CN215872385U - 导热基板 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种导热基板，其包括：一石墨层；一金属底板；一金属层；一导热绝缘高分子层，位于该金属层与该金属底板之间；及一陶瓷材料层，包括一上陶瓷层或一下陶瓷层，或同时包括该上陶瓷层和该下陶瓷层；其中该上陶瓷层设置于该金属层与该导热绝缘高分子层之间，该下陶瓷层设置于该导热绝缘高分子层与该金属底板之间；其中该石墨层作为该导热基板的最下层且接触该金属底板，石墨层的厚度小于等于该金属底板厚度的三分之一。本实用新型可有效抑制高温下体积电阻率骤降，大大增加了元件基板在长期高温环境下的使用寿命；导热基板的最下层为一石墨层，其可进一步提升产品的散热性，更适于应用在厚铜应用中。

Description

导热基板

【技术领域】

本实用新型涉及一种导热基板，特别是具有抑制高温下体积电阻率骤降和具有极佳散热性可使用在厚铜应用中的导热基板。

【背景技术】

近年来车用电子发展成市场焦点，智慧化、联网化、电动化为汽车主要发展方向。汽车动力源以电能取代燃油驱动的方式也成为当前研究热点，其中，宽能隙材料SiC具备耐高温、高频、高电压的优势，可大幅减少晶片面积，并大大减轻周边电路的负担，以达到车体轻量化目的，加上低导通电阻及低切换损失的优势，使得元件运转时的功耗大幅降低，对于增加汽车续航力有相当程度的帮助，因此SiC取代Si基功率元件将有机会在电动车领域进行发。

一般电路板的制作方式是将诸如IC晶片的电子元件结合至散热基板，其中电子元件所产生并在其上累积的热可通过散热基板向外界导出。然而，当金属基印刷电路板(Metal Core PCB；MCPCB)通电后，电子元件会逐渐产生热，使得散热基板温度高达100～250℃，导热绝缘层两侧的金属箔之间也会形成电场。在一般状况下，高分子聚合物为电绝缘体；但若在外加电场影响下，高分子聚合物会因电场的极化效应而在其上产生电偶极，即所谓的电偏极化，因此高分子聚合物会因高分子链上的极性基开始做定向排列，此定向排列使高分子聚合物产生微小的导电能力。低温下的电偶极矩转向跟不上电场的变化，导电性能不大；然而，随着温度上升，高分子聚合物在高温下容易运动，电偶极矩可以跟着电场变化转向，因此高分子聚合物的导电性能上升或电绝缘性能下降。这些因素导致导热绝缘层在高温下的体积电阻率相较于室温下的体积电阻率会大幅下降，例如175℃高温的体积电阻率与25℃室温的体积电阻率之间比值至少小于10^-6。

因此，有必要提供一种新的导热基板来解决上述技术问题。

【实用新型内容】

本实用新型的目的在于提供一种导热基板，可有效抑制高温下体积电阻率骤降，大大增加了元件基板在长期高温环境下的使用寿命；导热基板的最下层为一石墨层，其可进一步提升产品的散热性，更适于应用在厚铜应用中。

本实用新型通过如下技术方案实现上述目的：一种导热基板，其包括石墨层、金属底板、金属层、导热绝缘高分子层和陶瓷材料层；导热绝缘高分子层位于该金属层与该金属底板之间；陶瓷材料层包括一上陶瓷层或一下陶瓷层，或同时包括该上陶瓷层和该下陶瓷层；其中该上陶瓷层设置于该金属层与该导热绝缘高分子层之间，该下陶瓷层设置于该导热绝缘高分子层与该金属底板之间；石墨层作为该导热基板的最下层且接触该金属底板，石墨层的厚度小于等于该金属底板厚度的三分之一。

一实施例中，该导热基板于175℃下的体积电阻率至少为10⁹Ω·cm，及该导热基板于175℃下的体积电阻率与在25℃下的体积电阻率之间比值定义成维持率，该维持率至少为10^-4。

一实施例中，该上陶瓷层与该金属层形成物理接触，该下陶瓷层与该金属底板形成物理接触。

一实施例中，该上陶瓷层和该下陶瓷层的厚度为3～100μm，及该上陶瓷层和该下陶瓷层相加的总厚度为5～200μm。

一实施例中，该上陶瓷层和该下陶瓷层为单一材料层，或者是由多个子层构成的多层复合材料层，及其中该单一材料层和该些子层为氧化铝层、氧化锆层、氧化镁层或氧化钛层。

一实施例中，该金属层和该金属底板的厚度为0.3～10mm。

一实施例中，该金属层的下表面和上表面的粗糙度Rz为2～80μm。

一实施例中，该金属层的表面粗糙度Rz除以该上陶瓷层或该下陶瓷层的厚度之值为0.2～0.8。

一实施例中，该导热基板于温度85℃、相对湿度85％R.H.下，进行1000小时的直流DC耐电压HHBT测试，其耐电压值至少为DC1000V。

一实施例中，该导热基板的热阻小于0.16℃/W。

与现有技术相比，本实用新型的导热基板的有益效果在于：在导热基板中设置上陶瓷层及/或下陶瓷层，因此可以解决高温下体积电阻率骤降的问题；另外，将金属层或金属底板表面予以粗糙化，可增加层与层之间的结合强度，从而提供可使用于厚铜应用的解决方案；设置陶瓷材料层同时使得导热基板具有良好散热效果；导热基板的最下层是石墨层，通过搭配石墨层的高导热特性，可进一步提升产品的散热性。

【附图说明】

图1显示本实用新型第一实施例的导热基板剖面示意图。

图2显示本实用新型第二实施例的导热基板剖面示意图。

图3显示本实用新型第三实施例的导热基板剖面示意图。

图4显示本实用新型第四实施例的导热基板剖面示意图。

附图标记说明：

11 金属底板

12 导热绝缘高分子层

13、131、132 陶瓷材料层

14 金属层

15 石墨层

16、17 微粗糙面

100、200、300 导热基板

【具体实施方式】

下面请参照说明书附图，对本实用新型进一步描述。

参见图1，图1显示本实用新型第一实施例的导热基板100。该导热基板100包括一石墨层14、一金属底板11、一导热绝缘高分子层12、一陶瓷材料层13及一金属层14。导热绝缘高分子层12设置于该金属底板11上，并位于该金属层14与该金属底板11之间。本实施例中，陶瓷材料层13作为导热基板中的一上陶瓷层，该陶瓷材料层(上陶瓷层)13设置于该金属层14和该导热绝缘高分子层12之间。一实施例中，该金属层14的材质可以为铜，该金属底板11的材质可以为铜、铝、或铜/铝合金。在本实施例中，该陶瓷材料层(上陶瓷层)13与该金属层14形成物理接触。较佳地，如图4所示，该陶瓷材料层(上陶瓷层)13与该金属层14的界面可以包括一微粗糙面16。同样地，该金属底板11与该导热绝缘高分子层12的界面也可以包括另一微粗糙面17。微粗糙面16、17可增加该金属层14、该陶瓷材料层(上陶瓷层)13、该导热绝缘高分子层12及该金属底板11之间的结合强度。一实施例中，该金属层14和该金属底板11的表面粗糙化可利用湿式蚀刻或机械研磨来实现。

最下层是石墨层15，且接触该金属底板11。由于天然石墨具有六方晶系和层状分布的晶体结构，决定了石墨具有特殊的导热特性。在石墨层面方向的导热系数是在层面垂直方向的几十倍。同等体积在导热效果优于铜的情况下，石墨导热片质量仅为铜的六分之一。

根据石墨特性，因为石墨于层面垂直方向的导热效果较差，石墨层15的厚度不能太厚，石墨层15的厚度小于等于金属底板11厚度的三分之一，优选地，石墨层15的厚度为金属底板11厚度的五分之一至四分之一，从而在导热基板横向或层面方向提高散热效率。

为求更高的耐电压而需提升导热绝缘层的厚度进而增加热阻使得影响散热，本实用新型通过搭配石墨层的高导热特性进一步提升产品的散热性。

粗糙化可以提升层与层之间结合强度，从而可以避免金属层与陶瓷材料层之间的热膨胀系数差异大所导致的剥离分层问题。进一步地，由于结合强度增加，层与层之间不易产生间隙，其中间隙会形成界面热阻，所以粗糙化亦能使导热基板具有较佳的导热路径及因而降低导热基板的热阻值。此外，粗糙化后的起伏倾斜表面将增加层与层之间界面的路径长度，如此一来可降低水气从侧面渗入导热基板的可能性，有助于提升导热基板于高温高湿环境下的耐电压。

金属层下表面的粗糙度及金属底板上表面的粗糙度应有适当数值范围，不宜过大或过小。太大的粗糙度会在金属层与金属底板两者的粗糙化表面之间产生尖端放电问题，造成耐电压不足，且不易加工；太小的粗糙度则无法达到上述技术效果。一实施例中，该金属层的下表面具有一粗糙度Rz，该金属底板的上表面具有该粗糙度Rz，该粗糙度Rz为2～80μm，例如5μm、10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm或70μm。可控制该粗糙度Rz除以该陶瓷材料层(上陶瓷层)的厚度之值为0.2～0.8，例如0.3、0.4、0.5、0.6或0.7，这可使得导热基板具有良好的层与层之间的结合强度，具有足够耐电压，并且粗糙化容易进行加工。

导热绝缘高分子层12包含高分子聚合物以及散布于该高分子聚合物中之导热填料。一实施例中，高分子聚合物可以包含热塑型树脂(thermoplastic resin)、热固型树脂(thermosetting resin)或其组合。导热填料可以选自一氧化物或一氮化物，其中该氧化物可以使用氧化铝、氧化镁、氧化锌或二氧化钛，该氮化物可以使用氮化锆、氮化硼、氮化铝或氮化硅。

陶瓷材料层(上陶瓷层)13为单一材料层，其材质可以是氧化铝、氧化锆、氧化镁或氧化钛或其他陶瓷材料。或者，陶瓷材料层(上陶瓷层)13可以是由多个子层构成的多层复合材料层，该些子层的材质亦可以是氧化铝、氧化锆、氧化镁或氧化钛或其他陶瓷材料。不同的陶瓷材料具有各自有不同的特殊性质，因此可依产品需求，将陶瓷材料层(上陶瓷层)13设计成单一材料层或由多个子层构成的多层复合材料层的结构，以符合特性需要。

根据本实用新型，导热基板100的导热绝缘层可视为包括导热绝缘高分子层12和陶瓷材料层(上陶瓷层)13两者。需知陶瓷材料可耐高温，陶瓷材料在高温下的体积电阻率相较于室温不会有显着变化。藉由本实用新型结构设计，尽管导热绝缘高分子层12在100～250℃高温下的体积电阻率相较于25℃室温下的体积电阻率大幅下降，但由于陶瓷材料在100～250℃高温下的体积电阻率相较于25℃室温下不会大幅下降，导热基板100的导热绝缘层的整体体积电阻率不会大幅下降，解决了传统结构设计中仅使用导热绝缘高分子层作为导热绝缘层时，其体积电阻率于高温时骤降的问题。另外，陶瓷材料层(上陶瓷层)13设置在金属层14与导热绝缘高分子层12之间，陶瓷材料层(上陶瓷层)13可以阻挡金属层14下表面的金属离子往下迁移，克服了金属离子迁移问题。此外，由于陶瓷材料的导热率非常高，例如氧化铝、氧化镁及氧化钛的导热率分别为32W/m·K、36W/m·K及22W/m·K，所以陶瓷材料层(上陶瓷层)13可进一步降低导热绝缘高分子层12的热阻值。一实施例中，该导热基板的热阻小于0.16℃/W。

参见图2，图2显示本实用新型第二实施例的导热基板200。该导热基板200与图1第一实施例的差异是，陶瓷材料层13设置在导热绝缘高分子层12与金属底板11之间。同样的，导热基板的最下层是石墨层15，石墨层15接触该金属底板11。通过搭配石墨层的高导热特性，可进一步提升产品的散热性。

本实施例中，陶瓷材料层13作为导热基板中的一下陶瓷层，该陶瓷材料层(下陶瓷层)13与该金属底板11形成物理接触。同样地，尽管导热绝缘高分子层12在100～250℃高温下的体积电阻率相较于25℃室温下的体积电阻率大幅下降，但由于陶瓷材料在100～250℃高温下的体积电阻率相较于25℃室温下不会大幅下降，导热基板的导热绝缘层的整体体积电阻率不会大幅下降，解决了传统结构设计中仅使用导热绝缘高分子层作为导热绝缘层时，其体积电阻率于高温时骤降的问题。另外，陶瓷材料层(下陶瓷层)13设置在导热绝缘高分子层12与金属底板11之间，陶瓷材料层(下陶瓷层)13可以阻挡金属层14下表面的金属离子往下迁移，克服了金属离子迁移问题。再者，如前所述，金属层14下表面和金属底板11上表面亦可以粗糙化，除了提升层与层之间结合强度的技术效果，亦能使导热基板具有较低的热阻值，并且可提升导热基板于高温高湿环境下的耐电压。

参见图3，图3显示本实用新型第三实施例的导热基板300。该导热基板300与图1第一实施例或图2第二实施例的差异是，陶瓷材料层13同时包括上陶瓷层131和下陶瓷层132，其中该上陶瓷层131与该金属层14形成物理接触，该下陶瓷层132与该金属底板11形成物理接触。同样的，导热基板的最下层是石墨层15，石墨层15接触该金属底板11。通过搭配石墨层的高导热特性，可进一步提升产品的散热性。

同样地，尽管导热绝缘高分子层12在100～250℃高温下的体积电阻率相较于25℃室温下的体积电阻率大幅下降，但由于陶瓷材料在100～250℃高温下的体积电阻率相较于25℃室温下不会大幅下降，导热基板的导热绝缘层的整体体积电阻率不会大幅下降，解决了传统结构设计中仅使用导热绝缘高分子层作为导热绝缘层时，其体积电阻率于高温时骤降的问题。另外，上陶瓷层131和下陶瓷层132分别设置在金属层14与导热绝缘高分子层12之间及在导热绝缘高分子层12与金属底板11之间，上陶瓷层131和下陶瓷层132可以阻挡金属层14下表面的金属离子往下迁移，克服了金属离子迁移问题。再者，如前所述，金属层14下表面和金属底板11上表面亦可以粗糙化，除了提升层与层之间结合强度的技术效果，亦能使导热基板具有较低的热阻值，并且可提升导热基板于高温高湿环境下之耐电压。

导热基板于175℃的体积电阻率与25℃的体积电阻率之间比值定义成维持率；其中维持率越大，则表示导热基板于高温下的体积电阻率相对于室温越不易骤降，即高温下的体积电阻率相较于室温不易衰退。藉由在导热基板中设置陶瓷材料层可使得于高温下的体积电阻率相对于室温不易骤降。一实施例中，导热基板于175℃高温下的体积电阻率为至少10⁹Ω·cm，例如至少10¹⁰Ω·cm、至少10¹¹Ω·cm、至少10¹²Ω·cm、至少10¹³Ω·cm、至少10¹⁴Ω·cm或至少10¹⁵Ω·cm，并且维持率为至少10^-4，例如至少10^-3、至少10^-2或至少10^-1。根据本实用新型，可以在导热基板中仅设置上陶瓷层或下陶瓷层，该上陶瓷层或下陶瓷层的厚度为3～100μm。或者，可以在导热基板的导热绝缘高分子层上方和下方分别设置上陶瓷层及下陶瓷层，该上陶瓷层及下陶瓷层相加的总厚度为5～200μm。

将金属层和金属底板的粗糙度控制在2～80μm，可增进金属层与上陶瓷层之间及金属底板与下陶瓷层之间的结合强度。特别是，尽管使用厚度高达1.0mm的金属层14和金属底板11，但只要适当地控制金属层和金属底板的粗糙度，就不会有剥离分层现象发生，显然本实用新型可适用于厚铜应用中，例如0.3～10mm的厚铜应用。金属层下表面的粗糙度及金属底板上表面的粗糙度应有适当数值范围，不宜过大或过小。太大的粗糙度会在金属层与金属底板两者的粗糙化表面之间产生尖端放电问题，造成耐电压不足，且不易加工；太小的粗糙度则无法达到上述技术效果。一实施例中，该金属层的下表面具有一粗糙度Rz，该金属底板的上表面具有该粗糙度Rz，该粗糙度Rz为2～80μm，例如5μm、10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm或70μm。较佳地，该粗糙度Rz除以该上陶瓷层或该下陶瓷层的厚度之值为0.2～0.8，例如0.3、0.4、0.5、0.6或0.7。以上参数可使得导热基板具有良好的层与层之间的结合强度，并且粗糙化不会产生尖端放电问题。

藉由在导热基板中设置陶瓷材料层可提升导热基板的耐电压。特别是，若仅设置一层陶瓷材料层，该上陶瓷层或下陶瓷层的厚度为3～100μm；若设置两层陶瓷材料层，该上陶瓷层及下陶瓷层相加的总厚度为5～200μm。导热基板于温度85℃和相对湿度85％R.H.进行1000小时的直流DC耐电压HHBT测试下，此数值范围内的厚度可提升耐电压值到至少DC1000V，或甚至到至少DC2000V以上。

本实用新型在0.3～10mm的厚铜应用中具有良好的散热效果，也就是在x-轴、y-轴和z-轴方向的热散逸具有显着效果，并且并无剥离分层现象发生。实际应用上，金属层的材质可以为铜，金属底板的材质可以为铜、铝、或铜/铝合金。根据本实用新型，厚铜应用是指金属层和金属底板的厚度为0.3～10mm，例如1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm或9mm。

综上，本实用新型的导热基板，其中经由设置陶瓷材料层使得于高温下的体积电阻率相对于室温不易骤降。另外，根据本实用新型，将金属层或金属底板表面予以粗糙化，可增加层与层之间的结合强度，并无剥离分层现象发生。本实用新型的导热基板亦具有良好散热效果。通过搭配石磨层，可进一步提升产品的散热性，使得导热基板更适于应用在厚铜应用中。

本实用新型的技术内容及技术特点已公开如上，然而本领域相关技术人员仍可能基于本实用新型的启示及公开而作种种不背离本实用新型精神的替换及修饰。因此，本实用新型的保护范围应不限于实施例所示，而应包括各种不背离本实用新型的替换及修饰，并为权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种导热基板，其特征在于：其包括：

一石墨层；

一金属底板；

一金属层；

一导热绝缘高分子层，位于该金属层与该金属底板之间；及

一陶瓷材料层，包括一上陶瓷层或一下陶瓷层，或同时包括该上陶瓷层和该下陶瓷层；其中该上陶瓷层设置于该金属层与该导热绝缘高分子层之间，该下陶瓷层设置于该导热绝缘高分子层与该金属底板之间；

其中该石墨层作为该导热基板的最下层且接触该金属底板，石墨层的厚度小于等于该金属底板厚度的三分之一。

2.根据权利要求1所述的导热基板，其特征在于：该导热基板在175℃下的体积电阻率至少为10⁹Ω·cm，及该导热基板在175℃下的体积电阻率与在25℃下的体积电阻率之间比值定义成维持率，该维持率至少为10^-4。

3.根据权利要求1所述的导热基板，其特征在于：该上陶瓷层与该金属层形成物理接触，该下陶瓷层与该金属底板形成物理接触。

4.根据权利要求1所述的导热基板，其特征在于：该上陶瓷层和该下陶瓷层的厚度为3～100μm，及该上陶瓷层和该下陶瓷层相加的总厚度为5～200μm。

5.根据权利要求1所述的导热基板，其特征在于：该上陶瓷层和该下陶瓷层为单一材料层，或者是由多个子层构成的多层复合材料层，及其中该单一材料层和该些子层为氧化铝层、氧化锆层、氧化镁层或氧化钛层。

6.根据权利要求1所述的导热基板，其特征在于：该金属层和该金属底板的厚度为0.3～10mm。

7.根据权利要求1所述的导热基板，其特征在于：该金属层的下表面和上表面的粗糙度Rz为2～80μm。

8.根据权利要求7所述的导热基板，其特征在于：该金属层表面的粗糙度Rz除以该上陶瓷层或该下陶瓷层的厚度之值为0.2～0.8。

9.根据权利要求1所述的导热基板，其特征在于：该导热基板的热阻小于0.16℃/W。

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