较佳的陶瓷层并通过导热性优异的铜层增加横向的散热速度，所以本发明不但能降低热阻抗并能增加散热速度，而能大幅提升散热效能，且使电路基板与散热器具有良好的接合牢靠度，不会有老化的问题。
附图说明
图1是一说明现有会发热的电子元件设于一电路板与一散热器的接合方式的示意图。
图2a至图2c是说明本发明具有散热器的电路基板模组的制造方法及其制品的第一较佳实施例中制备一电路基板的实施步骤的示意图，其中图2c为图2b的背面视图。
图3是一说明该第一较佳实施例中制备一散热器的示意图。
图4是一说明该第一较佳实施例接合该电路基板及该散热器而形成电路基板模组的示意图。
图5a至图5c是说明本发明具有散热器的电路基板模组的制造方法及其制品的第二较佳实施例中制备一电路基板的实施步骤的示意图，其中图5c为图5b的背面视图。
图6是一说明该第二较佳实施例中制备一中间铜层的示意图。
图7是一说明该第二较佳实施例形成电路基板模组的示意图。
图8是一说明本发明具有散热器的电路基板模组的制造方法及其制品的第三较佳实施例中制备一散热器的示意图。
图9是一说明该第三较佳实施例中制备一中间铜层的示意图。
图10是一说明该第三较佳实施例中通过多个定位柱将该中间铜层及该散热器定位的示意图。
图11是一说明该第三较佳实施例形成电路基板模组的示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
在本发明被详细描述之前，要注意的是，在以下的说明内容中，类似的元件是以相同的编号来表示。
如图2a至图2c、图3及图4所示，说明本发明具有散热器的电路基板模组的制造方法及具有散热器的电路基板模组的第一较佳实施例。
该第一较佳实施例的实施步骤说明如下。
参阅图2a至图2c，说明制备电路基板10的实施步骤。如图2a所示，先取一双面覆铜陶瓷板1，即中间为陶瓷层11且陶瓷层11两面均覆盖铜层12、13，而陶瓷层11与铜层12、13以DCB制程烧结接合，双面覆铜陶瓷板1可自制或由市售商品购得。再利用如线路板(PCB)制程中常见的液态感光制程或线路油墨印刷制程，分别在双面覆铜陶瓷板1的两侧铜层12、13定义预定图案(图未示)，再将铜层12、13蚀刻以去除部分范围，而在其中一面铜层12形成如图2b所示的电路图案以作为电路层12’；在另一面铜层13形成如图2c所示的多个第一定位部14，在本实施例中，第一定位部14为凹槽。
参阅图3，制备一散热器2，散热器2具有一承载座21及多个与承载座21相连接的散热鳍片22，于承载座21上形成分别与所述第一定位部14(凹槽)一一对应的多个第二定位部23，所述第二定位部23与该承载座21一同模造而成，或于该承载座21成型后再另外加工而成。也就是说，每一第二定位部23对应一个第一定位部14，本实施例中，第二定位部23为凸块，凸块的形状与第一定位部14的凹槽形状相配合，例如可为圆形、方形或三角形等，凸块的厚度不大于凹槽的深度，而且凸块的厚度以略小于凹槽的深度较佳，使凸块可与凹槽互相卡合并容置于凹槽内。为方便说明起见，本实施例及以下实施例中所举例的散热器2为一般结构较为简单的散热器，在本实施例中，承载座21及散热鳍片22均为铜制，但是现有的其他型态的散热器，例如水冷式散热器，或是陶瓷制的散热器，也适用于本发明，只要在现有的散热器的承载座设置第二定位部23即可，因此散热器2的型态并不以本实施例为限。
配合参阅图4，将电路基板10叠置于承载座21，并通过相对应的所述第一定位部14(凹槽)与所述第二定位部23(凸块)使电路基板10与承载座21相对定位，且由于凸块的厚度不大于凹槽的深度，使电路基板10的铜层13的表面可与承载座21的表面相接触，铜层13的表面及承载座的21表面至少其中的一个为氧化铜层。将叠置且相对定位后的电路基板10与散热器2在氧气含量低于10ppm的高温炉中，利用直接铜接合技术(DCB)，在低于金属铜熔点(约1083℃)并高于铜与氧化铜共晶温度(1063℃)的温度范围进行热处理，使电路基板10的铜层13与承载座21烧结接合(产生共晶结合)，将电路基板10固定于承载座21，而制得具有散热器2的电路基板模组100。电路基板模组100可供会发热的电子元件(图未示)设置于电路基板10上。在本实施例中，虽然第一定位部14为凹槽，第二定位部23为凸块，但是第一定位部14也可为凸块(参考以下第二较佳实施例)，而第二定位部23可为相配合的凹槽(参考以下第三较佳实施例)，若此，则通过因形成第一定位部(凸块)而裸露的陶瓷层11与承载座21烧结接合。
参阅图5a至图5c、图6与图7，说明本发明具有散热器的电路基板模组的制造方法及具有散热器的电路基板模组的第二较佳实施例。
该第二较佳实施例的实施步骤说明如下：
参阅图5a至图5c，说明制备电路基板10’的实施步骤。如图5a所示，先取一双面覆铜陶瓷板1，即中间为陶瓷层11且陶瓷层11两面均覆盖铜层12、13，而陶瓷层11与铜层12、13以DCB制程烧结接合，双面覆铜陶瓷板1可自制或由市售商品购得。再利用如线路板(PCB)制程中常见的液态感光制程或线路油墨印刷制程，分别在双面覆铜陶瓷板1的两侧铜层12、13定义预定图案(图未示)，再将铜层12、13蚀刻以去除部分范围，而在其中一面铜层12形成如图5b所示的电路图案以作为电路层12’；在另一面铜层13形成如图5c所示的多个第一定位部14’，在本实施例中，第一定位部14’为凸块。此外，在本实施例制备散热器2’的步骤与第一较佳实施例相同(参阅图3)，同样在散热器2’形成多个第二定位部23，惟，本实施例中，散热器2’为氧化铝制成，且第一定位部14’与第二定位部23位置没有对应，而是错开。
如图6所示，另取一适当大小的中间铜层3，在中间铜层3形成分别与所述第一定位部14’及所述第二定位部23相对应的多个穿孔31、32，如图6所示，其中每一个穿孔31分别与一个第一定位部14’相对应，而每一个穿孔32分别与一个第二定位部23相对应，借此使每一个第一定位部14’(凸块)可容置于其对应的穿孔31，且每一个第二定位部23(凸块)可容置于其对应的穿孔32。
配合参阅图7，将中间铜层3叠置于承载座21’上，使所述第二定位部23(凸块)与所述穿孔32互相卡合，而将中间铜层3与承载座21’相对定位，再将电路基板10’叠置于中间铜层3上，使所述第一定位部14’与所述穿孔31互相卡合，而将电路基板10‘与中间铜层3相对定位，同时电路基板10’与承载座21’也相对定位。与第一较佳实施例相同地，所述第一定位部14’(凸块)及第二定位部23(凸块)的厚度，均不大于所述穿孔31、32深度(即中间铜层3的厚度)，使中间铜层3两侧表面可分别与承载座21’及电路基板10’的陶瓷层11的表面接触，也就是说，中间铜层3的厚度略大于凸块厚度较佳。中间铜层3的两侧表面为氧化铜，将电路基板10’、中间铜层3与散热器2’相对定位后，如同第一较佳实施例进行热处理的步骤，而将电路基板10’、中间铜层3及承载座21’烧结接合，使电路基板10’固定于承载座21’，制得具有散热器2’的电路基板模组100’。
在本实施例中，中间铜层3的面积与承载座21’面积相当，通过中间铜层3可增加横向(x-y方向)的导热效能，使热能可快速扩散于承载座21’的全部表面，再通过承载座21’纵向导热至散热鳍片22’，并利用散热鳍片22’散热。
如图8至图11所示，说明本发明具有散热器的电路基板模组的制造方法及具有散热器的电路基板模组的第三较佳实施例。
第三较佳实施例中，制备电路基板10的实施步骤与第一较佳实施例相同，可参阅图2a至图2c，于此不再重述。
参阅图8与图9，制备散热器2”及中间铜层3’的实施步骤与第二较佳实施例大致相同，惟，在第三较佳实施例中第二定位部23”为凹槽，而中间铜层3”所形成的每一个穿孔33’分别对应一个第一定位部14(凹槽)及一个第二定位部23”(凹槽)。借此，每一第一定位部14(凹槽)分别与相对应的一第二定位部23”(凹槽)及中间铜层3’的一穿孔33’相配合，形成一连通的容室(图未示)，以容置一定位柱4，在本实施例中，定位柱4为铜制，但是定位柱4也可为陶瓷制，而本实施例的散热器2”与该第二较佳实施例同样为氧化铝制成。
配合参阅图10与图11，可先将中间铜层3’叠置于承载座21”上，并使每一穿孔33’与相对应的第二定位部23”(凹槽)对齐，再将各定位柱4分别插置于已对齐的每一个穿孔33’及第二定位部23”(凹槽)中，然后将电路基板10叠置于中间铜层3’上，使各定位柱4对应容置于各第一定位部14(凹槽)，通过各定位柱4而使相对应的各第一定位部14(凹槽)、各穿孔33’与各第二定位部23”(凹槽)相对定位，且中间铜层3’两侧分别与电路基板10的铜层13及承载座21”相接触。再如同第一较佳实施例进行热处理的步骤，而将电路基板10、中间铜层3’及承载座21”烧结接合，使电路基板10固定于承载座21”，制得具有散热器2”的电路基板模组100”。如同该第二较佳实施例，通过中间铜层3’可增加横向(x-y方向)的导热效能，使热能可快速扩散于承载座21”的全部表面，再通过承载座21”纵向导热至散热鳍片22”，利用散热鳍片22”散热。
前述各较佳实施例是提供能方便将电路基板10、10’与承载座21、21’、21”相对定位的不同实施态样，通过先将电路基板10、10’与承载座21、21’、21”相对定位后再进行热处理，能避免欲进行热处理时，因为移动或碰撞导致电路基板10、10’与承载座21、21’、21”相对位移而离开预定接合的位置，以提升产品良率。
再者，本发明的电路基板模组100、100’、100”是以陶瓷层11为绝缘层，且从陶瓷层11至承载座21、21’、21”之间均为烧结接合，具有优异的接合强度及牢靠度，且能减少因焊料或导热胶产生的热阻抗，并能避免焊料或导热胶老化的问题，适用于提供会发热的电子元件电连接，而能提升散热效能。

Claims (19)

1.一种具有散热器的电路基板模组的制造方法，将一电路基板接合于一散热器的承载座，该电路基板以双面覆铜陶瓷板制成，并于其中一面铜层形成电路图案；其特征在于，在该电路基板的另一面铜层形成多个第一定位部，且在该承载座形成分别与所述第一定位部一一对应的多个第二定位部，通过相对应的所述第一定位部与所述第二定位部使该电路基板与该承载座相对定位，并进行热处理，而将该电路基板及该承载座烧结接合，使该电路基板固定于该承载座。
2.根据权利要求1所述的具有散热器的电路基板模组的制造方法，其特征在于，相对应的每对该第一定位部与该第二定位部，其中的一个为凹槽，其中另一个为凸块。
3.根据权利要求1所述的具有散热器的电路基板模组的制造方法，其特征在于，各该第一定位部为凹槽，且各该第二定位部为凸块。
4.根据权利要求1所述的具有散热器的电路基板模组的制造方法，其特征在于，相对应的各该第一定位部与各该第二定位部分别为凹槽，并形成一连通的容室，以容置一定位柱，且通过该定位柱而使各该第一定位部与各该第二定位部相对定位。
5.根据权利要求1所述的具有散热器的电路基板模组的制造方法，其特征在于，该承载座为铜制成。
6.根据权利要求1所述的具有散热器的电路基板模组的制造方法，其特征在于，所述第二定位部与该承载座一同模造而成，或于该承载座成型后再另外加工而成。
7.根据权利要求1所述的具有散热器的电路基板模组的制造方法，其特征在于，所述第一定位部是以液态感光制程或线路油墨印刷制程于该铜层定义一预定图案，再蚀刻该铜层所形成。
8.一种具有散热器的电路基板模组的制造方法，将一电路基板接合于一散热器的承载座，该电路基板以双面覆铜陶瓷板制成，并于其中一面铜层形成电路图案，其特征在于，在该电路基板的另一面铜层形成多个第一定位部，且在该承载座形成多个第二定位部，并取一中间铜层，在该中间铜层形成分别与所述第一定位部及所述第二定位部相对应的多个穿孔，再将该中间铜层置于该电路基板与该承载座之间，通过所述第一定位部及所述第二定位部与所述穿孔相配合，将该电路基板与该承载座相对定位，并进行热处理，而将该电路基板、该中间铜层及该承载座烧结接合，使该电路基板固定于该承载座。
9.根据权利要求8所述的具有散热器的电路基板模组的制造方法，其特征在于，各该第一定位部及各该第二定位部分别为凸块，并分别与该中间铜层的一对应的穿孔相配合。
10.根据权利要求8所述的具有散热器的电路基板模组的制造方法，其特征在于，各该第一定位部及各该第二定位部分别为凹槽，且每一第一定位部分别与相对应的一第二定位部及该中间铜层的一穿孔相配合，形成一连通的容室，以容置一定位柱，且通过该定位柱而使相对应的各该第一定位部、各该穿孔与各该第二定位部相对定位。
11.根据权利要求8所述的具有散热器的电路基板模组的制造方法，其特征在于，该承载座为陶瓷制成。
12.根据权利要求8所述的具有散热器的电路基板模组的制造方法，其特征在于，所述第二定位部与该承载座一同模造而成，或于该承载座成型后再另外加工而成。
13.根据权利要求8所述的具有散热器的电路基板模组的制造方法，其特征在于，所述第一定位部是以液态感光制程或线路油墨印刷制程于该铜层定义一预定图案，再蚀刻该铜层所形成。
14.一种具有散热器的电路基板模组，其特征在于，用以设置会发热的电子元件，该电路基板模组包括：一具有一承载座的散热器、一陶瓷层、一设于该陶瓷层的一侧表面且具有电路图案的电路层，及一设于该陶瓷层与该承载座之间的铜层，且该铜层与该陶瓷层及该承载座为烧结接合。
15.根据权利要求14所述的具有散热器的电路基板模组，其特征在于，该铜层的面积不小于该陶瓷层的面积。
16.根据权利要求15所述的具有散热器的电路基板模组，其特征在于，该承载座为铜制成，且该铜层的面积等于该陶瓷层的面积。
17.根据权利要求15所述的具有散热器的电路基板模组，其特征在于，该承载座为陶瓷制成，且该铜层的面积等于该承载座的面积。
18.根据权利要求14所述的具有散热器的电路基板模组，其特征在于，该电路层由烧结接合于该陶瓷层表面的铜层图案化而成。
19.一种具有散热器的电路基板模组，用以设置会发热的电子元件，该电路基板模组包括：一散热器及一电路基板；该散热器具有一承载座；其特征在于，该电路基板包括一陶瓷层及一设于该陶瓷层表面且具有电路图案的电路层，该电路基板以烧结接合方式固定于该承载座。
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