CN102724805A

CN102724805A - 具有高散热与高导热特性的复合陶瓷基板

Info

Publication number: CN102724805A
Application number: CN2012102032421A
Authority: CN
Inventors: 田宝祥
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-06-19
Filing date: 2012-06-19
Publication date: 2012-10-10

Abstract

一种具有高散热与高导热特性的复合陶瓷基板，包含由金属或合金材料构成的散热基底、形成在散热基底上的绝缘导热层，及形成在绝缘导热层上并具有预定供电子元件设置的电路图案的电路单元，其中，绝缘导热层是由占整体重量5wt%~30wt%的氮化硼粉末和占整体重量70wt%~95wt%的无机结合物经过温度固化构成，借由无机结合物中金属元素的辅助而能将绝缘导热层良好地结合于散热基底，且因为氮化硼的高导热特性令所形成的复合陶瓷基板具有高导热和高散热性，特别适合供高功率的电子组件，如发光二极管等电子元件设置。

Description

具有高散热与高导热特性的复合陶瓷基板

技术领域

本发明涉及一种基板，特别是涉及一种搭配金属与陶瓷材料且彼此结合性良好而具有高散热与高热传导性且适于供高功率电子元件设置的复合陶瓷基板。

背景技术

参阅图1，传统的印刷电路板1包含一个由绝缘材料构成的主体11，及一个形成在该主体上的电路单元12，借由该电路单元12的线路设计，配合该绝缘的主体11令各式电子元件能设置其上而供各式运用。

一般而言，印刷电路板是以有机高分子材料（polymer）为绝缘材料的选择，例如最常见的FR4印刷电路板就是以环氧树脂为主要材料构成该绝缘的主体，再配合以金属（例如铜）或合金为材料的电路单元组成。

就传统的印刷电路板1而言，由于电路单元12是以金属或合金为材料构成，不仅具有良好的导电性，更具有相当不错的导热性，因此，可以仅靠着由有机高分子构成的绝缘的主体11和电路单元12的配合，而在电连接各式电子元件的同时，借着该电路单元12即能将所述电子元件作动时产生的废热导离而达到散热的效果。

但是，随着电子元件的功率需求越来越大，以及发光元件也常利用印刷电路板作为封装基座，而将多个例如发光二极管芯片连接其上而朝发光模组的方向发展，现有的以高分子材料作为绝缘主体11、而仅靠面积比例小的电路单元12导电并同时散热的印刷电路板1，由于散热效率不佳而无法满足高功率电子元件，或是高功率发光元件的设置需求。

参阅图2，因此，目前业界提出了一种将一个由热传导性佳的铝构成的金属基底21再连接于印刷电路板1上而成具有金属核心的印刷电路板2，业界习称Metal Core PCB(MCPCB)，借由大面积、热传导性佳的金属基底21来加速整体的散热效率。

然而，由于绝缘的主体11因为要兼顾绝缘以及与金属基底21的结合度，所以仍采用有机高分子材料作为主要选择，但有机高分子材料的热传导率低，使得连接设置的金属基底21仍因为绝缘主体11的阻隔而在热传导上形成热阻界面，进而大幅降低应有的热传导效率，另外，有机高分子材料还会有耐热、受光照射而裂化的问题产生，使得绝缘性不佳，进而影响到设置其上的电子元件的正常作动。

除此之外，有机高分子材料不论在制造或回收处理上，在环保方面有极大的限制，还有，无论是传统的印刷电路板1或是具有金属核心的印刷电路板2，其电路单元12的成型主要是以铜箔（及/或铝箔）经过酸洗蚀刻掉预定部分而成，非但过程中会排出带有金属离子的酸性溶液而污染环境、造成环保问题，同时蚀刻掉的铜金属也无法简易地回收再使用而浪费大量的金属。

所以，如何改善现有的电路板，解决上述的问题并令其适用于供高功率电子组件，如高功率发光二极管设置，是目前业界亟欲克服并解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高散热与高导热特性的复合陶瓷基板（Multi Ceramic Substrates,MCS）。

本发明具有高散热与高导热特性的复合陶瓷基板包含一个散热基底、一个绝缘导热层，及一个电路单元。

该散热基底由金属或合金其中之一为材料构成。

该绝缘导热层形成在该散热基底上并由占整体重量5wt%~30wt%的氮化硼粉末和占整体重量70wt%~95wt%的无机结合物为材料构成，其中，无机结合物至少包括硅、铝，及锆。

该电路单元形成在该绝缘导热层上并具有预定的电路图案而供电子组件设置并彼此电连接。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

本发明所述具有高散热与高导热特性的复合陶瓷基板中，该绝缘导热层中的无机结合物还包括钛元素。

本发明所述具有高散热与高导热特性的复合陶瓷基板中，该氮化硼粉末的晶体结构是六方晶系。

本发明所述具有高散热与高导热特性的复合陶瓷基板中，该无机结合物中硅或其他金属元素皆成氧化物状态

本发明所述具有高散热与高导热特性的复合陶瓷基板中，以该无机结合物整体重量100wt%计，硅氧化物含量大于90wt%。

本发明所述具有高散热与高导热特性的复合陶瓷基板中，该绝缘导热层是将由氮化硼粉末和无机结合物所构成的涂料涂布在该散热基底，并于30℃~300℃的环境中进行100分钟~150分钟的温度固化而成。

本发明所述具有高散热与高导热特性的复合陶瓷基板中，该电路单元是选自微量低温银浆、微量低温铜浆，或此等之一组合为材料，并以网版印刷方式形成。

本发明所述具有高散热与高导热特性的复合陶瓷基板中，该电路单元选自金、银、铜、镍、钯，或此等之一组合为材料，并以金属溅镀方式形成。

本发明所述具有高散热与高导热特性的复合陶瓷基板中，该散热基底是选自铜、铝，或其之一组合为材料构成。

本发明的有益效果在于：利用污染性低的无机结合物配合导热性极佳且绝缘的氮化硼粉末构成的绝缘材料，涂布在金属或合金构成的散热基底上并经温度固化形成具有高导热性的绝缘导热层，再配合用印刷方式于绝缘导热层上形成电路单元而构成复合陶瓷基板，用以解决现有电路板导热、散热不良，且制程中会排出酸液造成环境污染的问题。

附图说明

图1是剖视示意图，说明现有的印刷电路板；

图2是剖视示意图，说明现有的具有金属核心的印刷电路板；

图3是剖视示意图，说明本发明具有高散热与高导热特性的复合陶瓷基板的一个较佳实施例；

图4是立体示意图，说明该较佳实施例。

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。

参阅图3、4，本发明一种具有高散热与高导热特性的复合陶瓷基板的一个较佳实施例，供高功率电子元件及/或发热高的电子元件（如高功率的发光二极管）设置并电连接，而构成例如CPU、背光模组、发光模组等电子零部件，该复合陶瓷基板包含一个散热基底3、一个电路单元5及一个夹设于该散热基底3与该电路单元5间的绝缘导热层4。

该散热基底3由金属或合金其中之一为材料构成，并呈薄板状，较佳的是选自铜、铝，或含铝或铜所成的合金为材料构成，而可快速导热。

该绝缘导热层4形成在该散热基底3上并由占该绝缘导热层4整体重量5wt%~30wt%的氮化硼粉末和占整体重量70wt%~95wt%的无机结合物为材料构成，其中，无机结合物至少包括硅（Si）、铝（Al）、及锆（Zr），较佳地也包括钛（Ti），且所述元素皆成氧化物状态，更详细而言，该绝缘导热层4是将含有氮化硼粉末和无机结合物所合成的涂料涂布在该散热基底3表面，并于30℃~300℃的环境中进行100分钟~150分钟的温度固化而成；较佳的，所使用的氮化硼粉末的晶体结构是六方晶系，且以无机结合物整体重量100wt%计，无机结合物中的硅氧化物含量大于90wt%，其余金属成分极低并因为呈氧化物状态而具有极高的热稳定性、导热特性与绝缘特性。

补充说明的是，目前使用氮化硼材料作为导热/散热层时，是借着在物体表面形成结晶而令原本平滑表面成不规则的片状、增加接触空气的面积来达成较佳的散热效果，或是在高分子构成的绝缘层体中填充少部分的氮化硼微粒作为导热的途径，前者结合度不佳易与底材剥离掉落，后者使用的高分子仍是有劣化、耐热性质不够的缺点，而本发明中借着无机结合物与由金属或合金材料构成的散热基底3的良好结合改善以往氮化硼粉末易与底材剥离的缺点与高分子劣化问题，进而达到绝缘并导热的效果。

该电路单元5形成在该绝缘导热层4上并具有预定的电路图案而供电子元件设置并彼此电连接，更详细而言，该电路单元5是选自微量低温银浆、微量低温铜浆，或此等之一组合为材料，并以网版印刷方式形成预定的电路图案；另一形成该电路单元5的方式则是由金（Au）、银（Ag）、铜（Cu）、镍（Ni）、钯（Pd）等金属或合金材料利用金属溅镀方式形成，而可以改善现有的电路板以酸洗制程形成电路图案时，产生污染以及浪费大量金属的问题。

由前述说明可知，本发明具有高散热与高导热特性的复合陶瓷基板是借由占整体重量5wt%~30wt%的氮化硼粉末和占整体重量70wt%~95wt%的无机结合物为材料构成绝缘导热层4，而与散热基底3良好结合，并提供良好的热传导路径，同时，配合用含银、铜的导电浆料采用印刷方式或使用溅镀各种导电金属为材料形成该电路单元5，而不会产生废液污染环境，或浪费耗材，所以，当设置电子元件，例如高功率发光二极管时，电子组件作动产生的废热，会直接借由该绝缘导热层4大面积地传导至散热基底3，再由散热基底3导离至外界，进而解决电子零部件的散热问题，让电子元件稳定作动，另外，该绝缘导热层4的构成材料是大量的硅氧化物，以及少量的铝、钛、锆的金属氧化物所组成的无机结合剂与氮化硼共同制备，热稳定性高且不易起化学反应，所以不会出现以有机高分子材料为绝缘材料时的耐热性不足，以及受光照射而劣化的问题产生。

而要再加以补充说明的是，本发明具有高散热与高导热特性的复合陶瓷基板中，构成该绝缘导热层4的绝缘导热材料还可以单独且直接形成在例如金属或合金构成的散热基底3上，应用其与金属或合金结合性良好，以及高导热、绝缘的特性，作为应用于防火建材、计算机散热机壳，或是汽车引擎、即热式热水瓶加温模组、高导热烹调锅等各式需要高速均匀传导热源的元件或装置上，由于此等应用众多，在此不再多加一一赘述。

综上所述，本发明具有高散热与高导热特性的复合陶瓷基板，是借由与该散热基底3良好结合的绝缘导热层4的应用而与该散热基底3一起形成良好的热传导路径，同时，再配合用含银、铜的导电浆料采用印刷方式，或以导电金属溅镀形成供电子元件设置的电路单元5，而不会产生蚀刻废液污染环境，或浪费耗材，确实可改善现有电路板的导热性、耐热性不佳，以及受光照射会劣化的问题，并同步解决现有电路板常用酸洗方式制作导电线路而产生的环境污染、浪费耗材的问题。

此外，本发明作为该绝缘导热层4的材料因为不含有机高分子成分，对于环境、或周遭人体的友善度极高，同时与金属或合金具有良好的结合性并具有优异的导热特性，故确实能达成本发明之目的。

Claims

1.一种具有高散热与高导热特性的复合陶瓷基板，包含一个由金属或合金为材料所构成的散热基底，以及一个形成在该散热基底上并具有预定电路图案的电路单元，且该电路单元供电子组件设置并彼此电连接；其特征在于：该复合陶瓷基板还包含一个夹设于该散热基底与该电路单元间的绝缘导热层，该绝缘导热层形成在该散热基底的表面并由占该绝缘导热层整体重量5wt%~30wt%的氮化硼粉末和占该绝缘导热层整体重量70wt%~95wt%的无机结合物为材料所构成，其中，无机结合物至少包括硅、铝，及锆元素。

2.根据权利要求1所述的具有高散热与高导热特性的复合陶瓷基板，其特征在于：该绝缘导热层中的无机结合物还包括钛元素。

3.根据权利要求2所述的具有高散热与高导热特性的复合陶瓷基板，其特征在于：该绝缘导热层中的氮化硼粉末的晶体结构是六方晶系。

4.根据权利要求3所述的具有高散热与高导热特性的复合陶瓷基板，其特征在于：该无机结合物中硅或其他金属元素成氧化物状态。

5.根据权利要求4所述的具有高散热与高导热特性的复合陶瓷基板，其特征在于：以该无机结合物整体重量100wt%计，硅氧化物含量大于90wt%。

6.根据权利要求5所述的具有高散热与高导热特性的复合陶瓷基板，其特征在于：该绝缘导热层是将由氮化硼粉末和无机结合物所构成的涂料涂布在该散热基底，并于30℃~300℃的环境中进行100分钟~150分钟的温度固化而成。

7.根据权利要求6所述的具有高散热与高导热特性的复合陶瓷基板，其特征在于：该电路单元是选自微量低温银浆、微量低温铜浆，或此等之一组合为材料，并以网版印刷方式形成。

8.根据权利要求6所述的具有高散热与高导热特性的复合陶瓷基板，其特征在于：该电路单元选自金、银、铜、镍、钯，或此等之一组合为材料，并以金属溅镀方式形成。

9.根据权利要求1所述的具有高散热与高导热特性的复合陶瓷基板，其特征在于：该散热基底是选自铜、铝，或其之一组合为材料构成。