CN1670947A - 整合性散热基板及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种整合性散热基板及其制作方法，该整合性散热基板包含：一具有一表面的金属基板；一可供热传导并具有一表面的金属氧化物绝缘体，形成在该金属基板的表面上；及数导线，形成在该金属氧化物绝缘体的表面上。该整合性散热基板的制作方法，包含以下步骤：(A)提供一金属基板；(B)利用阳极微弧技术于该金属基板上形成金属氧化物绝缘层；(C)利用真空镀膜于该金属氧化物绝缘层上披覆金属膜，以界定出数金属导线，该真空镀膜可使用物理气相沉积技术。本发明可使形成在该金属基板上的金属氧化物绝缘层具有更高的致密性，以及更佳的附着效果和散热效果。

Description

整合性散热基板及其制作方法
【技术领域】
本发明涉及一种散热基板及其制作方法，特别是涉及一种整合性散热基板及其制作方法。
【背景技术】
长久以来，电子及光电元件的散热在本身功率输出不大的情况下，由塑料所制备的基板就能同时满足散热及电气绝缘的需求。由于资讯及通讯等科技产物于近几年来不断地趋向普及化，例如动态随机存取记忆(Dynamic Random Access Memory；DRAM)等相关电子产品市场需求量的增加，半导体及光电元件在制程上也随着产业的需求演进到超大型集成电路(Very Large Scale Integration；VLSI)的制作方式，由此，利用多重内连接线(Multilevel Interconnects)来制作元件电路(Circuit)所伴随而来的散热问题，将是开发散热基板业者所需克服的一大难题。
参见图1，一种现有的整合性散热基板1，包含：一铝基板11、一高分子环氧树脂(Epoxy)膜12及数铜导线13。
该高分子环氧树脂膜12是形成在该铝基板11的一上表面。
该等铜导线13是利用湿式的电镀法(Electrochemical plating)形成在该高分子环氧树脂膜12的一上表面。
值得注意的是，由于该高分子环氧树脂膜12与该等铜导线13之间的表面性质差异大，因此该等铜导线13不易附着于该高分子环氧树脂膜12的上表面。为增加两者之间的附着性，于电镀该等铜导线13前需另外进行一系列的前处理步骤，例如：粗化(Roughening)，及在该高分子环氧树脂膜12表面利用氧化还原作用依序进行敏化(Sensitizing)及活化(Activation)等步骤。
上述现有的整合性散热基板1具有以下缺点：
(一)该高分子环氧树脂膜12的热传导率(thermal conductivity)极低，只有0.2W/m/K，这使得该整合性散热基板1无法符合集成电路产业的散热需求，并导致元件的使用寿命下降。
(二)为增加该等铜导线13在该高分子环氧树脂膜12上的附着性，于电镀该等铜导线13前仍需进行制造程序繁琐复杂的前处理步骤。
(三)延续缺点(二)，该高分子环氧树脂膜12表面粗化的结果，无法制得低线宽的线路。
(四)湿式电镀法将对环境带来水污染的问题。
此种现有的整合性散热基板1具有热传导率不足、制造程序繁琐复杂、影响元件使用寿命、无法制作低线宽的线路及造成水污染等缺点，因此，如何制作出散热性佳的整合性散热基板并改善前面所述等缺点，是目前开发散热基板的相关业者所需克服的一大难题。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种整合性散热基板，可提供较现有环氧树脂更佳的散热效果，且可使形成在该金属基板上的金属氧化物绝缘层具有更高的致密性，以及良好的附着效果。
本发明的另一目的在于提供一种制作整合性散热基板的方法。
为了达到上述目的，本发明提供一种整合性散热基板，其特征在于：其包含：
一具有一表面的金属基板；
一可热传导并具有一表面的金属氧化物绝缘体，形成在该金属基板的表面上；及
数导线，形成在该金属氧化物绝缘体的表面上。
所述的整合性散热基板，其特征在于：该金属氧化物绝缘体为该金属基板的氧化物。
所述的整合性散热基板，其特征在于：该金属基板是由选自于下组中的一种金属材料所制成：铝、钛、镁、它们的组合物。
所述的整合性散热基板，其特征在于：该导线是由选自于下组中的一种导电金属材料所制成：铜、银、锌、钛及钨。
本发明还提供一种制作整合性散热基板的方法，其特征在于：其包含以下步骤：
(A)提供一金属基板；
(B)利用一阳极微弧技术于该金属基板上形成一可供热传导的金属氧化物绝缘层；及
(C)利用一真空镀膜于该金属氧化物绝缘层上披覆一具有一预定图案的金属膜，以界定出数金属导线，该真空镀膜是使用一选自于下列所构成的群组中的物理气相沉积技术：阴极电弧放电离子镀、溅镀、电子束蒸镀及热蒸镀。
所述的制作整合性散热基板的方法，其特征在于：在该步骤(C)所形成的该金属导线，是由一放置在该金属氧化物绝缘层上的具有该预定图案的遮罩，利用该真空镀膜披覆该金属膜所制备而得。
所述的制作整合性散热基板的方法，其特征在于：在该步骤(C)所形成的该金属导线，是由下列步骤所形成：
(a)利用一微影蚀刻于该金属氧化物绝缘层上形成一具有该预定图案的光阻层；
(b)利用该真空镀膜于具有该光阻层的金属氧化物绝缘层上形成该金属膜；及
(c)移除该光阻层以形成该金属导线。
所述的制作整合性散热基板的方法，其特征在于：该金属基板是由选自于下组中的一种金属材料所制成：铝、钛、镁，及它们的组合。
所述的制作整合性散热基板的方法，其特征在于：该金属基板是一由铝金属材料所制成的铝基板，该金属氧化物绝缘层是将该铝基板放置在一具有一电解质组成物的电解浴中，于一预定温度下进行该阳极微弧技术达一预定时间所制备而得的一氧化铝绝缘层，该电解质组成物是由一氨水溶液所构成，该氨水溶液具有一含有盐类的组份以及一辅助添加剂，其中该含有盐类的组份包含一选自于下列所构成的群组中的水溶性盐类：磷酸盐、铬酸盐、硅酸盐、碳酸盐，及此等的组合；该辅助添加剂是一可解离出醋酸根离子的化合物。
所述的制作整合性散热基板的方法，其特征在于：该物理气相沉积技术是使用阴极电弧放电离子镀，将该具有金属氧化物绝缘层的金属基板放置在一具有一气体源的反应腔体内的一基座上，在一预定工作压力下利用一电源供应器于一阴极金属靶材上提供一预定电压以形成一预定电流，进而在该阴极金属靶材的一表面上产生一电弧放电以形成一群金属原子及离子，使该等金属原子及离子形成在该金属氧化物绝缘层上达一预定施镀时间以形成该金属导线。
本发明的功效在于该金属氧化物绝缘体可提供较现有环氧树脂佳的散热效果，且借由本发明的方法中的阳极微弧技术，可使形成在该金属基板上的金属氧化物绝缘层具有更高的致密性。
【附图说明】
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明：
图1是一侧视剖面示意图，说明一种现有的整合性散热基板。
图2是一侧视剖面示意图，说明本发明的整合性散热基板。
图3是一制作流程图，说明本发明制作整合性散热基板的方法。
图4是一同一颗发光二极管利用不同的散热基板所得的时间温度曲线比较图。
【具体实施方式】
参阅图2，本发明整合性散热基板包含：一具有一表面21的金属基板2、一可供热传导并具有一表面31的金属氧化物绝缘体3，及数导线4。
适用于本发明的该金属基板2是由选自于下组中的一种金属材料所制成：铝(Al)、钛(Ti)、镁(Mg)，及它们的组合。其中，使用于本发明的该金属基板2是一由铝金属材料所制成的铝基板。
该金属氧化物绝缘体3是形成在该金属基板2的表面21上。较佳地，该金属氧化物绝缘体3是该金属基板2的氧化物。其中，在本发明的整合性散热基板的该金属氧化物绝缘体3，是一由该铝基板所形成的氧化铝绝缘层。
该等导线4是形成在该金属氧化物绝缘体3的表面上31。适用于本发明的该等导线4是由选自于下组中的一种导电金属材料所制成：铜(Cu)、银(Ag)、锌(Zn)、钛及钨(W)。其中，使用于本发明的该等导线4是由铜的金属材料所制成。
另外，上述所提及整合性散热基板可以由本发明的制作整合性散热基板的方法制备而得。参阅图3，该方法包含以下步骤：
(A)提供一金属基板；
(B)利用一阳极微弧技术于该金属基板上形成一可供热传导的金属氧化物绝缘层；及
(C)利用一真空镀膜于该金属氧化物绝缘层上披覆一具有一预定图案的金属膜，以界定出数金属导线。
其中，该真空镀膜是使用一选自于下列所构成的群组中的物理气相沉积(physical vapor deposition)技术：阴极电弧放电离子镀(cathodic arc plasma ion plating)、溅镀(sputtering)、电子束蒸镀(e-beam evaporation)及热蒸镀(thermal evaporation)。
在一较佳实施例中，该步骤(C)所形成的该等金属导线，是借由一放置在该金属氧化物绝缘层上的具有该预定图案的遮罩(mask)，利用该真空镀膜披覆该金属膜所制备而得。又在另一较佳实施例中，该步骤(C)所形成的该等金属导线，是借由下列步骤所形成：
(a)利用一微影蚀刻(photolithography)于该金属氧化物绝缘层上形成一具有该预定图案的光阻层(photoresist)；
(b)利用该真空镀膜于具有该光阻层的金属氧化物绝缘层上形成该金属膜；及
(c)移除该光阻层以形成该等金属导线。
较佳地，该金属基板是由一选自于下列群组中的金属材料所制成：铝、钛、镁，及此等的组合。在一较佳具体例中，该金属基板是一由铝金属材料所制成的铝基板。
该金属氧化物绝缘层是将该铝基板放置在一具有一电解质(electrolyte)组成物的电解浴中，于一预定温度下进行该阳极微弧技术达一预定时间所制备而得的一富含氧化铝绝缘层。该电解质组成物是由一氨水溶液(ammoniacal solution)所构成。该氨水溶液具有一含有盐类的组份以及一辅助添加剂。
其中，适用于本发明的该含有盐类的组份，包含一选自于下列所构成的群组中的水溶性盐类：磷酸盐(phosphate)、铬酸盐(chromate)、硅酸盐(silicate)、碳酸盐(carbonate)，及此等的组合。较佳地，该含有盐类的组份包含磷酸盐及铬酸盐。更佳地，该含有盐类的组份是包含磷酸钾(potassium dihydrogenphosphate)及铬酸钾(potassium chromate)。
该辅助添加剂是一可解离出醋酸根离子(acetate ions)的化合物。较佳地，该辅助添加剂是一可解离出醋酸根离子的盐类。更佳地，该辅助添加剂是醋酸铜(copper acetate)。在一较佳实施例中，该氨水溶液具有一介于2vol.％到6vol.％浓度，该磷酸钾在该组成物中的浓度是介于0.3M到0.6M，该铬酸钾在该组成物中的浓度是介于0.08M到0.3M，该醋酸根离子在该组成物中的浓度是介于0.08M到0.5M。
适用于本发明的该预定温度，是介于0℃到150℃。较佳地，该预定温度是介于0℃到40℃。
适用于本发明的该预定时间是介于20分钟到150分钟。较佳地，该预定时间是介于20分钟到100分钟。
在一较佳具体例中，该物理气相沉积技术是使用阴极电弧放电离子镀，将该具有金属氧化物绝缘层的金属基板放置在一具有一气体源的反应腔体内的一基座上，在一预定工作压力下利用一电源供应器于一阴极金属靶材上提供一预定电压以形成一预定电流，进而在该阴极金属靶材产生一电弧放电以形成一群金属原子及金属离子，使该等金属原子及离子形成在该金属氧化物绝缘层上达一预定施镀时间以形成该等金属导线。
适用于本发明的该金属靶材是由一选自于下列所构成的群组中的金属材料所制成：铜、银、锌、钛及钨。在一较佳实施例中，该金属靶材是由铜的金属材料所制成。
适用于本发明的该气体源是一选自于下列群组中的背景气体：氩气(Ar2)、氮气(N2)、氢气(H2)及此等的组合。在一较佳具体例中，该背景气体是氩气。
较佳地，该预定工作压力是介于0.1Pa到100Pa，该预定电压是介于20V到30V，该预定电流是介于10A到150A，该预定施镀时间是介于10分钟到300分钟。
<实施例一>
将一铝基板放置在一由浓度为4.5vol.％的氨水溶液所构成的电解质组成物的电解浴中，于0℃到40℃的温度下，以0.045A/cm2的电流密度进行该阳极微弧技术达30分钟，以便于在该铝基板上制备形成一厚度约为15μm的氧化铝绝缘层。在该实施例一中，该磷酸钾在该组成物中的浓度是0.5M、该铬酸钾在该组成物中的浓度是0.1M，该醋酸铜在该组成物中的浓度是0.35M。有关于阳极微弧技术的相关说明可见于RU2,181,392、CN1,311,354及DE4,104,847等专利。以上所提到的前案专利，在此并入本案作为参考资料。
利用一阴极电弧放电离子镀在该氧化铝绝缘层上形成数导线。首先，将该成长有该氧化铝绝缘层的铝基板放置在一反应腔体内的一基座上，并在该氧化铝绝缘层上放置一具有一预定图案的遮罩(以雷射雕刻而成的遮板)，利用氩气为气体源在4Pa的工作压力下利用一电源供应器于一阴极的铜金属靶材上提供一25V的电压以形成一90A的电流，进而在该铜金属靶材表面产生一电弧放电以形成一群铜原子及铜离子，同时于该放置基板的基座上施一脉冲模式(-50V(40％)+78V(60％))的偏压，使该等铜原子及铜离子形成在该遮罩及该氧化铝绝缘层上达100分钟的施镀时间以形成一铜金属膜，最后将该遮罩移除以形成具有该预定图案的铜导线。
此处所使用的阳极微弧技术，不同于传统阳极处理是由于在该铝基板表面形成散杂的微小弧点(Micro-arc)较多，具有较高的电弧能量，于该电解浴中的铝离子在释出后经由电弧氧化的速度较快，所形成氧化铝绝缘层的厚度较厚也具有较高的纯度，且其致密性佳孔洞率低。因此，在后续制作铜导线的过程中，可避免铜金属填补于氧化铝绝缘层的空隙中而产生短路的问题。
另外，此处的阴极电弧放电离子镀，由于在该阴极靶材上所施加的低电压所形成的高电流，可使该阴极靶材表面形成电弧放电，进而提高该铜金属的离化(ionization)率，从而自该铜金属靶材表面释放大量动能的铜离子。因此，此阴极电弧放电离子镀技术具有极高的镀膜成长速率，亦可使得最后形成在该氧化铝绝缘层上的铜导线具有附着性高及致密性佳等特点。
由上所述，参阅图4，将本发明的方法所制备而得的整合性散热基板应用在发光二极管上，与现有的散热基板1相比较下，该实施例一所制备而得的整合性散热基板具有较佳的散热效果。值得一提的是，该氧化铝绝缘层具有35W/m/K的热传导率，可有效地将该发光二极管所产生的热能经该发光二极管由该整合性散热基板带走。此处的测试条件，是在0.75A的驱动电流下维持3小时所量测到的升温曲线。
<实施例二>
该实施例二大致上是与该实施例一相同，其不同处在于该等铜导线的制备过程。在该实施例二中，该等铜导线是先利用一微影蚀刻技术于该氧化铝绝缘层上形成一具有该预定图案的光阻层，继而利用相同于该实施例一中的制程条件于具有该光阻层的氧化铝绝缘层上形成一铜金属膜，最后移除该光阻层以形成该等铜导线。
因此，由本发明的方法所制备而得的整合性散热基板，可整理出下列几项特点：
一、该金属氧化物绝缘体3(氧化铝绝缘层)的厚度足以提供有效的电气绝缘。
二、该金属氧化物绝缘体3(氧化铝绝缘层)纯度高且致密性佳，在制作导线过程中可有效降低短路等问题。
三、该金属氧化物绝缘体3(氧化铝绝缘层)具有35W/m/K的热传导率，可有效地将设置在本发明的散热基板上的元件所产生的热能带走。
四、由于该等导线4(铜导线)的附着性高，具有品质佳的热机械性质。因此，仍可抵抗在使用过程中因元件升温而产生的热应力。
五、由于该等导线4(铜导线)的致密性佳，具有较低的电阻系数(Electrical Resistivity)，因此，可有效地降低焦耳热的产生。
六、根据上述的特点三、四及五，可使得设置在本发明的整合性散热基板的元件具有较长的使用寿命。
七、该阴极电弧放电离子镀可避免掉现有的电镀铜所造成的水污染问题。
八、透过该阴极电弧放电离子镀，可借由微影蚀刻技术制作出线宽较低的铜导线。
九、上述所提到的阳极微弧技术及阴极电弧放电离子镀具有极高的成膜速率，因此可降低制作过程中所需的时间成本。
归纳上述，本发明的整合性散热基板及其制作方法具有散热效果佳、焦耳热问题小、制程所需时间成本低、导线线宽可精密化及使用寿命长等特点，所以确实能达到本发明的目的。

Claims (10)

1、一种整合性散热基板，其特征在于：其包含：
一具有一表面的金属基板；
一可热传导并具有一表面的金属氧化物绝缘体，形成在该金属基板的表面上；及
数导线，形成在该金属氧化物绝缘体的表面上。
2、如权利要求1所述的整合性散热基板，其特征在于：该金属氧化物绝缘体为该金属基板的氧化物。
3、如权利要求2所述的整合性散热基板，其特征在于：该金属基板是由选自于下组中的一种金属材料所制成：铝、钛、镁、它们的组合物。
4、如权利要求1所述的整合性散热基板，其特征在于：该导线是由选自于下组中的一种导电金属材料所制成：铜、银、锌、钛及钨。
5、一种制作整合性散热基板的方法，其特征在于：其包含以下步骤：
(A)提供一金属基板；
(B)利用一阳极微弧技术于该金属基板上形成一可供热传导的金属氧化物绝缘层；及
(C)利用一真空镀膜于该金属氧化物绝缘层上披覆一具有一预定图案的金属膜，以界定出数金属导线，该真空镀膜是使用一选自于下列所构成的群组中的物理气相沉积技术：阴极电弧放电离子镀、溅镀、电子束蒸镀及热蒸镀。
6、如权利要求5所述的制作整合性散热基板的方法，其特征在于：在该步骤(C)所形成的该金属导线，是由一放置在该金属氧化物绝缘层上的具有该预定图案的遮罩，利用该真空镀膜披覆该金属膜所制备而得。
7、如权利要求5所述的制作整合性散热基板的方法，其特征在于：在该步骤(C)所形成的该金属导线，是由下列步骤所形成：
(a)利用一微影蚀刻于该金属氧化物绝缘层上形成一具有该预定图案的光阻层；
(b)利用该真空镀膜于具有该光阻层的金属氧化物绝缘层上形成该金属膜；及
(c)移除该光阻层以形成该金属导线。
8、如权利要求5所述的制作整合性散热基板的方法，其特征在于：该金属基板是由选自于下组中的一种金属材料所制成：铝、钛、镁，及它们的组合。
9、如权利要求8所述的制作整合性散热基板的方法，其特征在于：该金属基板是一由铝金属材料所制成的铝基板，该金属氧化物绝缘层是将该铝基板放置在一具有一电解质组成物的电解浴中，于一预定温度下进行该阳极微弧技术达一预定时间所制备而得的一氧化铝绝缘层，该电解质组成物是由一氨水溶液所构成，该氨水溶液具有一含有盐类的组份以及一辅助添加剂，其中该含有盐类的组份包含一选自于下列所构成的群组中的水溶性盐类：磷酸盐、铬酸盐、硅酸盐、碳酸盐，及此等的组合；该辅助添加剂是一可解离出醋酸根离子的化合物。
10、如权利要求5所述的制作整合性散热基板的方法，其特征在于：该物理气相沉积技术是使用阴极电弧放电离子镀，将该具有金属氧化物绝缘层的金属基板放置在一具有一气体源的反应腔体内的一基座上，在一预定工作压力下利用一电源供应器于一阴极金属靶材上提供一预定电压以形成一预定电流，进而在该阴极金属靶材的一表面上产生一电弧放电以形成一群金属原子及离子，使该等金属原子及离子形成在该金属氧化物绝缘层上达一预定施镀时间以形成该金属导线。
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