CN108990254B - 内建纵向散热陶瓷块印刷电路板及具该电路板的电路组件 - Google Patents

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Abstract

一种内建纵向散热陶瓷块印刷电路板及具该电路板的电路组件，其中该电路组件包含：一片内建纵向散热陶瓷块的印刷电路板及复数电路元件，前述印刷电路板更包括：一介电材料层，并形成至少一个贯穿孔；至少一个对应嵌入上述贯穿孔中的散热陶瓷块；至少一个将上述散热陶瓷块嵌固于上述贯穿孔中的固定部；一设置于上述介电材料层与上述散热陶瓷块的上板面的金属电路层及设置于下板面的高导热层。本发明藉由可依需要调整设置位置及大小的散热陶瓷块，达到因应复杂电路设计、发挥良好导热效果及控制热能传导路径，并降低制造成本的目的。

Description

内建纵向散热陶瓷块印刷电路板及具该电路板的电路组件
技术领域
一种印刷电路板，尤其是一种内建纵向散热陶瓷块印刷电路板及具该电路板的电路组件。
背景技术
印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)是以铜箔基板为主要关键基础材料，用以供装设电子元件，该铜箔基板一般多以介电材料作为绝缘层，以铜箔形成的导线为导电材料层，并将导电材料层布局于该介电绝缘层而成。其中介电材料又多以纸质、电木板、玻璃纤维板、橡胶以及其他种类高分子等绝缘材料经树脂含浸形成为主。为便于后续说明，本发明将此种铜箔基板的绝缘层称为介电材料层。
随着电路设计的日益复杂、多元的需求，印刷电路板的结构也由单面板(SingleLayer PCB)逐渐发展为双面板(Double Layer PCB)到多层板(Multi Layer PCB)。目前多层的印刷电路板是利用多层的介电材料层和导电材料层相叠合，形成更复杂并且更多元的电路，并且藉由在介电材料层形成贯穿孔，以导电材料构成插塞(Plug)，进而连结多层板间各层的导线，以达到在更小的占用体积里允许容纳更多电子元件的目的。市面上常见的FR-4、FR-5、FR-6、FR-7等皆属于多层PCB常用材质。
在电子装置不断微型化的同时，特定需求的电子元件则朝向更高功率方向发展，如此一来，在更小的空间内就会伴随更高的发热。尤其导线的线距和导线本身的线径都要缩小，例如在电木板与玻璃纤维等为基础的基板材料上，电路间距都已可缩减到大约50微米(μm)，这使得电路领域中关于热能累积难以处理的高温问题愈发严重。
高功率元件消耗的能量大，一方面代表工作效率较高，但有一定比例的能量被转换为热能也是不可避免的。再者，电子技术又朝向电子电路设计及布局的复杂与多元化的方向发展，当高功率电子元件开始被设置于印刷电路板上时，意味着会有更多耗能元件被设计在相同甚至更小的空间中工作，这样的趋势下，产生的热能问题将比以往更难处理。由于一般印刷电路板的铜箔基板绝缘层材料多为介电材料，并不是热的良好导体，使得高发热元件所产生的热能都积聚在靠近高功率元件的附近，让运作环境非常不理想。同时，过多的热堆积通常也导致印刷电路板的膨胀，但印刷电路板和电路元件间的热膨胀系数不一，也势必会造成因热应力而让接点产生受损的风险。
为了增进散热效率，目前常用的方法有以下几种：一是一般电子元件产生的热能，经由热对流或是热辐射扩散至印刷电路板周围的空气及环境，但此种散热效率并不高；二是通过导热性质比较好的金属导线或散热片(Heat-Sink)传导，虽然这类结构散热效果较单纯介电材质更好，但由于金属导线的线径不大，故此种路径的散热效率并不高；而散热片通常需经由导热胶等材料固定于印刷电路板，但是导热胶本身的导热系数远低于金属，因此即使在散热片远离产热电子元件的远端加装风扇，导热片的导热效果也会大打折扣。
另一解决方案是加装导热管，但导热管不仅占用空间，结构也相对复杂，制造成本因而大增，其他的解决方案，还包括变换印刷电路板的材质或结构，例如以铝(导热系数237Wm-1K-1)为金属核心的金属核心印刷电路板(Metal Core PCB，MCPCB)，但受限于技术因素，目前尚无多层板结构，无法因应复杂电路设计；且在加工过程中容易产生布局变形，无法被广泛采用。
目前比较被普遍采行的解决方案是使用陶瓷材料作为电路基板的绝缘材料层，最常见的陶瓷材料有氧化铝(Aluminium Oxide，Al2O3)制成的直接覆铜(Dircet BondedCopper，DBC)基板，其中，氧化铝在单晶结构下导热系数可达35Wm-1K-1，多晶结构下则有20至27Wm-1K-1。其他常见的陶瓷材料基板，还有：氮化铝(AlN)、氧化铍(BeO)及碳化硅(SiC)等。由于上述导热性能良好的陶瓷材料常用在有高功率电子元件的电路基板中，因此该类基板有时又称作高功率印刷电路基板(Power Electronic Substrate)。
然而，实务上若要使用以陶瓷材料基板制作的印刷电路板，虽然电路的导线线径可以细至30微米(μm)，但由于通常采用高温烧制，在制程中，一方面会造成少量的膨胀不均和翘曲，因此基板的精密度不如印刷电路板而不适合制造多层板；另方面在高温制程中容易使构成电路的金属原子游离扩散，使得导线间距须维持在80微米(μm)左右。因此，采用陶瓷材料基板制作印刷电路板除了成本增加外，还会造成导线的宽度、间距无法缩减，以及导线线路位置的精准度问题，使得应用整片陶瓷材料基板的电子装置体积无法微型化。
所以，针对高发热的电子元件，目前常会先将电子元件设置于小块陶瓷上，封装后又再设置于树脂类印刷电路基板上形成叠床架屋的结构，这样不仅增加印刷电路板的体积，并且因为陶瓷块和导热元件间还需要经过导热系数较差的材料传导，又会降低原本的散热效率。
例如有业者提出采用半导体制程，将散热材料沉积于蚀刻后的介电基板中，制成如图1所示复合式散热式基板；然而，由于半导体制程的机台相当昂贵，使得此种制造方法成本随之高涨，尤其考虑制程中的光罩等成本分担，因此并不适合少量多样的产品，在制程方面受到相当限制，且并非一般基板厂能普遍采用。
因此，如何一方面能配合更细的导线线径和更小的导线间距，让电路设计更微型化，所占用空间更小；并且提供更佳的导热效率，让高功率电子元件的应用成为可行，还同时能依照不同的客户需要，制造少量多样的产品，提供制造弹性，就是本发明所要达到的目的。
发明内容
本发明之一目的在于提供一种在高功率元件处具有良好导热效率，且在其余部分能提供具弹性电路设计的内建纵向散热陶瓷块印刷电路板。
本发明的另一目的在于提供一种可以依需要设置散热位置，提供设计弹性的内建纵向散热陶瓷块印刷电路板，让少量多样的电路布局成为可行。
本发明的又一目的在于提供一种藉由贯穿上下的散热陶瓷块，可以更有效设计导热路径的内建纵向散热陶瓷块印刷电路板。
本发明的再一目的在于提供一种节省空间的内建纵向散热陶瓷块印刷电路板；以散热陶瓷块嵌入印刷电路基板上的贯穿孔，让未设置元件的下板面可以导热接合散热装置，提升整体散热效果。
本发明的又另一目的在于提供一种成本较陶瓷材料基板更经济的内建纵向散热陶瓷块印刷电路板。
本发明的又再一目的在于提供一种内建纵向散热陶瓷块印刷电路板，藉由在散热陶瓷块和印刷电路基板的介电材料层齐平的上板面上，同步形成金属电路层，让印刷电路板一体化，使得整体结构简单，制造成本低廉。
因此，本发明揭露一种内建纵向散热陶瓷块印刷电路板，包括：一介电材料层，包含一第一上板面和相反于前述第一上板面的第一下板面，以及，该介电材料层上形成有至少一个贯穿前述第一上板面和第一下板面的贯穿孔；至少一个对应嵌入上述贯穿孔中的散热陶瓷块，包含一第二上板面与一第二下板面，前述散热陶瓷块导热系数高于前述介电材料层；至少一个将上述散热陶瓷块嵌入固定于上述介电材料层的贯穿孔中的固定部，并使得前述第二上板面分别对应于上述第一上板面，以及前述第二下板面分别对应于上述第一下板面；一设置于上述第一上板面和上述第二上板面上的金属电路层，供设置复数电路元件，其中前述电路元件中至少包括一个高功率元件，以及上述高功率元件系供设置于上述第二上板面上的金属电路层处；以及一设置于上述第一下板面和上述第二下板面下方的高导热层，其中该高导热层的导热系数高于上述散热陶瓷块。
当把包括高功率元件在内的复数电路元件，安装于上述内建纵向散热陶瓷块印刷电路板，就可以构成本发明的一种电路组件，包含：一片内建纵向散热陶瓷块印刷电路板，包括：一介电材料层，包含一第一上板面和相反于前述第一上板面的第一下板面，以及，该介电材料层上形成有至少一个贯穿前述第一上板面和第一下板面的贯穿孔；至少一个对应嵌入上述贯穿孔中的散热陶瓷块，包含一第二上板面与一第二下板面，前述散热陶瓷块导热系数高于前述介电材料层；至少一个将上述散热陶瓷块嵌入固定于上述介电材料层的贯穿孔中的固定部，并使得前述第二上板面分别对应于上述第一上板面，以及前述第二下板面分别对应于上述第一下板面；一设置于上述第一上板面和上述第二上板面上的金属电路层，供设置复数电路元件，其中前述电路元件中至少包括一个高功率元件，以及上述高功率元件是供设置于上述第二上板面上的金属电路层处；以及一设置于上述第一下板面和上述第二下板面下方的高导热层，其中该高导热层的导热系数高于上述散热陶瓷块；以及复数电路元件，其中至少包括一个高功率元件，以及前述高功率元件系供设置于上述第二上板面上的金属电路层处。
本发明藉由相对简单的制造程序，减少昂贵的陶瓷材料面积从而降低制造成本，并且兼得陶瓷材料的良好导热效果以及印刷电路板可容许复杂电路设计的优势，不仅符合电路微型化趋势，并针对高功率电路元件提供良好导热，藉此确保操作环境的适当温度；再者，本发明更能有效控制热能传导路径，确保其他电子元件良好运作，尤其，符合少量多样制造需求，藉此增加印刷电路板的使用弹性。
附图说明
图1为一种在先技术的侧视示意图，说明电路组件与印刷电路板的结构。
图2为本发明一种内建纵向散热陶瓷块印刷电路板及具该电路板的电路组件的第一较佳实施例的侧视示意图，说明散热陶瓷块于印刷电路板中的相关位置，及电路组件的整体结构。
图3为图2的部分立体透视示意图，用于说明印刷电路板内部结构与结合方式。
图4为图2的立体爆炸图。
图5为本发明的电路组件的侧视示意图，用于说明本发明乘载IGBT(InsulatedGate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型电晶体)的状态。
图6为本发明一种内建纵向散热陶瓷块印刷电路板及具该电路板的电路组件的第二较佳实施例的侧视示意图，用于说明本发明乘载LED的状态。
符号说明
1…内建纵向散热陶瓷块印刷电路板
2、2’…电路组件 11、11’…介电材料层
111、111’…第一上板面 113、113’…第一下板面
115…贯穿孔 117、117’…穿孔内缘
13、13’…散热陶瓷块 131、131’…第二上板面
133、133’…第二下板面 135、135’…外周缘
15、15’…固定部 17、17’…金属电路层
19、19’…高导热层 8’…散热鳍片
9、9’…高功率元件
具体实施方式
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合说明书附图的较佳实施例的详细说明中，将可清楚呈现；此外，在各实施例中，相同的元件将以相似的标号表示。
本发明一种内建纵向散热陶瓷块印刷电路板及具该印刷电路板的电路组件的第一较佳实施例，如图2至图5所示，是以长、宽各10cm的FR-4的多层形式介电材料层11为基础，在介电材料层11中以例如激光预切割出例如长、宽各2cm的贯穿孔115，再将对应的如氧化铝(Al2O3)材质方形柱状的散热陶瓷块13嵌入贯穿孔115中。不过，如熟悉本技术领域人士所能轻易理解，本实施例中的FR-4基板大小可以从大于10cm2到小于3600cm2的范围内简单替换。
为便于说明起见，在此依照图式方向，将介电材料层11位于图式上方的表面称为第一上板面111，相对的下方称为第一下板面113，而将散热陶瓷块13的上、下表面分别称为第二上板面131和第二下板面133，且介电材料层11的厚度和散热陶瓷块13的厚度相近。当然，熟知此领域技术者可以轻易了解上述介电材料层11无论改采FR-1(俗称电木板)、FR-3、FR-6、G-10等环氧树脂或玻璃纤维预浸基板均可；切割方式也可以采用机械切割等类似方式，散热陶瓷块13则可以选择氮化硅(Si3N4)、氧化铝(Al2O3)、碳化硅(SiC)、氧化铍(BeO)等替代，均无碍于本发明实施。
随后以例如环氧树脂胶填入氮化铝的散热陶瓷块13的外周缘135与FR-4介电材料层11的穿孔内缘117之间的间隙，胶材固化后，即可将散热陶瓷块的外周缘135与穿孔内缘117稳固结合，且胶材固化形成的固定部15本身还具有大于散热陶瓷块13的挠性，因此是一种机械缓冲混合材料，使得两种相异材质即使受热膨胀系数不一，仍可以提供缓冲保护。当然，熟知本技术领域之人可以轻易推知，虽本例以环氧树脂胶做说明，但可以硅为基底或其他具挠性的胶材均属简易变换，并无碍于本发明实施。
在上述散热陶瓷块13被固定部15嵌固于介电材料层11的贯穿孔115后，可以经过抛磨，使得第一上板面111和第二上板面131相互齐平，以便于进一步于本例中，以例如溅镀的方式在第一和第二上板面上，依序形成一层钛及一层铜的金属种子层，接着并以电镀的方式增厚该金属种子层，构成一电镀铜层，且为保护铜层不致轻易氧化，本例中在铜层上方更增加一层镍、金层，共同构成多层结构的一金属层。当然，熟知此领域技术者可以轻易了解上述保护铜层材料无论改采有机保焊剂(Organic Solderability Preservatives，OSP)、银、锡等材料替代，均无碍于本发明实施。前述金属层经过布局(Pattern)等一系列后续常规加工程序即为本例中的金属电路层17。当然，熟知此技术者也可以采用例如常见的蒸镀或其他可行的方式，并且采用它种适合的金属用以形成上述多层结构的金属电路层。
由于第一下板面113和第二下板面133也彼此齐平，且铜具有较佳的导热系数(380Wm-1K-1)，因此于本例中，在第一下板面113和第二下板面133下方也形成一铜的金属层，藉此构成一层导热系数高于前述介电材料层11的高导热层19。由于高导热层19同时以良好的导热接触，连结介电材料层11和散热陶瓷块13，但散热陶瓷块13以及高导热层19的导热系数远高于介电材料层11，因此高导热层19主要是将散热陶瓷块13传来的热能从图式的水平方向再导出，相对地，设置于介电材料层11上方的一般电路元件(图未示)，则不会轻易受到散热陶瓷块13所传来的热能干扰，藉此将高功率元件9所发出的高热与其他周边一般的电路元件隔离。
上述介电材料层11设置完成后，即可供进一步安装所需电路元件，前述电路元件更包括至少一件高功率元件9，于此例中，高功率元件9例释为一IGBT，并以例如表面安装(Surface-mount technology，SMT)的方式焊接固定于散热陶瓷块13上方的接垫处，且经由金属引线，将IGBT的各电极导接至对应的接垫。由于IGBT具有高效率以及切换速度快等优点，常应用于作功量较大的电子设备，如：冷气机、电冰箱、音响、以及马达驱动器等，因此前述电子设备运作时，IGBT将产生大量的热能，该热能会直接穿经氧化铝(Al2O3)的散热陶瓷块13，向下传导至高导热层19，而被导离散热陶瓷块13的位置，前述热能并将进一步藉由高导热层19的大面积散热，甚至可在远端设置主动式的风扇和/或水冷系统(图未示)等，达到增加散热效率的效果。
当然，熟知本技术领域人士亦能轻易以直接贴附于前述高导热层19的散热鳍片(图未示)替换，并且在传递的过程中，由于不属于高功率的电路元件，主要被安装在金属电路层17对应于周围印刷电路板的位置，受到印刷电路板热传导系数相对较低的保护，高功率元件9所发出的热能将不会轻易影响周边电路元件。也就是，散热陶瓷块13可以在纵向高速传递热能，但不会将无谓的热能大量转传至介电材料层11而干扰其运作。因此将高功率元件9安装至本发明的内建纵向散热陶瓷块印刷电路板1后，共同构成的电路组件2将可达到所谓热电分离的功效，所有本身不发高热的元件，均被保持在一个较佳的低温工作环境，并且保有印刷电路板所具有的复杂化及微型化优势。
本发明一种内建纵向散热陶瓷块印刷电路板及具该电路板的电路组件的第二较佳实施例，如图6所示，例释为一种具有高功率元件的电路组件2’，该电路组件2’系装设于路灯供作照明光源，其中电路组件2’中的高功率元件9’更例释为一高功率LED，本例中与第一较佳实施例相同的部分于此处省略不予赘述。于本例，介电材料层11’为一种可挠性基材，大小约为100cm2，散热陶瓷块13’的大小则介于0.01cm2至25cm2。不过，如熟悉本技术领域人士所能轻易知悉，本实施例中的可挠性基板在大于散热陶瓷块的限制条件下，大小可于5cm2到3600cm2的范围内简单替换。
本例中散热陶瓷块13’是以氮化铝(AlN)制作，当散热陶瓷块13’嵌入可挠性基材后，多个高功率LED分别被安装至多个散热陶瓷块13’处，LED驱动电路则被设置于介电材料层11’的上述第一上板面111’上的位置。印刷电路板因为具有可挠性基材，可以配合环境现况安装而富有弹性，相对地，散热陶瓷块13’也可以配合具可挠性的介电材料层11’形状设置。在本例中，非垂直于第二上板面131’和第二下板面133’且下宽上窄的外周缘135’非最小连结面，恰好对应于非垂直于第一上板面111’与第一下板面113’的贯穿孔(图未示)的穿孔内缘117’的非最小连结面，达成协助嵌入的效果。
于介电材料层11’与散热陶瓷块13’之间的固定部15’在本例是一种导热硅胶，其他如石墨、相变材料等导热性高于介电材料层11’的材料制作的胶材，具习知技术者均可以依此轻易置换。藉固定部15’的导热硅胶有辅助热传递的效果，本例中再以前述导热硅胶将一散热鳍片8’黏着于高导热层19’作为散热设备。当然，高导热层19’也可以再额外增加例如螺锁的辅助，加强与介电材料层11’和散热陶瓷块13’的结合，使得结合面更不易产生空气隙。而且在高导热层19’处，还可以再设置例如导热管或石墨烯制品等，以增加散热效果。
由于本发明的电路组件2’，是将上下齐平的散热陶瓷块13’纵向嵌入介电材料层11’中，并且在上下两板面分别形成一金属电路层17’和一高导热层19’，因高导热层19’的导热系数高于前述散热陶瓷块13’，让散热陶瓷块13’处所设置的高功率元件9’所发热能，主要藉由穿经散热陶瓷块13’，被高导热层19’所携出，相对地设置于介电材料层11’处的其他电路元件(图未示)则不易受到高功率元件9’所发热能的干扰，藉此达成热电分离的功效。并且由于不需采用价格较高的整片陶瓷材料基板，在材质成本方面更为经济；两者结合简单，让制造便捷，并且可以被少量多样生产而具有制造及使用弹性；当然，此处的散热陶瓷块并非局限于柱状或方块状，即使散热陶瓷块的截面积是U形或其他形状亦属简单变换，均无碍本发明实施，同时在搭配但不限于是技术成熟的树脂类印刷电路基板时，让整体的电路设计不仅可以多层化，进而符合复杂化、微型化的需求，而且完全不需要采用半导体机台，让产品成本大幅降低，有效达成本发明的上述目的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，不能以此限定本发明实施的范围，凡是依本发明权利要求书及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (4)

1.一种内建纵向散热陶瓷块印刷电路板，其特征在于，包括：
一介电材料层，包含一第一上板面和相反于前述第一上板面的一第一下板面，以及，该介电材料层上形成有至少一个贯穿前述第一上板面和第一下板面的贯穿孔；
至少一个对应嵌入上述贯穿孔中的散热陶瓷块，包含一第二上板面与一第二下板面，前述散热陶瓷块导热系数高于上述介电材料层；
至少一个将上述散热陶瓷块嵌入固定于上述介电材料层的贯穿孔中、以树脂胶填入固化形成的固定部，并使得前述第二上板面分别对应于上述第一上板面，以及前述第二下板面分别对应于上述第一下板面，其中前述介电材料层具有连结上述第一上板面和上述第一下板面且环绕出上述贯穿孔的穿孔内缘，且上述散热陶瓷块具有连结上述第二上板面和上述第二下板面的外周缘，以及上述固定部为介于上述穿孔内缘和上述外周缘之间，供将两者固定介接的固定材料，上述固定部进一步为一种挠性大于上述散热陶瓷块的机械缓冲混合材料；
一镀设于上述第一上板面和上述第二上板面上的金属电路层，供设置复数电路元件，其中前述电路元件中至少包括一个高功率元件，以及上述高功率元件系供设置于上述第二上板面上的金属电路层处；以及
一设置于上述第一下板面和上述第二下板面下方的高导热层，其中该高导热层的导热系数高于上述散热陶瓷块。
2.如权利要求1所述的内建纵向散热陶瓷块印刷电路板，其特征在于，其中上述介电材料层的面积介于5cm2至3600cm2；上述散热陶瓷块面积则介于0.01cm2至25cm2。
3.如权利要求1或2所述的内建纵向散热陶瓷块印刷电路板，其特征在于，其中上述外周缘或/和上述穿孔内缘为至少一部分非垂直于上述第一上板面、第一下板面、第二上板面及第二下板面的非最小连结面。
4.一种电路组件，其特征在于，包含：
一片内建纵向散热陶瓷块印刷电路板，包括
一介电材料层，包含一第一上板面和相反于前述第一上板面的一第一下板面，以及，该介电材料层上形成有至少一个贯穿前述第一上板面和第一下板面的贯穿孔；
至少一个对应嵌入上述贯穿孔中的散热陶瓷块，包含一第二上板面与一第二下板面，前述散热陶瓷块导热系数高于上述介电材料层；
至少一个将上述散热陶瓷块嵌入固定于上述介电材料层的贯穿孔中、以树脂胶填入固化形成的固定部，并使得前述第二上板面分别对应于上述第一上板面，以及前述第二下板面分别对应于上述第一下板面，其中前述介电材料层具有连结上述第一上板面和上述第一下板面且环绕出上述贯穿孔的穿孔内缘，且上述散热陶瓷块具有连结上述第二上板面和上述第二下板面的外周缘，以及上述固定部为介于上述穿孔内缘和上述外周缘之间，供将两者固定介接的固定材料，上述固定部进一步为一种挠性大于上述散热陶瓷块的机械缓冲混合材料；
一镀设于上述第一上板面和上述第二上板面上的金属电路层，供设置复数电路元件，其中前述电路元件中至少包括一个高功率元件，以及上述高功率元件系供设置于上述第二上板面上的金属电路层处；以及
一设置于上述第一下板面和上述第二下板面下方的高导热层，其中该高导热层的导热系数高于上述散热陶瓷块；以及
复数电路元件，其中至少包括一个高功率元件，以及前述高功率元件系供设置于上述第二上板面上的金属电路层处。
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