TW202316917A - 具有內嵌陶瓷導熱塊及鏤空覆銅層的高導熱電路板 - Google Patents

Abstract

本發明是一種具有內嵌陶瓷導熱塊及鏤空覆銅層的高導熱電路板，主要包括：電路基板本體、對應嵌入電路基板本體貫穿孔中的散熱陶瓷塊、將散熱陶瓷塊嵌入固定於電路基板本體的貫穿孔中的固定部、金屬電路層及鏤空高導熱金屬層。電路基板本體包括介電材料層，分別鍍設有金屬電路層以及鏤空高導熱金屬層，鏤空高導熱金屬層的鏤空部對應於固定部及部分散熱陶瓷塊，另，散熱陶瓷塊導熱系數高於介電材料層，鏤空高導熱金屬層的導熱系數高於散熱陶瓷塊，透過固定部及部分散熱陶瓷塊暴露於外，因而有效改善進行高溫烘烤時發生爆板的問題。

Description

具有內嵌陶瓷導熱塊及鏤空覆銅層的高導熱電路板

本發明係關於一種高導熱電路板，尤其是一種具有內嵌陶瓷導熱塊及鏤空覆銅層的高導熱電路板。

按，印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)是以銅箔基板為主要關鍵基礎材料，用以供裝設電子元件，該銅箔基板一般多以介電材料做為絕緣層，以銅箔形成的導線為導電材料層，並將導電材料層布局於該介電絕緣層而成。其中介電材料又多以紙質、電木板、玻璃纖維板、橡膠以及其他種類高分子等絕緣材料經樹脂含浸形成為主。

由於一般印刷電路板的銅箔基板絕緣層材料多為介電材料，並不是熱的良好導體，使得高發熱元件所產生的熱能都積聚在靠近高功率元件的附近，讓運作環境非常不理想。同時，過多的熱堆積通常也導致印刷電路板的膨脹，但印刷電路板和電路元件間的熱膨脹係數不一，也勢必會造成因熱應力而讓接點產生受損的風險。

為解決上述問題，申請人所擁有的發明專利I670998以及I690246號中揭露一種鑲嵌結構，以增加散的高導熱熱陶瓷塊嵌入介電材料例如俗稱的FR4板中的方式，將高發熱元件佈局在高導熱陶瓷塊上方，可有效將高發熱元件所產生的熱能透過底部的高導熱層(也就是銅)導出，以有效 提升整體散熱效果。據此，目前在製作具有散熱陶瓷塊的印刷電路板時，主要是將環氧樹脂膠填入散熱陶瓷塊的外周緣與FR-4介電材料層之間的間隙，膠材固化後，即可將散熱陶瓷塊穩固結合於FR-4介電材料層。然而，在實作過程中發現，當印刷電路板完成散熱陶瓷塊設置並進入回焊機後，回焊機的高溫會導致可能埋藏於高導熱陶瓷塊或環氧樹脂膠中的水份被汽化/或部分化合物材料釋出，進而因為氣體或水氣局部釋出，造成鑲嵌有陶瓷塊的FR-4介電材料層與下方的覆銅層間膨脹撐開形成爆板狀態。

為解決上述因氣體與水氣的產生造成FR-4介電材料層和覆銅層間膨脹撐開形成爆板狀態的問題，申請人逐步進行修改，參考圖1所示，申請人嘗試將覆銅板網目化，也就是在覆銅板上大量穿孔，使得底部的銅板1(高導熱層)網目化，網目化後的銅板1具有多孔洞10及縫隙，其中部分與散熱陶瓷塊2對應的孔洞10及縫隙可讓上述中的氣體與水氣快速排出，因此不會發生有爆板的情況；然而相對地，也因為銅板網目化，使得可導熱的銅減少，使得導熱效果大幅降低而無法改善先前因高發熱元件所產生的熱能都積聚在靠近高功率元件的附近而產生高溫操作環境的問題。

考量上述避免爆板但導熱效果降低的結構問題，請參考圖2，申請人進一步將覆銅板改為縱橫開槽結構，主要是在銅板1上以開槽12方式讓氣體與水氣快速排出，而開槽12的位置以橫向與縱向方式通過每一個散熱陶瓷塊2，因此銅板1對應於散熱陶瓷塊2的位置上則呈現十字的開槽12樣式。雖然透過銅板1對應於散熱陶瓷塊2位置的縱橫交織開槽12，確實可以解決上述因氣體與水氣導致爆板的問題，也減少前一方案中，覆銅被大量減少的熱傳導劣化問題，但仍導致下列兩個缺失：首先，散熱陶瓷塊2的 中心位置，通常也正是上方高發熱元件佈局的核心位置，卻因開槽12經過而無法透過銅板1進行散熱，因此仍會造成局部區域的熱蓄積及熱流不均勻分布，導熱效果則相對降低，無法有效達到改善先前因高發熱元件產生的熱積聚而受損的風險；更值得一提的是，由於開槽12樣式呈現十字並串聯每一個散熱陶瓷塊2，因此每四個散熱陶瓷塊2之間受到開槽12十字分割的影響而產生散熱獨立區域3，一旦此散熱獨立區域3沒有恰好被螺絲固定或導熱膠妥善黏結到後方的散熱鳍片(圖未示)，就會導致每一個獨立區塊的散熱效率不同，且因銅板1被分割成多個熱孤島，無法確保大範圍的平均散熱。

因此，如何能讓印刷電路板在完成散熱陶瓷塊設置並進入回焊機後，不會因為氣體或水氣釋出而爆板，又可以持續確保嵌有散熱陶瓷塊的電路板的導熱散熱效果，則為本案所要達到的目的。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者瞭解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。

本發明的一目的在於提供一種具有內嵌陶瓷導熱塊及鏤空覆銅板的高導熱電路板，利用高導熱金屬層的鏤空部對應於固定部及部分散熱陶瓷塊，解決回焊機高溫烘烤時氣體釋出爆板的問題，提昇產品良率。

本發明的另一目的在於提供一種具有內嵌陶瓷導熱塊及鏤空覆銅板的高導熱電路板，確保每一個散熱陶瓷塊底部均具備導熱金屬層，確保散熱陶瓷塊中央位置被良好導熱連接覆銅板，使發熱元件所發熱 能快速確實排出以達到較佳的散熱效果。

本發明的又一目的在提供一種具有內嵌陶瓷導熱塊及鏤空覆銅板的高導熱電路板，覆銅板除鏤空部外均完整相連，使得整片電路板的熱能都可以輕易藉由後方散熱鳍片排出，解決熱孤島的散熱不均問題。

為達上述目的，本發明是一種具有內嵌陶瓷導熱塊及鏤空覆銅層的高導熱電路板，包括：一電路基板本體，包含一第一上板面和相反於前述第一上板面的一第一下板面，以及，該電路基板本體上形成有至少一個貫穿前述第一上板面和第一下板面的貫穿孔，其中該電路基板本體包括至少一層介電材料層；至少一個對應嵌入上述貫穿孔中的散熱陶瓷塊，包含一第二上板面與一第二下板面，前述散熱陶瓷塊導熱系數高於上述介電材料層；至少一個將上述散熱陶瓷塊嵌入固定於上述電路基板本體的貫穿孔中的固定部，並使得前述第二下板面分別對應於上述第一下板面，其中前述電路基板本體具有連結上述第一上板面和上述第一下板面且環繞出上述貫穿孔的穿孔內緣，且上述散熱陶瓷塊具有連結上述第二上板面和上述第二下板面的外周緣，以及上述固定部為介於上述穿孔內緣和上述外周緣之間，供將兩者固定介接的固定材料；一鍍設於上述第一上板面和上述第二上板面上的金屬電路層，供設置複數電路元件，其中前述電路元件中至少包括一個高功率元件，以及上述高功率元件系供設置於上述第二上板面上的金屬電路層處；以及一設置於上述第一下板面和上述第二下板面下方的鏤空高導熱金屬層，其中該鏤空高導熱金屬層的導熱系數高於上述散熱陶瓷塊，以及上述鏤空高導熱金屬層至少形成有複數對應於前述固定部的鏤空部，使得上述固定部和上述散熱陶瓷塊的至少部分透過上述鏤空部 被暴露。

由於鏤空部的特殊設計，一方面將固定部的部分暴露，使得其間可能釋出的氣體和水汽可以找到通道釋放，徹底解決爆板問題而明顯提升製造良率，同時也使得製造成本有效降低；尤其是鏤空孔避開內嵌陶瓷導熱塊的中心，讓發熱元件所發的熱能被有效導出，確保最終電路板產品的工作效能；且沒有將覆銅部分切割為熱孤島，使得後方加裝的散熱鳍片只要多處良好導熱接觸覆銅板，就可以將電路板所傳來的熱能完整攜出，沒有散熱不均勻的問題，使得高溫發熱元件可以在理想溫度環境運作。

根據本發明之一實施例，其中上述固定部是以樹脂膠填入固化形成的、撓性大於上述散熱陶瓷塊的機械緩沖混合材料。

根據本發明之一實施例，其中上述電路基板本體是包括多層介電材料層和多層金屬導電層的多層電路板。

根據本發明之一實施例，其中上述鏤空部包括至少對應於上述散熱陶瓷塊和環繞對應前述固定部的一組複數鏤空孔，以及前述複數鏤空孔是放射狀對稱分布。

根據本發明之一實施例，其中上述電路基板本體形成有複數貫穿孔，上述散熱陶瓷塊及對應的上述固定部分別對應嵌設於上述複數貫穿孔，以及上述鏤空部是以貫穿至少部分上述複數散熱陶瓷塊和上述固定部的虛線配置。

1:銅板

10:孔洞

12:開槽

2:散熱陶瓷塊

3:散熱獨立區域

4、4’、4”:電路基板本體

40:介電材料層

41、41’、41”:散熱陶瓷塊

42、42’、42”:固定部

43:金屬導電層

44、44’:鏤空高導熱金屬

400、400”:貫穿孔

401:第一上板面

402:第一下板面

404:穿孔內緣

410:第二上板面

412:第二下板面

414:外周緣

440、440’、440”:鏤空部

5:高功率元件

圖1 為申請人所提第一習知銅板網目化之結構示意圖。

圖2 為申請人所提第二習知銅板開槽之結構示意圖。

圖3 為本發明高導熱電路板之剖面結構示意圖。

圖4 為本發明高導熱電路板之立體分解示意圖。

圖5 為本發明另一高導熱電路板之結構示意圖。

圖6 為本發明複數貫穿孔以虛線配置之結構示意圖。

請參考圖3及圖4所示為本發明高導熱電路板之剖面結構示意圖及高導熱電路板之立體分解示意圖。本發明是一種具有內嵌陶瓷導熱塊及鏤空覆銅層的高導熱電路板，電路基板本體4於各圖中的介電材料層40以多層形式的FR-4為基礎，介電材料層40中以例如雷射預切割出貫穿孔400，再將對應的如氮化鋁(AIN)材質的散熱陶瓷塊41(方形柱狀)嵌入貫穿孔400中。不過，如熟悉本技術領域人士所能輕易理解，本實施例中的FR-4基板大小可以從大於10cm²到小於3600cm²的範圍內簡單替換。前述中的電路基板本體4主要採取多層介電材料層40和多層金屬導電層43的多層電路板。

為便於說明起見，在此依照圖式方向，將介電材料層40位於圖式上方的表面稱為第一上板面401，相對的下方稱為第一下板面402，而將散熱陶瓷塊41的上、下表面分別稱為第二上板面410和第二下板面412，且介電材料層40的厚度和散熱陶瓷塊41的厚度相近。當然，熟知此領域技術者可以輕易瞭解上述介電材料層40無論改採FR-1(俗稱電木板)、FR-3、FR-6、G-10等環氧樹脂或玻璃纖維預浸基板均可；切割方式也可以採用機械切割等類似方式，散熱陶瓷塊41則可以選擇氮化矽(Si₃N₄)、氧化鋁(Al₂O₃)、碳化矽(SiC)、氧化鈹(BeO)等替代，均無礙於本案實施。

隨後以例如環氧樹脂膠的固定材料填入氮化鋁的散熱陶瓷 塊41的外周緣414與FR-4介電材料層40的穿孔內緣404之間的間隙，膠材固化後，即可將散熱陶瓷塊41的外周緣414與穿孔內緣404穩固結合，且膠材固化形成的固定部42本身還具有大於散熱陶瓷塊41的撓性，因此是一種良好的機械緩衝混合材料，使得兩種相異材質即使受熱膨脹係數不一，仍可以提供緩衝保護，在後續的加溫處理和操作過程中不會產生問題。當然，熟知本技術領域之人可以輕易推知，雖本例以環氧樹脂膠做說明，但可以矽為基底或其他具撓性的膠材均屬簡易變換，並無礙於本案實施。

在上述散熱陶瓷塊41被固定部42嵌固於介電材料層40的貫穿孔400後，可以經過拋磨，使得第一上板面401和第二上板面410相互齊平，以便進一步於本例中，以例如濺鍍的方式在第一上板面401和第二上板面410上，依序形成一層鈦及一層銅的金屬種子層，接著並以電鍍的方式增厚該金屬種子層，構成一電鍍銅層，且為保護銅層不致輕易氧化，本例中在銅層上方更增加一層鎳、金層，共同構成多層結構的一金屬層。當然，熟知此領域技術者可以輕易瞭解上述保護銅層材料無論改採有機保焊劑(Organic Solderability Preservatives，OSP)、銀、錫等材料替代，均無礙於本案實施。前述金屬層經過佈局(Pattern)等一系列後續常規加工程序即為本例中的金屬電路層43。當然，熟知此技術者也可以採用例如常見的蒸鍍或其他可行的方式，並採用它種適合的金屬以形成上述多層結構的金屬電路層43。

由於第一下板面402和第二下板面412也彼此齊平，且銅具有較佳的導熱係數(380Wm^-1K^-1)，因此於本例中，在第一下板面402和第二下板面412下方也形成一銅的金屬層，藉此構成一層導熱係數高於前述介電材料層40的鏤空高導熱金屬44。由於鏤空高導熱金屬44同時以良好的導熱接觸連 結介電材料層40和散熱陶瓷塊41，但散熱陶瓷塊41以及鏤空高導熱金屬44的導熱係數遠高於介電材料層40，因此鏤空高導熱金屬44主要是將散熱陶瓷塊41傳來的熱能從圖式的水平方向再導出，相對地，設置於介電材料層40上方的一般電路元件，則不會輕易受到散熱陶瓷塊41所傳來的熱能干擾，藉此將高功率元件5所發出的高熱與其他周邊一般的電路元件隔離。

上述介電材料層40設置完成後，即可供進一步安裝所需電路元件，前述電路元件更包括至少一件高功率元件5，於此例中，高功率元件5例釋為一IGBT，並以例如表面安裝(Surface-mount technology，SMT)的方式焊接固定於金屬電路層43且對應在散熱陶瓷塊41上方位置的接墊處，且經由金屬引線，將IGBT的各電極導接至對應的接墊。由於IGBT具有高效率以及切換速度快等優點，常應用於作功量較大的電子設備，如：冷氣機、電冰箱、音響、以及馬達驅動器等，因此前述電子設備運作時，IGBT將產生大量的熱能，該熱能會直接穿經氧化鋁的散熱陶瓷塊41，向下傳導至鏤空高導熱金屬44，而被導離散熱陶瓷塊41的位置，前述熱能並將進一步藉由鏤空高導熱金屬44的整片大面積散熱，即使是下方散熱鳍片僅以多個螺栓與電路板螺合，也可以在螺合的加壓部分達成良好導熱，讓整片電路板上所發的熱能由後方散熱鳍片攜出，達到增加散熱效率的效果。

鏤空高導熱金屬44所形成的鏤空部440對應於固定部42以及部分的散熱陶瓷塊41，使得固定部42以及部分的散熱陶瓷塊41透過鏤空部440被暴露，所謂部分的散熱陶瓷塊41只要在散熱陶瓷塊41周邊而不穿越整個散熱陶瓷塊41，使得進入回焊機進行高溫烘烤時所產生的氣體與水氣透過鏤空部440排出而不會發生因膨脹而有爆板問題的發生，同時散熱陶瓷塊 41中央位置貼合的鏤空高導熱金屬44則能有大面積散熱，達到增加散熱效率的效果。

一併參考圖5所述，為本發明另一高導熱電路板之結構示意圖。圖中可知，成形於上述電路基板本體4’的鏤空部440’主要以多數並環繞於固定部42’並且部分對應於散熱陶瓷塊41’的四角，也就是說在部分散熱陶瓷塊41’周邊與整個固定部42’的位置曝露於外，除此之外，鏤空部440’可以放射狀對稱分布於鏤空高導熱金屬44’，除了前述位於部分散熱陶瓷塊41’周邊與整個固定部42’之外，其餘鏤空部440’則採放射狀設置，藉以增加前述氣體與水氣排出的效率，同時不影響散熱效果。

一併參考圖6所述，為本發明複數貫穿孔以虛線配置之結構示意圖。在電路基板本體4”以形成複數貫穿孔400”為例，每個貫穿孔400”均分別設置有散熱陶瓷塊41”及對應的固定部42”，並且鏤空部440”以虛線方式串聯各散熱陶瓷塊41”成十字態樣，尤其重要的是，對應至散熱陶瓷塊41”的鏤空部440”僅位在散熱陶瓷塊41”周邊而中央位置不外露，至於固定部42”涵蓋到的位置則完全外露，藉此，以虛線方式串聯各散熱陶瓷塊41”成十字態樣即可增加前述氣體與水氣排出的效率，同時不影響散熱效果。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

4:電路基板本體

40:介電材料層

400:貫穿孔

401:第一上板面

402:第一下板面

404:穿孔內緣

41:散熱陶瓷塊

410:第二上板面

412:第二下板面

414:外周緣

42:固定部

43:金屬導電層

44:鏤空高導熱金屬

440:鏤空部

5:高功率元件

Claims (5)

1. 一種具有內嵌陶瓷導熱塊及鏤空覆銅層的高導熱電路板，包括：

   一電路基板本體，包含一第一上板面和相反於前述第一上板面的一第一下板面，以及，該電路基板本體上形成有至少一個貫穿前述第一上板面和第一下板面的貫穿孔，其中該電路基板本體包括至少一層介電材料層；

   至少一個對應嵌入上述貫穿孔中的散熱陶瓷塊，包含一第二上板面與一第二下板面，前述散熱陶瓷塊導熱系數高於上述介電材料層；

   至少一個將上述散熱陶瓷塊嵌入固定於上述電路基板本體的貫穿孔中的固定部，並使得前述第二下板面分別對應於上述第一下板面，其中前述電路基板本體具有連結上述第一上板面和上述第一下板面且環繞出上述貫穿孔的穿孔內緣，且上述散熱陶瓷塊具有連結上述第二上板面和上述第二下板面的外周緣，以及上述固定部為介於上述穿孔內緣和上述外周緣之間，供將兩者固定介接的固定材料；

   一鍍設於上述第一上板面和上述第二上板面上的金屬電路層，供設置複數電路元件，其中前述電路元件中至少包括一個高功率元件，以及上述高功率元件系供設置於上述第二上板面上的金屬電路層處；以及

   一設置於上述第一下板面和上述第二下板面下方的鏤空高導熱金屬層，其中該鏤空高導熱金屬層的導熱系數高於上述散熱陶瓷塊，以及上述鏤空高導熱金屬層至少形成有複數對應於前述固定部的鏤空部，使得上述固定部和上述散熱陶瓷塊的至少部分透過上述鏤空部被暴露。
2. 如請求項第1項的高導熱電路板，其中上述固定部是以樹脂膠填入固化形成的、撓性大於上述散熱陶瓷塊的機械緩沖混合材料。
3. 如請求項第1項的高導熱電路板，其中上述電路基板本體是包括多層介電材料層和多層金屬導電層的多層電路板。
4. 如請求項第1、2或3項的高導熱電路板，其中上述鏤空部包括至少對應於上述散熱陶瓷塊和環繞對應前述固定部的一組複數鏤空孔，以及前述複數鏤空孔是放射狀對稱分布。
5. 如請求項第1、2或3項的高導熱電路板，其中上述電路基板本體形成有複數貫穿孔，上述散熱陶瓷塊及對應的上述固定部分別對應嵌設於上述複數貫穿孔，以及上述鏤空部是以貫穿至少部分上述複數散熱陶瓷塊和上述固定部的虛線配置。

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