TW201541569A - 電子封裝結構及其陶瓷基板 - Google Patents

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Abstract

一種陶瓷基板，係包括：一具有相對之第一表面與第二表面的板體、設於該第一表面上之複數第一電性接觸墊與一第一導熱墊、設於該第二表面上之複數第二電性接觸墊與一第二導熱墊、設於該板體中並連通該第一與第二表面以電性連接各該第一與第二電性接觸墊之複數導電柱、以及一設於該板體中並連通該第一與第二表面以接觸結合該第一與第二導熱墊之導熱柱，又該導熱柱之寬度大於或等於該導電柱之寬度，而該導熱柱之寬度係大於或等於300微米。

Description

電子封裝結構及其陶瓷基板
本發明係有關一種陶瓷基板，尤指一種具散熱功能之陶瓷基板。
隨著電子產業的蓬勃發展，電子產品在型態上趨於輕薄短小，在功能上則逐漸邁入高性能、高功能、高速度化的研發方向，且為滿足電子產品之耐用需求，一般業界會朝散熱之效能作研發設計。其中，發光二極體(LED)因具有壽命長、體積小、高耐震性及耗電量低等優點，故廣泛地應用於照光需求之電子產品中。
目前習知LED封裝件中，係將LED晶片設於一陶瓷基板上，再進行封裝。如第1A圖所示，習知陶瓷基板1係包括：一具有相對之第一表面10a與第二表面10b的板體10、設於該第一表面10a上之複數第一電性接觸墊11、設於該第二表面10b上複數第二電性接觸墊12、設於該板體10中並連通該第一與第二表面10a,10b以電性連接各該第一與第二電性接觸墊11,12之複數導電柱13、以及設於該第二表面10b上之金屬散熱片14。當該LED晶片運作時會產生熱量，且該熱量會經由該板體10傳導至該第二表面10b與散熱片14。
惟，習知陶瓷基板1中，該板體10之陶瓷材料之導熱率為17~170w/m．k，係遠小於金屬散熱片14之導熱率，故該LED晶片之熱量由該板體10之第一表面10a傳導至第二表面10b的時間冗長，致使散熱效能不佳，因而該LED晶片容易因過熱而損壞。
再者，亦有將習知陶瓷基板1之部分第一電性接觸墊11之佈設面積增大，以增加金屬導熱路徑，如第1B圖所示之具有第一電性接觸墊11’之陶瓷基板1’，但由於傳統導電柱13的孔徑很小，其直徑r約為100至200um，且該導電柱13主要用於該第一電性接觸墊11,11’與第二電性接觸墊12的電性連接，故該導電柱13於熱能傳導的功效並不大，致使該LED晶片之大部分熱量仍須經由該板體10傳導，導致散熱效能仍然不佳。有關該導電柱13之熱能傳導的具體情況，該板體10之佈設面積S係為3.5mm×3.5mm，且該導電柱13之端面之直徑r為120um(0.12mm)，則單一導電柱13之端面約佔該板體10之佈設面積S為0.09%，故該導電柱13可滿足電流流通需求，但熱能之傳導量極少，而可忽略。
又，依後續搭配如LED晶片之表面黏著裝置(Surface Mounted Device,SMD)之電極設計的不同，亦有將習知陶瓷基板1’之部分第二電性接觸墊12與金屬散熱片14相結合，以形成如第1C圖所示之具有大型散熱片14’之陶瓷基板1”。然而，由於該導電柱13,13’之孔徑很小，故該LED晶片之大部分熱量仍須經由該板體10傳導，致使散熱效能 仍然不佳。
因此，如何避免上述習知技術之散熱問題，實為當前所要解決的目標。
為克服習知技術之問題，本發明提供一種陶瓷基板，係包括：板體，係具有相對之第一表面與第二表面；複數第一電性接觸墊，係設於該第一表面上；複數第二電性接觸墊，係設於該第二表面上；複數導電柱，係設於該板體中並連通該第一與第二表面，以電性連接各該第一與第二電性接觸墊；一第一導熱墊，係設於該第一表面上；一第二導熱墊，係設於該第二表面上；以及一導熱柱，係設於該板體中並連通該第一與第二表面，以接觸結合該第一與第二導熱墊，又該導熱柱之寬度大於或等於該導電柱之寬度，而該導熱柱之寬度係大於或等於300微米。
本發明復提供一種電子封裝結構，係包括：板體，係具有相對之第一表面與第二表面；複數第一電性接觸墊，係設於該第一表面上；複數第二電性接觸墊，係設於該第二表面上；複數導電柱，係設於該板體中並連通該第一與第二表面，以電性連接各該第一與第二電性接觸墊；至少一第一導熱墊，係設於該第一表面上；至少一第二導熱墊，係設於該第二表面上；至少一導熱柱，係設於該板體中並連通該第一與第二表面，以接觸結合該第一與第二導熱墊，又該導熱柱之寬度大於或等於該導電柱之寬度，而該導熱柱之寬度係大於或等於300微米；以及至少一電子元 件，係設於該板體之第一表面上，單一該電子元件並對應結合至單一該第一導熱墊上，且該電子元件具有相對之第一側與第二側，該第一側上具有第一電極，以令該第一電極電性連接該第一電性接觸墊。
前述之電子封裝結構中，該電子元件之第一側係結合至該第一導熱墊上，例如，該第一電極結合至該第一導熱墊上；或者，該電子元件之第二側係結合至該第一導熱墊上。
前述之電子封裝結構中，該電子元件之第二側上具有第二電極，以令該第二電極電性連接該第一電性接觸墊。
前述之電子封裝結構中，該陶瓷基板具有複數該導熱路徑，且複數該電子元件設於該陶瓷基板上。
前述之電子封裝結構及其陶瓷基板中，該陶瓷基板僅具有一由該第一導熱墊、導熱柱與第二導熱墊構成之導熱路徑，且該導熱路徑不作為導電路徑。
前述之電子封裝結構及其陶瓷基板中，該第一導熱墊、導熱柱與第二導熱墊構成電熱共導路徑。例如，該電子元件之第一電極復電性連接該第一導熱墊。
前述之電子封裝結構及其陶瓷基板中，該板體之材質係為陶瓷材。
前述之電子封裝結構及其陶瓷基板中，該第一導熱墊、第二導熱墊或導熱柱之材質係為銅材或鋁材。
前述之電子封裝結構及其陶瓷基板中，該第一導熱墊、第二導熱墊或導熱柱之熱導率大於該板體之熱導率。
另外，前述之電子封裝結構及其陶瓷基板中，單一該導熱柱之端面的面積係佔該板體之第一表面或第二表面面積的1.6%以上。
由上可知，本發明之電子封裝結構及其陶瓷基板中，係藉由該導熱柱之寬度大於或等於300微米，且該導熱柱之寬度大於或等於該導電柱之寬度，使該電子元件之大部分熱量可快速地由第一表面傳導至第二表面(僅小部分熱量由板體傳遞)，以提升散熱效能，故相較於習知技術，該電子元件不會因過熱而效能降低或損壞。
1,1’,1”,2,2’‧‧‧陶瓷基板
10,20‧‧‧板體
10a,20a‧‧‧第一表面
10b,20b‧‧‧第二表面
11,11’,21,21’‧‧‧第一電性接觸墊
12,22‧‧‧第二電性接觸墊
13,13’,23‧‧‧導電柱
14,14’‧‧‧散熱片
2a,2b,3,3’,4,4’‧‧‧電子封裝結構
24,24’‧‧‧第一導熱墊
25,25’‧‧‧第二導熱墊
26,26’‧‧‧導熱柱
26a,26a’‧‧‧第一端面
26b,26b’‧‧‧第二端面
30,30’,30”‧‧‧電子元件
30a‧‧‧第一側
30b‧‧‧第二側
301,301’‧‧‧第一電極
302‧‧‧第二電極
31‧‧‧散熱墊
32‧‧‧銲線
A,A’,B,C‧‧‧面積
d,r’‧‧‧寬度
L‧‧‧導熱路徑
L’‧‧‧電熱共導路徑
r‧‧‧直徑
S‧‧‧佈設面積
第1A至1C圖係為習知電子封裝結構之不同態樣之剖視示意圖；第2A及2B圖係為本發明電子封裝結構之第一實施例之剖視示意圖；第3及3’圖係為本發明電子封裝結構之第二實施例之剖視示意圖；以及第4及4’圖係為本發明電子封裝結構之第三實施例之剖視示意圖。
以下藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點及功效。
須知，本說明書所附圖式所繪示之結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示之內容，以供熟悉此技藝 之人士之瞭解與閱讀，並非用以限定本發明可實施之限定條件，故不具技術上之實質意義，任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本發明所能產生之功效及所能達成之目的下，均應仍落在本發明所揭示之技術內容得能涵蓋之範圍內。同時，本說明書中所引用之如“上”、“第一”、“第二”及“一”等之用語，亦僅為便於敘述之明瞭，而非用以限定本發明可實施之範圍，其相對關係之改變或調整，在無實質變更技術內容下，當亦視為本發明可實施之範疇。
第2A及2B圖係為本發明電子封裝結構2a,2b及其陶瓷基板2,2’之第一實施例之分解剖視示意圖。
如第2A圖所示，所述之電子封裝結構2a係包括：一陶瓷基板2與一電子元件30。
所述之陶瓷基板2係包括：一板體20、複數第一電性接觸墊21、複數第二電性接觸墊22、複數導電柱23、一第一導熱墊24、一第二導熱墊25以及一導熱柱26。
所述之板體20係具有相對之第一表面20a與第二表面20b，且該板體20之材質係為如氮化鋁(AlN)或氧化鋁(Al2O3)之陶瓷材，其中，氧化鋁之熱導率(thermal conductivity)為17w/m．k，氮化鋁之熱導率為170w/m．k。
所述之第一電性接觸墊21係設於該板體20之第一表面20a上。
所述之第二電性接觸墊22係設於該板體20之第二表面20b上。
所述之導電柱23係設於該板體20中並連通該第一與第二表面20a,20b，以電性連接各該第一與第二電性接觸墊21,22。
所述之第一導熱墊24係設於該板體20之第一表面20a上，且該第一導熱墊24之熱導率大於該板體20之熱導率，例如，該第一導熱墊24之材質係為銅材或鋁材，其中，銅材之熱導率為400w/m．k，鋁材之熱導率為250w/m．k。
所述之第二導熱墊25係設於該板體20之第二表面20b上，且該第二導熱墊25之熱導率大於該板體20之熱導率，例如，該第二導熱墊25之材質係為銅材或鋁材。
所述之導熱柱26係設於該板體20中並連通該第一與第二表面20a,20b，以接觸結合該第一與第二導熱墊24,25，且該導熱柱26之寬度d(或該第一端面26a的面積A與第二端面26b的面積A)大於或等於該導電柱23之寬度r’(或其端面的面積C)，而該導熱柱26之寬度d與該導電柱23之寬度r’均大於或等於300微米(um)。
於本實施例中，單一該導熱柱26之第一端面26a的面積A係佔該板體20之第一表面20a的面積B的1.6%以上，且單一該導熱柱26之第二端面26b的面積A係佔該板體20之第二表面20b面積B的1.6%以上。
舉例而言，該板體20之第一表面20a的面積B係為3.5mm×3.5mm，且該導熱柱26係為直徑(即寬度d)0.5mm(即500um)之圓柱體，則單一導熱柱26之第一端面26a的面積A約佔該板體20之第一表面20a的面積B的 1.60%。另一實施例，若該板體20之第一表面20a的面積B為1.6mm×1.6mm，則直徑0.5mm之單一導熱柱26約佔該板體20之第一表面20a面積B的7.67%。
再者，該陶瓷基板2僅具有一由該第一導熱墊24、導熱柱26與第二導熱墊25構成之導熱路徑L，且該導熱路徑L不作為導電路徑。
又，該導熱柱26之熱導率大於該板體20之熱導率，例如，該導熱柱26之材質係為銅材或鋁材。
所述之電子元件30係設於該板體20之第一表面20a上並結合至該第一導熱墊24上，且該電子元件30具有相對之第一側30a與第二側30b，該第一側30a上具有複數第一電極301，以令該第一電極301電性連接該第一電性接觸墊21。
於本實施例中，該電子元件30係為高功率元件，例如，半導體元件或如LED晶片之發光元件，但不限於上述。
再者，該電子元件30係以覆晶方式電性連接該陶瓷基板2，故各該第一電極301對應結合各該第一電性接觸墊21。
又，該電子元件30之第一側30a復具有對應該第一導熱墊24之一散熱墊31，以令該散熱墊31對應結合至該第一導熱墊24上。
另外，如第2B圖所示之陶瓷基板2’中，該板體20之第一表面20a上係設置單一第一電性接觸墊21，且該第一導熱墊24’、導熱柱26’與第二導熱墊25’係構成電熱共導 路徑L’，又該導熱柱26’之寬度(如該第一端面26a’或第二端面26b’的面積A’)大於或等於該導電柱23之寬度(如其端面的面積C)。因此，該電子元件30之部分第一電極301’係作為散熱墊以對應結合至該第一導熱墊24’上，以利用該電熱共導路徑L’進行電性傳輸與熱傳導。
本發明之陶瓷基板2’藉由該導熱柱26’之寬度大於或等於該導電柱23之寬度，故相較於習知技術，該導熱柱26’作為電熱共導路徑L’仍可快速導熱，因而能避免電性傳輸失效。
於其它實施例中，若該陶瓷基板具有複數導熱路徑或電熱共導路徑，且於該陶瓷基板上設置複數電子元件，單一電子元件係僅對應結合單一導熱路徑或單一電熱共導路徑。
第3及3’圖係為本發明電子封裝結構3,3’之第二實施例之製法之剖視示意圖。本實施例與第一實施例之差異在於電子元件30’之設計，其它相關構造大致相同，故以下不再贅述相同處。
如第3圖所示，該電子元件30’係以打線方式電性連接該陶瓷基板2，即藉由複數銲線32電性連接該第一電極301與該第一電性接觸墊21，且該電子元件30’之第二側30b係結合至該第一導熱墊24上。
或者，如第3’圖所示，該電子元件30’之第二側30b係結合至該陶瓷基板2’之第一導熱墊24’上，且部分銲線32電性連接該第一電極301與該第一導熱墊24’。
第4及4’圖係為本發明電子封裝結構4,4’之第二實施例之製法之剖視示意圖。本實施例與第一實施例之差異在於電子元件30”之設計，其它相關構造大致相同，故以下不再贅述相同處。
如第4圖所示，該電子元件30”係以覆晶與打線方式電性連接該陶瓷基板2。
於本實施例中，該電子元件30”之第一側30a上具有複數第一電極301，以令該第一電極301電性連接該第一電性接觸墊21，且該電子元件30”之第二側30b上具有複數第二電極302，以藉由銲線32電性連接該第二電極302與該第一電性接觸墊21’。
再者，該電子元件30”之第一側30a係以該散熱墊31對應結合至該第一導熱墊24上。
或者，如第4’圖所示，該電子元件30”之部分第一電極301’係結合並電性連接該陶瓷基板2’之第一導熱墊24’。
綜上所述，本發明之電子封裝結構及其陶瓷基板中，主要藉由該導熱柱之寬度大於或等於300微米，使該電子元件之大部分熱量可快速地由該第一表面傳導至該第二表面(僅小部分熱量由該板體傳遞)，故能提升散熱效能，使該電子元件不會因過熱而損壞。
上述實施例係用以例示性說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修改。因此本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範 圍所列。
2‧‧‧陶瓷基板
2a‧‧‧電子封裝結構
20‧‧‧板體
20a‧‧‧第一表面
20b‧‧‧第二表面
21‧‧‧第一電性接觸墊
22‧‧‧第二電性接觸墊
23‧‧‧導電柱
24‧‧‧第一導熱墊
25‧‧‧第二導熱墊
26‧‧‧導熱柱
26a‧‧‧第一端面
26b‧‧‧第二端面
30‧‧‧電子元件
30a‧‧‧第一側
30b‧‧‧第二側
301‧‧‧第一電極
31‧‧‧散熱墊
A,B,C‧‧‧面積
d,r’‧‧‧寬度
L‧‧‧導熱路徑

Claims (30)

  1. 一種陶瓷基板，係包括：板體，係具有相對之第一表面與第二表面；至少一第一電性接觸墊，係設於該第一表面上；至少一第二電性接觸墊，係設於該第二表面上；至少一導電柱，係設於該板體中並連通該第一與第二表面，以電性連接該第一與第二電性接觸墊；一第一導熱墊，係設於該第一表面上；一第二導熱墊，係設於該第二表面上；以及一導熱柱，係設於該板體中並連通該第一與第二表面，以接觸結合該第一與第二導熱墊，又該導熱柱之寬度大於或等於該導電柱之寬度，而該導熱柱之寬度係大於或等於300微米。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之陶瓷基板，其中，該陶瓷基板僅具有一由該第一導熱墊、導熱柱與第二導熱墊構成之導熱路徑，且該導熱路徑不作為導電路徑。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之陶瓷基板，其中，該第一導熱墊、導熱柱與第二導熱墊構成電熱共導路徑。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之陶瓷基板，其中，該板體之材質係為陶瓷材。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之陶瓷基板，其中，該第一導熱墊之材質係為銅材或鋁材。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之陶瓷基板，其中，該第二導熱墊之材質係為銅材或鋁材。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之陶瓷基板，其中，該導熱柱之材質係為銅材或鋁材。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之陶瓷基板，其中，該第一導熱墊之熱導率大於該板體之熱導率。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之陶瓷基板，其中，該第二導熱墊之熱導率大於該板體之熱導率。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之陶瓷基板，其中，該導熱柱之熱導率大於該板體之熱導率。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之陶瓷基板，其中，單一該導熱柱之端面的面積係佔該板體之第一表面面積的1.6%以上。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之陶瓷基板，其中，單一該導熱柱之端面的面積係佔該板體之第二表面面積的1.6%以上。
  13. 一種電子封裝結構，係包括：板體，係具有相對之第一表面與第二表面；複數第一電性接觸墊，係設於該第一表面上；複數第二電性接觸墊，係設於該第二表面上；複數導電柱，係設於該板體中並連通該第一與第二表面，以電性連接各該第一與第二電性接觸墊；至少一第一導熱墊，係設於該第一表面上；至少一第二導熱墊，係設於該第二表面上；至少一導熱柱，係設於該板體中並連通該第一與第二表面，以接觸結合該第一與第二導熱墊，又該導 熱柱之寬度大於或等於該導電柱之寬度，而該導熱柱之寬度係大於或等於300微米；以及至少一電子元件，係設於該板體之第一表面上，單一該電子元件並對應結合至單一該第一導熱墊上，且該電子元件具有相對之第一側與第二側，該第一側上具有第一電極，以令該第一電極電性連接該第一電性接觸墊。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之電子封裝結構，其中，該陶瓷基板僅具有一由該第一導熱墊、導熱柱與第二導熱墊構成之導熱路徑，且該導熱路徑不作為導電路徑。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之電子封裝結構，其中，該第一導熱墊、導熱柱與第二導熱墊構成電熱共導路徑。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之電子封裝結構，其中，該電子元件之第一電極復電性連接該第一導熱墊。
  17. 如申請專利範圍第13項所述之電子封裝結構，其中，該板體之材質係為陶瓷材。
  18. 如申請專利範圍第13項所述之電子封裝結構，其中，該第一導熱墊之材質係為銅材或鋁材。
  19. 如申請專利範圍第13項所述之電子封裝結構，其中，該第二導熱墊之材質係為銅材或鋁材。
  20. 如申請專利範圍第13項所述之電子封裝結構，其中，該導熱柱之材質係為銅材或鋁材。
  21. 如申請專利範圍第13項所述之電子封裝結構，其中，該第一導熱墊之熱導率大於該板體之熱導率。
  22. 如申請專利範圍第13項所述之電子封裝結構，其中，該第二導熱墊之熱導率大於該板體之熱導率。
  23. 如申請專利範圍第13項所述之電子封裝結構，其中，該導熱柱之熱導率大於該板體之熱導率。
  24. 如申請專利範圍第13項所述之電子封裝結構，其中，單一該導熱柱之端面的面積係佔該板體之第一表面面積的1/3以上。
  25. 如申請專利範圍第13項所述之電子封裝結構，其中，單一該導熱柱之端面的面積係佔該板體之第二表面面積的1/3以上。
  26. 如申請專利範圍第13項所述之電子封裝結構，其中，該電子元件之第一側係結合至該第一導熱墊上。
  27. 如申請專利範圍第26項所述之電子封裝結構，其中，該第一電極結合至該第一導熱墊上。
  28. 如申請專利範圍第13項所述之電子封裝結構，其中，該電子元件之第二側係結合至該第一導熱墊上。
  29. 如申請專利範圍第13項所述之電子封裝結構，其中，該電子元件之第二側上具有第二電極，以令該第二電極電性連接該第一電性接觸墊。
  30. 如申請專利範圍第13項所述之電子封裝結構，其中，該陶瓷基板具有複數該導熱路徑，且複數該電子元件設於該陶瓷基板上。
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