CN1614770A - 高散热性的芯片模块及其基板 - Google Patents

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杨明祥
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Abstract

本发明涉及一种高散热性的芯片模块及其基板，该芯片模块包括一高散热性的基板，设置于基板的一个以上芯片，高散热性的基板是于一金属复合板材表面形成绝缘层，再于绝缘层上设置铜线路层，此一铜线路层可用于粘着芯片，其中，基板的材质是选择具有高热传导系数的铝基复合材料，能够同时达到轻量化与减少热变形的优点，绝缘层也使用热传导性好的材料所形成，特别是热传导系数高于树脂或纤维的金属氧化物，如此芯片才能将热量平均扩散至整个电路板，并快速散发于周围的空气中。

Description

高散热性的芯片模块及其基板
技术领域
本发明涉及一种高散热性的芯片模块及其基板，特别涉及芯片模块使用一种铝基复合材料来形成金属复合板材的叠层电路板。
背景技术
随着电子产品逐渐往高性能化、高频化、高速化与轻薄化的方向发展，在轻、薄、短、小、多功能的设计理念下，各种电子相关主要元件如中央处理器(CPU)，芯片组(Chipset)等均朝向高速度、多功能、高功率、体积小的方向研究与发展。因此，造成元器件内的单位体积发热量不断的提高，而元器件的散热问题也成为电子产业继续发展的关键。
集成电路(IC)芯片性能之所以能够持续提升，就是因为每平方英时可容纳的晶体管数不断增加所致。随着晶体管数的增加，消耗的功率也跟着变大。过去几年中，处理器从32位(bit)、66兆赫兹(MHz)、耗电量3瓦的规格，演进为64bit、300MHz，而耗电量也成长了10倍之多。功率消耗直接产生热量，若过多的热量无法排除，便会缩短芯片的使用寿命。作业温度每增加摄氏10度，IC芯片使用寿命就缩短一半。因此，为维持芯片的使用寿命，必须采用各式的散热方法来消除过多的热量。
为了消除IC芯片的热量，热量需通过热传导路径，使IC芯片的热量能传送至外部空气中。其中，电路板的金属线路的面积和散热能力有限，主要仍需利用占整体比例最大的复合基材，例如玻璃纤维布或软性基材来进行散热。然而一般的玻璃纤维布或软性基材的导热性质不好，所以在印刷电路板上的元器件需以空气为热传导介质。然而以空气传导方式散热，无法将元器件所累积的热迅速有效的散失，而使得元器件的效能降低，甚至减少元器件的寿命，此情形在多层电路板更为严重。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种高散热性的芯片模块，可有效将芯片产生的热能量传导至基板的表面，再利用该表面的广大的面积使热量迅速散发至空气中。
本发明的第二目的在于提供一种降低芯片模块散热成本的材料，可省去芯片模块所使用风扇散热器、热导管或散热片等装置的相关费用。
本发明的第三目的在于提供芯片模块一种可靠的散热方式，不必担心散热装置发生故障而造成芯片模块或整个系统的当机发生。
本发明的第四目的在于提供一种高散热性的基板，利用高散热性的铝基复合材料形成金属复合板材，直接在其表面形成绝缘层与电路层，利用其轻量、高热传导性质以及低热膨胀系数的特质，可以直接将热能量传出，同时避免高温环境下所产生的热变形。
本发明的第四目的在于提供一种基板的制造方法，利用金属复合板材直接在其表面形成绝缘层与电路层，相较于多层电路板有较简易的制造步骤。
为达成上述目的，本发明公开一种高散热性的芯片模块，包括一高散热性的基板，及一个以上芯片设置于该基板上。该基板的主要构成物为一金属复合板材，并在金属复合板材的表面形成绝缘层，该绝缘层为一种金属化合物所形成的绝缘物质或高分子材料的膜层。经由表面活化及电镀的工艺，在绝缘层上方设置电路层，让电路层作为电子表面粘着及电气连接的用途。由于金属氧化物及金属复合板材皆为热传导性好的材料，所以能将设置基板上的电子元器件产生的热能量有效传递至整个基板，使热能量利用更广大的表面积扩散至空气中。
由于铝金属复合材料所形成的金属复合板材具有金属的高热传导系数，以及其补强的填充物的高硬度、低膨胀系数和轻量化的特性，将其应用于结构不仅可以达到良好的散热性质，也提升结构的硬度且不易产生热变形，进而减轻整体结构重量，实具有突破性的改进。
附图说明
图1为本发明的芯片模块的单层基板的结构示意图；
图2为本发明的芯片模块的另一单层基板的结构示意图；
图3为本发明的芯片模块的通孔式双层基板的结构示意图；
图4为本发明的芯片模块的另一双层基板的结构示意图；
图5为本发明的第一实施例制造流程图；
图6为本发明的第二实施例制造流程图；及
图7为本发明的第三实施例制造流程图。
标记说明
10 芯片    20 基板    21 电路层  22 绝缘层  23 金属复合板材
30 基板    31 电路层   32 绝缘层 33 金属复合板材  34 绝缘层
40 基板    411 电路层   412 电路层
42 绝缘层  43 金属复合板材
50 基板    511 电路层   512 电路层
52 绝缘层  53 金属复合板材
步骤61  选择一热传导性好的金属复合板材
步骤62  在金属复合板材表面上形成均匀的绝缘层
步骤63  完成绝缘层表面活化
步骤64  于绝缘层表面进行铜析镀形成种子层
步骤65  利用种子层进行电镀铜
步骤66  蚀刻铜镀层以形成一电路的图型
步骤71  选择一热传导性好的金属复合板材，并在金属复合板材上钻孔
步骤72  在金属复合板材表面上形成均匀的绝缘层
步骤73  完成绝缘层表面活化
步骤74  上抗电镀阻剂在绝缘层的表面
步骤75  于绝缘层表面进行铜析镀以形成一电路图型
步骤76  于电路图型表面电镀铜，以形成均匀的电路层
步骤81  选择一热传导性好的金属复合板材
步骤82  在金属复合板材表面上形成均匀的绝缘层
步骤83  于绝缘层形成一增粘层
步骤84  于增粘层表面析镀铜以形成铜镀层
步骤85  再进一步蚀刻铜镀层以形成一电路的图型
具体实施方式
图1为本发明的芯片模块的单层基板的结构示意图。在一金属复合板材23的上方覆盖一层绝缘层22，绝缘层为金属复合板材的金属化合物即氧化膜层或氮化膜层，也可是一种绝缘的陶瓷材料或高分子材料沉积在金属复合板材23的表面。利用绝缘膜22可取代公知的复合基材，即作为电路层21与金属复合板材23之间的电绝缘体。例如，取一铝基复合材料做为金属复合板材23的材料，并在铝基复合材料表面形成一氧化铝或氮化铝的绝缘膜层。由表一可得知铝的热传导系数是237W/M.K、氧化铝是46W/M.K及氮化铝是140至230W/M.K，而一般来说铝基复合材料随其填充物的改变具有不同的热传导系数，然大致与铝相近，甚至大于铝。上述材料相比于FR-4是0.2W/M.K而言，具有较优越的热传导性，同时也证明公知的FR-4电路板几乎是热的绝缘体。另一方面，无论是氧化铝或氮化铝也呈很好的电绝缘体，可以防止电路层21的电子穿透至金属复合板材23而造成短路。
                            表一：
    材料     热传导系数(W/M.K)     电阻值(Ω.cm)
    铝     237     2.8×10-6
    氧化铝     46     ＞1014
    氮化铝     140～23     ＞1014
    FR-4     0.2     ＞1014
为避免金属复合板材33外露而易造成接触系统中其它电路而形成短路，所以需要于金属复合板材33的底面另形成一绝缘层34，如图2所示，本发明的芯片模块的另一单层基板的结构示意图。同样地，基板30有一绝缘层32及电路层31是依序叠放在金属复合板材33的上表面。
除了考虑表面粘着型元器件适用的基板，本发明也提供插孔式元器件使用的基板，如图3所示，为本发明的芯片模块的通孔式双层基板的结构示意图。在通孔45的内壁有垂直导线43使上下两电路层411及412电性连通。在基板40的内部仍有一包括数个孔洞的金属复合板材43，而在金属复合板材53的孔洞及上下表面皆形成保护的绝缘层42。
如图4所示为本发明的芯片模块的另一双层基板的结构示意图。为另一种表面粘着型元器件(SMD)适用的基板50，也是在金属复合板材53上钻孔，并在该通孔四周及上下板材的表面形成保护的绝缘层52。在通孔的中间有垂直导线513将上下两电路层511及512的电性连通，此一形式的基板50可于其上下两面均设置有电路图案或焊接表面粘着元器件。
其中，热传导路径是由芯片内部产生的热能量从电路层传导至基板，一小部分的热能量则由芯片的上表面散射出，另一大部分则由上绝缘层传导至下绝缘层而扩散至空气中，而中间的金属复合板材则将上绝缘层的热能量迅速传导至下绝缘层。使热能量能迅速地传递至整个基板的上下表面，将散热面积扩充到最大。
上述的基板的制造方法可利用改进现有的印刷电路板的制造方法，及结合半导体制造的优点加以完成。图5是本发明的第一实施例制造流程图。先选择一热传导性好的金属复合板材(步骤61)；在金属复合板材表面上形成均匀的绝缘层(步骤62)；形成绝缘层的方法很多，包括有热氧化法、气相沉积或阳极处理等等。因绝缘层的表面不容易附着其它物质，所以要先完成绝缘层表面活化(步骤63)；于绝缘层表面进行铜析镀形成种子层(步骤64)；再利用种子层进行电镀铜(步骤65)，如此在绝缘层的表面会均匀覆盖一铜镀层，再进一步蚀刻铜镀层以形成一电路的图型(步骤66)，将电路以外的部分腐蚀掉。其中关于绝缘层表面进行铜析镀形成种子层(步骤64)的步骤中，其进行铜析镀的方法可使用化学铜析镀法、物理铜析镀法或可应用塑料电路板所常用的热压合法，将铜箔以粘着剂并利用高热及加压的工艺条件与绝缘层完全粘合在一起；而利用种子层进行电镀铜(步骤65)的步骤中，除了使用化学铜析镀法和电镀法形成铜镀层外，也可使用物理铜析镀方法来形成均匀的铜镀层。
此外，金属复合板材是采用高散热性质的铝基复合材料，特别是铝基复合材料相比于其它的金属或合金，具有重量轻、耐磨耗、高比刚性(specificalstiffness)及比强度的特性。再配合其独特的高热传导系数和低热膨胀系数等性质，利用其优越的高热传导系数不仅能将电子元器件所产生的热有效的传递出去，还可以其低热膨胀系数避免因工作温度升高所产生的热应力变形。铝基复合材料包括有碳化硅颗粒强化铝基复合材料、碳纤维强化铝基复合材料及钻石颗粒强化铝基复合材料等种类。
也可选用其它的方法来形成电路层，图6是本发明的第二实施例制造流程图。先选择一热传导性好的金属复合板材，并在金属复合板材上钻孔(步骤71)；在金属复合板材表面上形成均匀的绝缘层(步骤72)；形成绝缘层的方法很多，包括有热氧化法、气相沉积或阳极处理等等。因绝缘层的表面不容易附着其它物质，所以要先完成绝缘层表面活化(步骤73)；上抗电镀阻剂在绝缘层的表面(步骤74)，于不需要电路的部分覆盖抗电镀的材料；再于绝缘层表面进行铜析镀以形成一电路图型(步骤75)，在绝缘层的表面没有抗电镀阻剂之处才会产生化学铜析镀反应；于电路图型表面电镀铜，以形成均匀的电路层(步骤76)。其中关于绝缘层表面进行铜析镀以形成一电路图型(步骤75)的步骤中，其进行铜析镀的方法可使用化学铜析镀法、物理铜析镀法或热压合法来加以达成；而于电路图型表面电镀铜，以形成均匀的电路层(步骤76)的步骤中，除以电镀法来进行外，也可使用化学铜析镀法或物理铜析镀法加以达成。
再者，绝缘层可以利用热氧化法、气相沉积法、化学覆盖法、喷涂法、涂布法、浸泡法及阳极处理法其中之一所形成。气相沉积法又可采用物理气相沉积法或化学气相沉积法。由于铜电路层对于绝缘层的附着性差，因此可加入一层增粘层提升电路层与绝缘层之间的附着力。
请参考图7，为本发明的第三实施例制造流程图。先选择一热传导性好的金属复合板材(步骤81)；在金属复合板材表面上形成均匀的绝缘层(步骤82)；形成绝缘层的方法很多，包括有热氧化法、气相沉积或阳极处理等等。因绝缘层的表面不容易附着其它物质，所以先于绝缘层形成一增粘层(步骤83)；于增粘层表面析镀铜以形成铜镀层(步骤84)，使其均匀覆盖于绝缘层的表面；再进一步蚀刻铜镀层以形成一电路的图型(步骤85)，将电路以外的部分腐蚀掉。其中，于增粘层表面析镀铜以形成铜镀层(步骤84)的步骤，其进行析镀铜的方法可使用化学铜析镀法或物理铜析镀法。
增粘层可选用钛(Ti)、氮化钛(TiN)、氮化钨(WN)、氮化钛钨(TiWN)、镍(Ni)、锌(Zn)、氮化锌(ZnN)、铬(Cr)、氮化铬(CrN)、钽(Ta)及氮化钽(TaN)等，这些材料具有高温热稳定性及良好的导电性。或者也可使用含有铝(Al)、锡(Sn)、镍(Ni)等元素或其化合物的增粘层。
虽然本发明的较佳实施例公开如上所述，然其并非用以限定本发明，任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作一些修改和变形，因此本发明的专利保护范围以权利要求为准。

Claims (33)

1、一种高散热性的芯片模块，包括高散热性的一基板及设于该基板上的一个以上的芯片，其特征在于，该基板包括：
一金属复合板材，由一铝基复合材料所形成；
一绝缘层，是在该金属复合板材表面包覆一层绝缘物质；及
一电路层，是设于该绝缘层的表面。
2、如权利要求1所述的高散热性的芯片模块，其特征在于，该绝缘层与该电路层之间具有一增粘层，使该电路层利用该增粘层覆盖于绝缘层上。
3、如权利要求2所述的高散热性的芯片模块，其特征在于，该增粘层为钛、氮化钛、氮化钨、氮化钛钨、镍、锌、氮化锌、铬、氮化铬、钽及氮化钽的其中之一所形成。
4、如权利要求2所述的高散热性的芯片模块，其特征在于，该增粘层为含有铝、锡、镍及其化合物的其中之一。
5、如权利要求1、2、3或者4所述的高散热性的芯片模块，其特征在于，该电路层为利用电镀法、化学铜析镀法、物理铜析镀法及热压合法其中之一所形成。
6、如权利要求1、2、3或者4所述的高散热性的芯片模块，其特征在于，该铝基复合材料为碳化硅颗粒强化铝基复合材料、碳纤维强化铝基复合材料及钻石颗粒强化铝基复合材料其中之一。
7、如权利要求1、2、3或者4所述的高散热性的芯片模块，其特征在于，该绝缘层为该金属复合板材的化合物。
8、如权利要求1、2、3或者4所述的高散热性的芯片模块，其特征在于，该绝缘层为一氧化物。
9、如权利要求1、2、3或者4所述的高散热性的芯片模块，其特征在于，该绝缘层为一氮化物。
10、如权利要求1、2、3或者4所述的高散热性的芯片模块，其特征在于，该绝缘层为一陶瓷材料。
11、如权利要求1、2、3或者4所述的高散热性的芯片模块，其特征在于，该绝缘层为一高分子材料。
12、如权利要求1、2、3或者4所述的高散热性的芯片模块，其特征在于，该绝缘层为利用热氧化法、气相沉积法、化学覆盖法、喷涂法、涂布法、浸泡法及阳极处理法其中之一所形成。
13、如权利要求12所述的高散热性的芯片模块，其特征在于，该气相沉积法为物理气相沉积法。
14、如权利要求12所述的高散热性的芯片模块，其特征在于，该气相沉积法为化学气相沉积法。
15、如权利要求1、2、3或者4所述的高散热性的芯片模块，其特征在于，该芯片为电子元器件。
16、如权利要求15所述的高散热性的芯片模块，其特征在于，该电子元器件为表面粘着型元器件。
17、如权利要求1、2、3或者4所述的高散热性的芯片模块，其特征在于，该基板的金属复合板材还包括数个通孔，该通孔的内壁被该绝缘层覆盖，另有数个垂直导线设于该通孔的绝缘层表面。
18、如权利要求17所述的高散热性的芯片模块，其特征在于，该芯片为具有数个针脚，数个通孔可供该芯片的针脚插入，并利用该数个垂直导线而电气连接至该电路层。
19、一种高散热性的基板，其特征在于，包括：
一金属复合板材，由一铝基复合材料所形成；
一绝缘层，为在该金属复合板材表面包覆一层绝缘物质；及
一电路层，设于该绝缘层的表面。
20、如权利要求19所述的高散热性的芯片模块，其特征在于，该绝缘层与该电路层之间具有一增粘层，使该电路层利用该增粘层覆盖于绝缘层上。
21、如权利要求20所述的高散热性的芯片模块，其特征在于，该增粘层为钛、氮化钛、氮化钨、氮化钛钨、镍、锌、氮化锌、铬、氮化铬、钽及氮化钽其中之一所形成。
22、如权利要求20所述的高散热性的芯片模块，其特征在于，该增粘层为含有铝、锡、镍及其化合物其中之一。
23、如权利要求19、20、21或者22所述的高散热性的芯片模块，其特征在于，该电路层是利用电镀法、化学铜析镀法、物理铜析镀法及热压合法其中之一所形成。
24、如权利要求19、20、21或者22所述的高散热性的基板，其特征在于，该基板的绝缘层为一陶瓷材料。
25、如权利要求19、20、21或者22所述的高散热性的基板，其特征在于，该铝基复合材料为碳化硅颗粒强化铝基复合材料、碳纤维强化铝基复合材料及钻石颗粒强化铝基复合材料其中之一。
26、如权利要求19、20、21或者22所述的高散热性的基板，其特征在于，该绝缘层为该金属复合板材的化合物。
27、如权利要求19、20、21或者22所述的高散热性的基板，其特征在于，该绝缘层为一氧化物。
28、如权利要求19、20、21或者22所述的高散热性的基板，其特征在于，该绝缘层为一氮化物。
29、如权利要求19、20、21或者22所述的高散热性的基板，其特征在于，该绝缘层为一高分子材料。
30、如权利要求19、20、21或者22所述的高散热性的基板，其特征在于，该绝缘层是利用热氧化法、气相沉积法、化学覆盖法、喷涂法、涂布法、浸泡法及阳极处理法其中之一所形成。
31、如权利要求30所述的高散热性的芯片模块，其特征在于，该气相沉积法为物理气相沉积法。
32、如权利要求30所述的高散热性的芯片模块，其特征在于，该气相沉积法为化学气相沉积法。
33、如权利要求19、20、21或者22所述的高散热性的基板，其特征在于，该金属复合板材还包括数个通孔，该通孔的内壁被该绝缘层覆盖，另有数个垂直导线设于该通孔的绝缘层表面。
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