CN105914283A - 散热基板、功率模块及制备散热基板的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种散热基板、功率模块及制备散热基板的方法，该散热基板包括其上形成有至少一个凹陷区域的金属本体，该凹陷区域内设置有陶瓷绝缘体，且导电图案仅仅形成在该陶瓷绝缘体的外表面。本发明的散热基板不仅在其厚度方向上和水平方向上均具有很好的散热性能，而且具有不易碎裂的优点。在本发明所提供的散热基板制备方法中，首先在陶瓷绝缘体的至少两相对表面形成金属层，然后采用电镀工艺在该金属层和金属本体之间填充连接材料，从而实现陶瓷绝缘体和金属本体之间的固定连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种散热基板、包括该散热基板的功率模块及制备散热基板的方法。
背景技术
诸如LED器件、晶闸管、GTO(门极可关断晶闸管)、GTR(电力晶体管)、MOSFET(电力场效应晶体管)、IGBT(绝缘栅双极晶体管)和电力二极管等的各种功率器件在工作过程中会释放大量热量，为此，通常需要将其附接到具有良好散热性能的散热基板上。目前，广泛地使用金属基板和陶瓷基板作为功率器件的散热基板。
然而，陶瓷基板存在易碎的不足，金属基板也存在进一步提升其散热性能的需要。例如，中国专利申请CN201110139948.1公开了一种带有金属微散热器的印刷电路板(金属基板的一种)，其包括一常规印刷电路板(例如FR4印刷电路板)和设置于该常规印刷电路板底面的金属底层，该金属底层与常规印刷电路板接触的一面设有一个或多个与金属底层连为一体的金属微散热器，该一个或多个金属微散热器突出于金属底层表面并对应嵌入贯穿常规印刷电路板的一个或多个柱形通孔内。在该技术方案中，金属微散热器贯穿常规印刷电路板而在印刷电路板的厚度方向上形成散热通道，使得该印刷电路板在其厚度方向上具有很好的热传导能力。但是，由于FR4材料导热能力的限制，该印刷电路板在其平面方向上的导热率仅为大约0.4-2.2W/m·K，从而在一定程度上削弱了该印刷电路板的整体散热能力。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的第一方面提供了一种散热基板，其包括金属本体，该金属本体上形成有至少一个凹陷区域，该凹陷区域内设置有陶瓷绝缘体。其中，导电图案仅仅形成在该陶瓷绝缘体的外表面。
本发明中，金属本体可以采用铜、铝或铝合金等各种金属，陶瓷绝缘体可以采用氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷或碳化硅陶瓷等各种陶瓷。
本发明散热基板的优点在于：一方面，由于导电图案仅仅形成在陶瓷绝缘体的外表面，因而在本发明中不需要如现有技术一样在导电图案和金属本体之间设置有机材质绝缘层(例如FR4和/或PP等)，使得散热基板在其平面方向上同样具有很好的热传导能力，进一步提升了散热基板的整体散热性能；另一方面，由于陶瓷绝缘体设置在凹陷区域内，因而金属本体可以对陶瓷绝缘体起到保护作用，从而解决了现有技术中陶瓷基板易碎的问题。
上述技术方案中，用于与功率器件的散热面(例如LED灯珠的热沉)进行热连接的功率器件热连接位可以仅仅形成在陶瓷绝缘体的外表面或金属本体具有凹陷区域的表面上，也可以同时形成在陶瓷绝缘体的外表面和金属本体具有凹陷区域的表面上。
需要说明的是，本发明中，导电图案不仅能够实现导电功能，而且还可以同时起到导热作用，而功率器件热连接位仅用于实现导热。显而易见，本发明中，散热基板可以不包括功率器件热连接位。
优选地，功率器件热连接位的一部分或者全部形成在金属本体具有凹陷区域的表面。这样的好处在于增大陶瓷绝缘体外表面中可以用于设置导电图案的面积或者使得整个陶瓷绝缘体的外表面均可以作为导电图案的载体，从而不仅可以更方便地进行导电图案的设计，而且能够促进散热基板的小型化。
根据本发明的另一优选实施方式，导电图案和功率器件热连接位的表面基本上平齐，以降低散热基板的制作难度。另外，当功率器件的散热面和电极位于同一侧时，通常采用焊接的方式将功率器件焊接在散热基板上，此时控制导电图案和功率器件热连接位的表面基本上平齐，还能够有效降低焊接缺陷。
本发明的另一方面提供了一种功率模块，其包括散热基板和设置在该散热基板上的功率器件，其中，该散热基板包括金属本体，该金属本体上形成有至少一个凹陷区域，该凹陷区域内设置有陶瓷绝缘体，并且导电图案仅仅形成在陶瓷绝缘体的外表面。
上述功率模块中，由于导电图案仅仅形成在陶瓷绝缘体的外表面，且陶瓷绝缘体设置在凹陷区域内，因而散热基板不仅在其的厚度方向上和水平方向上均具有很好的散热性能，而且具有不易碎裂等良好机械性能，从而使得功率模块的工作性能和机械性能得到显著提升。
作为一种具体实施方式，金属本体在其具有凹陷区域的表面形成有功率器件热连接位，功率器件与功率器件热连接位导热连接并与导电图案电连接。其中，该功率器件热连接位可以是部分或者全部形成在金属本体具有凹陷区域的表面。
根据本发明的一种优选实施方式，在上述技术方案中，导电图案和功率器件热连接位的表面基本上平齐。
本发明的再一方面提供了一种制备散热基板的方法，包括以下步骤：
提供金属本体，该金属本体限定有至少一个凹陷区域；
提供陶瓷绝缘体，该陶瓷绝缘体至少在其两相对表面形成有金属层；
将陶瓷绝缘体以金属层朝外的方式放置在凹陷区域内；
通过电镀工艺而在金属本体和金属层之间形成连接材料，以使得金属本体和陶瓷绝缘体之间形成固定连接；
在陶瓷绝缘体的外表面形成导电图案。
上述技术方案中，凹陷区域可以在制备金属本体的同时形成(例如在模制金属本体的同时形成该凹陷区域)，也可以通过对金属本体进行机械加工或者化学腐蚀而制备得到。
上述技术方案中，金属层可以是单一金属层或者是包括多个金属子层的复合金属层；并且，金属层还可以形成在位于陶瓷绝缘体两相对表面之间的侧面上，或者进一步包覆陶瓷绝缘体的整个表面。作为一种可选择的实施方式，可以通过如下步骤在陶瓷绝缘体的表面形成金属层：首先采用PVD工艺在陶瓷绝缘体的表面沉积适当厚度的钛层，而后在该钛层上采用PVD工艺和/或电镀工艺进一步形成铜层。
上述技术方案中，可以通过对形成在陶瓷绝缘体外表面的金属层进行图形化蚀刻而得到导电图案，该导电图案可以包括与功率器件电连接的正极焊盘和负极焊盘。
虽然也可以采用焊接工艺而实现带有金属层的陶瓷绝缘体和金属本体之间的固定连接，但与采用焊接工艺相比，本发明方法中采用电镀工艺具有如下的突出优点：首先，焊接容易在散热基板中形成应力集中并导致散热基板发生形变，而电镀工艺不存在此问题；其次，在陶瓷绝缘体的体积较小时，通常难以实现或者根本上无法对其进行焊接，而电镀工艺可以对任意体积大小的陶瓷绝缘体进行固定。另外，由于本发明的制备方法不存在现有技术的金属基板制备方法中所采用的压合步骤，因而不存在因压合参数管控不当而导致的溢胶以及除胶困难等问题。
本发明的方法可以进一步包括如下步骤：在进行电镀之后且在形成导电图案之前，对位于凹陷区域一侧的散热基板表面进行研磨处理，以实现该表面的平整化。在对散热基板进行电镀的过程中，通常较难精确控制位于凹陷区域一侧散热基板表面的平整度。此时，研磨处理可以简单高效地实现其散热基板该侧表面的平整化。
本发明的方法还可以进一步包括在金属本体具有凹陷区域的表面形成功率器件热连接位。其中，该功率器件热连接位可以是部分或者全部形成在金属本体具有凹陷区域的表面。通常，功率器件热连接位的表面可以根据需要形成适当的功能性材料层，例如防锈蚀涂层/镀层、提高表面可焊性和/或反射性的涂层/镀层。举例来说，当用作LED模块的散热基板时，可以在功率器件连接位的表面形成光线反射层，以提高LED模块的出光效率。
在本发明的方法中，金属本体优选具有至少一个电镀通孔，该电镀通孔与凹陷区域连通并贯穿金属本体。其中，电镀通孔可以通过机械钻孔或者激光钻孔的方式而形成。在该实施方式中，由于电镀通孔的存在，电镀溶液可以经由电镀通孔进入凹陷区域的底部，使得位于陶瓷绝缘体底面的金属层和金属本体之间同样形成固定连接，从而提高金属本体和陶瓷绝缘体之间的连接强度。
本发明的方法中，还可以在凹陷区域的底面形成支撑结构，以使得当陶瓷绝缘体放置在凹陷区域内时，凹陷区域的底面和位于陶瓷绝缘体底面的金属层之间相互分隔。这样的好处在于，在对散热基板进行电镀时，电镀溶液可以进入凹陷区域的底面和位于陶瓷绝缘体底面的金属层之间的间隙，并在二者之间形成连接材料，以增大二者之间的连接强度，并降低二者之间的热阻。
为了更清楚地阐述本发明的目的、技术方案及优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
附图说明
图1是本发明一实施例中金属本体的结构示意图；
图2A是本发明一实施例中陶瓷绝缘体的结构示意图；
图2B是在图2A的陶瓷绝缘体表面形成钛层后的结构示意图；
图2C是在图2A的陶瓷绝缘体表面形成钛层和铜层后的结构示意图；
图3是图2C的陶瓷绝缘体放置在图1的金属本体中后的结构示意图；
图4是表示经整板电镀和研磨处理所得散热基板的结构示意图；
图5是表示在图4的散热基板上形成导电图案后的结构示意图；
图6是作为本发明一功率模块实施例的LED模块的结构示意图；
图7是作为本发明另一功率模块实施例的LED模块的结构示意图。
具体实施方式
散热基板实施例
图1至5示出了作为本发明一实施例的散热基板及其制备方法。如图1所示，本实施例的制备方法包括提供一具有多个凹陷区域11和多个电镀通孔12的板状金属本体10。其中，首先通过模制的方式形成具有多个凹陷区域11的板状金属本体10，然后采用机械钻孔的方式在对应于每一个凹陷区域11的位置形成贯穿金属本体10并与相应凹陷区域11连通的电镀通孔12。虽然图1所示的金属本体10仅在其一个表面侧形成有凹陷区域11，但在本发明未图示的其他实施例中，凹陷区域也可以相互错开地形成在金属本体的两相对表面侧。
另外，在本发明的其他实施例中，可以在凹陷区域的底面形成例如台阶部或者包括至少三个支撑凸起的支撑结构，以使得当陶瓷绝缘体放置在凹陷区域内时，凹陷区域的底面和位于陶瓷绝缘体底面的金属层之间相互分隔。在部分实施例中，还可以使得支撑结构同时具有定位陶瓷绝缘体的功能。
如图2A至2C所示，本实施例的制备方法还包括提供表面形成有金属层的陶瓷绝缘体的步骤。该步骤依次包括：提供如图2A所示的陶瓷绝缘体20；如图2B所示，通过PVD工艺在陶瓷绝缘体20的整个表面沉积适当厚度的钛层21；如图2C所示，在钛层21上形成铜层22。其中，首先通过PVD工艺在钛层21上沉积适当厚度的底铜层，而后通过电镀工艺在该底铜层上进一步形成加厚铜，以得到具有适当厚度的铜层22。当然，在本发明的其他实施例中，也可以无需形成适当厚度的铜层；另外，金属层也可以仅仅形成在陶瓷绝缘体的两相对表面上。
本实施例的制备方法进一步包括将陶瓷绝缘体20放置到金属本体10的凹陷区域11中。如图3所示，本实施例中，通过对陶瓷绝缘体20和凹陷区域11的尺寸进行控制，使得当陶瓷绝缘体20放置到凹陷区域11中时，位于陶瓷绝缘体20外表面的金属层和金属本体11的表面基本上平齐。
本实施例的方法进一步包括对如图3所示的散热基板进行电镀(如电镀铜)的步骤。参见图4，该电镀步骤在金属本体10和陶瓷绝缘体20表面的金属层之间填充连接材料31，从而使得金属本体10和陶瓷绝缘体20之间形成固定连接。本发明中，电镀溶液可以经由电镀通孔12进入凹陷区域11的底部，使得位于陶瓷绝缘体20底面的金属层和金属本体10之间形成固定连接，从而提高金属本体10和陶瓷绝缘体20之间的连接强度。另外，参见图4，在电镀步骤完成后，电镀通孔12可以被电镀所沉积的金属材料33完全填充；并且，该电镀步骤还在散热基板具有凹陷区域11的表面沉积附加的金属层32。在本发明的其他实施例中，金属材料33可以部分填充电镀通孔12，金属层32可以形成在散热基板的整个外表面。
通常，较难控制电镀后散热基板表面的平整度，因而本实施例的方法可以进一步包括对位于凹陷区域一侧的散热基板表面进行研磨的步骤，以实现该表面的平整化，从而得到如图4所示的散热基板。
本实施例的方法进一步包括对如图4所示的散热基板进行蚀刻的步骤。如图5所示，在该步骤中对陶瓷绝缘体20外表面的金属层进行图形化蚀刻，从而得到包括正极焊盘和负极焊盘的导电图案40，并形成与导电图案40电绝缘的功率器件热连接位41。其中，正极焊盘和负极焊盘可以分别形成在相同或者不同陶瓷绝缘体20的外表面；功率器件热连接位41可由金属本体10的表面延伸至陶瓷绝缘体20的表面，以进一步促进并保持金属本体10和陶瓷绝缘体20之间的固定连接。
在本发明的其他实施例中，也可以不形成功率器件热连接位，而利用正极焊盘和/或负极焊盘来同时实现功率器件和散热基板之间的热连接与电连接。例如对于倒装型LED芯片的散热基板来说，其就无需设置功率器件热连接位。
功率模块实施例
图6示出了作为本发明一功率模块实施例的LED模块，其包括正装型LED芯片50和如图5所示的散热基板。其中，LED芯片50设置在功率器件热连接位上，且通过金线51与导电图案40电连接。为简便起见，图6中仅示出了一个LED芯片50。另外，虽然本实施例中每一功率器件热连接位上仅设置有一个LED芯片50，但本领域技术人员容易理解，在本发明的其他实施例中也可以在一个功率器件热连接位上设置多个LED芯片。
图7示出了作为本发明另一功率模块实施例的LED模块，其包括LED灯珠60以及如图5所示的散热基板，LED灯珠60包括正极61、负极62和位于二者之间的热沉63。其中，热沉63焊接至功率器件热连接位，正极61和负极62分别焊接至位于功率器件热连接位两侧的正极焊盘和负极焊盘。
虽然以上通过实施例描绘了本发明，但应当理解的是，本领域普通技术人员在不脱离本发明的发明范围内，依照本发明所作的同等改进，应为本发明的发明范围所涵盖。
Claims (10)
1.一种散热基板，包括金属本体，其中，所述金属本体上形成有至少一个凹陷区域，所述凹陷区域内设置有陶瓷绝缘体，且导电图案仅仅形成在所述陶瓷绝缘体的外表面。
2.如权利要求1所述的散热基板，其中，所述金属本体在其具有凹陷区域的表面形成有功率器件热连接位。
3.如权利要求2所述的散热基板，其中，所述导电图案和所述功率器件热连接位的表面基本上平齐。
4.一种功率模块，包括散热基板和设置在所述散热基板上的功率器件，其中，所述散热基板包括金属本体，该金属本体上形成有至少一个凹陷区域，该凹陷区域内设置有陶瓷绝缘体，导电图案仅仅形成在所述陶瓷绝缘体的外表面。
5.如权利要求4所述的功率模块，其中，所述金属本体在其具有凹陷区域的表面形成有功率器件热连接位，所述功率器件与所述功率器件热连接位导热连接并与所述导电图案电连接。
6.如权利要求5所述的功率模块，其中，所述导电图案和所述功率器件热连接位的表面基本上平齐。
7.一种制备散热基板的方法，包括以下步骤：
提供金属本体，所述金属本体限定有至少一个凹陷区域；
提供陶瓷绝缘体，所述陶瓷绝缘体至少在其两相对表面形成有金属层；
将所述陶瓷绝缘体以所述金属层朝外的方式放置在所述凹陷区域内；
通过电镀工艺而在所述金属本体和所述金属层之间形成连接材料，以使得所述金属本体和所述陶瓷绝缘体之间形成固定连接；
在所述陶瓷绝缘体的外表面形成导电图案。
8.如权利要求7所述的方法，其进一步包括如下步骤：在进行电镀之后且在形成导电图案之前，对位于所述凹陷区域一侧的散热基板表面进行研磨处理，以实现该表面的平整化。
9.如权利要求7所述的方法，其进一步包括在所述金属本体具有凹陷区域的表面形成功率器件热连接位。
10.如权利要求7所述的方法，其中，所述金属本体具有至少一个电镀通孔，该电镀通孔与所述凹陷区域连通并贯穿所述金属本体。
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