TWI404477B - 基板表面形成電路方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種基板表面形成電路方法，特別是關於一種利用預熱基板之絕緣表面及超音波活化基板之絕緣表面的步驟，使活性焊料直接接合在絕緣表面上而形成電路圖案之基板表面形成電路方法。
近年來科技發達許多電子產品朝向精密化、精簡化、微型化，因此如何維持產品的工作穩定性成了一重要技術課題，其中電子產品之電能轉換及運轉中產生的大量熱能，成為影響穩定性的重大因素，若產品內部元件過熱嚴重者將造成產品的永久損毀。為克服此問題，許多電子產品之發熱電子元件於是搭配使用了散熱基板。
以現有液晶顯示器(liquid crystal display，LCD)之背光模組(back light module)為例，背光模組逐漸改以發光二極體(light emitting diode，LED)作為背光源，其中數個發光二極體係被固設於一散熱基板上，而形成一燈條(light bar)，而一背光模組通常是由數個燈條所組成。為了簡化燈條之組裝構造，該散熱基板之表面通常直接形成一表面電路層，以供直接固定該發光二極體，同時該發光二極體亦可經由該表面電路層獲得電能，以進行發光。
例如，中華民國公告第M373629號新型專利揭示一種電氣元件封裝結構及其電路板，其係在一金屬或陶瓷之基板上依序堆疊配置一散熱膠層、一第三黏著膠層、一第一金屬層、一第一黏著膠層、一第二金屬層及一第二黏著膠層，其中該第一黏著膠層曝露部分該第一金屬層，以形成一第一接觸墊供電性連接一發光二極體之引腳，以將引腳之熱能經由該第一金屬層及散熱膠層導引至該基板，以進行散熱。再者，該第二黏著膠層曝露部分該第二金屬層，以形成一第二接觸墊供電性連接該發光二極體之引腳，以經由該第二金屬層電性連接至外部電源。
目前，為了提高照明效率及均勻度，散熱基板上所配置之發光二極體之總數量及其輸出功率日漸增加。但是，在發光二極體將電能轉換成光能的過程中，愈多之發光二極體將會連帶產生愈大量的廢熱，進而相對產生更高之工作溫度。因此，若散熱基板上的表面電路層之結合強度低落或耐熱性不佳，將容易因熱脹冷縮或材料劣化失膠等因素，而導致表面電路層的剝離或損壞，進而大幅減低背光模組等具有散熱基板之電子產品的使用壽命。以上述第M373629號新型專利為例，在組裝期間，散熱膠層首先印刷於散熱基板上，接著再藉由加熱來黏著固定金屬層，然而組裝期間之加熱過程可能造成金屬層產生氧化，因而影響黏著強度及散熱性。再者，在正常使用情況下，發光二極體長期產生高溫，其容易造成由銀膠等黏膠材質製成之散熱膠層以及由聚亞醯胺製成之黏著膠層容易受熱產生劣化，特別是在散熱膠層之部分極易產生剝離的問題。當表面電路層脫離散熱基板，將造成發光二極體之廢熱無法及時導出，因而造成發光二極體燒毀。
故，有必要提供一種改良式散熱基板表面形成電路方法，以解決習用技術所存在的問題。
本發明之主要目的在於提供一種基板表面形成電路方法，其係先預熱基板之絕緣表面，以使後續攪動刮塗在絕緣表面上之熔融活性焊料能直接接合在絕緣表面上，並利用超音波活化該絕緣表面和該活性焊料，是藉由超音波將活性焊料之表面氧化膜擊破，並同時藉由超音波能量將活性焊料之極硬介金屬化合物的微粒來有效地去除絕緣表面之表面污物與鈍化層，以達活化活性焊料及絕緣表面之雙重活化效果，故可相對增加活性焊料潤濕接合於絕緣表面之接合性質，因而有利於提高電路圖案之接合強度及製程效率。
本發明之次要目的在於提供一種基板表面形成電路方法，其中多軸移動超音波裝置，能將上述步驟快速地在平面基板或立體基板之絕緣表面上，製作形成電路圖案，並利用超音波之攪動來破除熔融活性焊料的表面氧化膜，並同時去除絕緣表面之表面污物與鈍化層，以達活化活性焊料及絕緣表面之雙重活化效果，故可相對增加具有電路圖案基板之應用性質。
為達上述之目的，本發明提供一種基板表面形成電路方法，其包含步驟：提供一基板並加熱該基板，其一側具有一絕緣表面；提供一活化接合裝置，以攪動刮塗一活性焊料至該預熱之絕緣表面上，使得該熔融活性焊料受熱接合該基板；利用該活化接合裝置對該熔融之活性焊料施加超音波，以經由超音波活化該活性焊料與該絕緣表面；以及，移動該活化接合裝置，使該活性焊料在該絕緣表面上形成一電路圖案。
在本發明之一實施例中，該基板是一散熱基板，該散熱基板選自陶瓷基板、陽極化鋁基板、玻璃基板、氧化鋯基板、氮化鋁基板或矽基板。該絕緣表面選自氧化物、碳化物或氮化物之陶瓷材料。
在本發明之一實施例中，該散熱基板之另一側具有數個散熱鰭片。
在本發明之一實施例中，該活性焊料選自錫基合金、銦基合金或其他銲錫合金，並加入0.01～2重量%之稀土族元素(Re)，其稀土族元素係泛指：鈧元素(Sc)、釔元素(Y)及「鑭系元素」，其中「鑭系元素」包括：鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、钜(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)釓(Gd)鋱(Td)、鏑Dy、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)或鑥(Lu)，但在產業的利用上，稀土族元素通常係以混合物的形態存在，常見之稀土族元素混合物通常係由：鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、釤(Sm)以及極少量的鐵、磷、硫或矽所組成。
在本發明之一實施例中，該錫基合金或銦基合金混摻有6重量%以下之至少一種活性成分，其選自包含4重量%以下之鈦(Ti)、釩(V)、鎂(Mg)、鋰(Li)、鋯(Zr)、鉿(Hf)或其組合；以及其餘重量為稀土族元素，該稀土族元件選自其稀土族元素係泛指：鈧元素(Sc)、釔元素(Y)及「鑭系元素」或其組合。
在本發明之一實施例中，該電路圖案之厚度介於0.1至0.3微米(um)之間。
在本發明之一實施例中，在形成該電路圖案之步驟後，進一步在該電路圖案上進行下列步驟：在該電路圖案上堆疊一絕緣層；加熱該絕緣層；利用該活化接合裝置攪動刮塗一低熔點活性焊料至該加熱後之絕緣層上，使得該低熔點活性焊料受熱熔融；利用該活化接合裝置對該熔融之低熔點活性焊料施加超音波，以經由超音波活化該低熔點活性焊料與該絕緣層；以及移動該活化接合裝置，使該低熔點活性焊料在該絕緣層上形成另一電路圖案。
在本發明之一實施例中，在形成該電路圖案後，另包含：將至少一電子元件結合在該電路圖案上；該電路圖案包含至少二電性接墊，以電性連接該電子元件之至少二引腳；以及該電路圖案包含至少一導熱接墊，以貼接該電子元件之至少一散熱墊片。該電子元件選自電阻、電感、晶片(IC)、發光二極體(LED)、開關、雷射元件、散熱元件或其他電子元件。
在本發明之一實施例中，該活化接合裝置另包含一多軸移動裝置來移動該超音波活化接合裝置，以製作立體之該電路圖案。
為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
本發明係提供一種基板表面形成電路方法，其係預熱一基板之一絕緣表面，使後續攪動刮塗在該絕緣表面上之熔融活性焊料，使其能直接熔融接合在該絕緣表面上，並使用超音波來活化活性焊料及基板之絕緣表面，以促使活化焊料順利焊接於絕緣表面，而形成所需的電路圖案，以供後續結合電子元件之用。本發明下文將以一散熱基板1為例來進行說明本發明之較佳實施例。
請參照第1、2及3圖所示，本發明較佳實施例之基板表面形成電路方法主要包含下列步驟：提供一散熱基板1並加熱該散熱基板1，其一側具有一絕緣表面11；提供一活化接合裝置2，以攪動刮塗一活性焊料3至該預熱後之絕緣表面11上，使得該活性焊料3受熱熔融；利用該活化接合裝置2對該熔融之活性焊料3施加超音波22，以經由超音波22活化該活性焊料3與該絕緣表面11；以及，移動該活化接合裝置2，使該活性焊料3在該絕緣表面11上形成一電路圖案30。
請參照第1圖所示，本發明較佳實施例之基板表面形成電路方法首先係提供一散熱基板1並加熱該基板1，其一側具有一絕緣表面11。在本實施例中，該散熱基板1係以陽極化鋁基板(anodized aluminum)為例，其中該絕緣表面11係指鋁基板之表面經由陽極化處理後所形成之氧化鋁(Al2
O3
)薄膜(即陶瓷材質薄膜)，該氧化鋁薄膜具有電絕緣性，但其導熱性質良好；也可利用微弧氧化處理所獲得鋁基板。再者，在本發明其他實施例中，經過陽極化處理或微弧氧化處理之基板，可為鋁(Al)合金、鎂(Mg)合金、鈦(Ti)合金或鉭(Ta)合金。再者，在本發明其他實施例中，該散熱基板1亦可能選自陶瓷(ceramic)基板或玻璃基板，其因本身即為絕緣材料，故亦可提供該絕緣表面11。或者，該散熱基板1亦可能選自氧化鋯(ZrO2
)基板或氮化鋁(AlN)基板，其係指由鋁、其他金屬或陶瓷等材料製成之基板，且其表面上形成有氧化鋯或氮化鋁之絕緣表面11。另外，該散熱基板1之另一側較佳具有數個散熱鰭片12，以增加其散熱效率，其中該散熱鰭片12之型式係可依產品需求加以調整，且亦可能直接省略設置該散熱鰭片12或以其他散熱方式來取代，例如使用熱管(heat pipe)等。該散熱基板1需預先加熱至高於後續步驟使用之該活性焊料3的預設熔點溫度，其熔點溫度範圍可能在100℃至450℃之間，但並不限於此。
請參照第1及1A圖所示，本發明較佳實施例之基板表面形成電路方法接著係提供一活化接合裝置2，以攪動刮塗一活性焊料3至該預加熱後之絕緣表面11上，使得該活性焊料3受熱熔融。在本實施例中，該活化接合裝置2具有一供料通道21能供給一種活性焊料3之線狀固態焊條，以便不間斷的輸出該活性焊料3。此時，該活性焊料3接觸該絕緣表面11並受該絕緣表面11之預熱溫度影響而熔融。惟，該活化接合裝置2供應該活性焊料3之方式亦可能為其他形式，例如該活化接合裝置2亦可能在其內部設有一預熱元件，先將該活性焊料3預熱熔軟化後，再經由該供料通道21或其他適當管道輸出該熔化軟化之活性焊料3，以加速該活性焊料3接觸該絕緣表面11後受熱熔融速度及增加接合效率之速度。在本發明中，該活性焊料3較佳選自含有添加0.01～2重量%之稀土族元素之錫(Sn)基合金、銦(In)基合金或其他銲錫合金。再者，該錫基合金或銦基合金內較佳選擇混摻有6重量%以下之至少一種活性成分，其選自包含4重量%以下之鈦(Ti)、釩(V)、鎂(Mg)、鋯(Zr)、鉿(Hf)或其組合；以及含有稀土族元素，該稀土族元件選自其稀土族元素係泛指：鈧元素(Sc)、釔元素(Y)、「鑭系元素」或其混合稀土。其中該活性成分有利於增加後續之接合性質。
更詳言之，該活性成分對氧、碳或氮元素的親和性(如氧化鋁、碳化物或氮化物等各種陶瓷薄膜的氧基、碳基或氮基)，其可經由化學反應使陶瓷材質之絕緣表面11產生表面分解而形成一反應接合層111，該反應接合層111所含的反應生成物主要是由活性成分之金屬與陶瓷材料的複合物，其具有與金屬近似之微結構，故能有效促進熔融金屬潤濕該反應接合層111處之表面並填入該絕緣表面11之微細孔洞等死角內，如此可使液態熔融之活性焊料3直接潤濕接合於清潔後的絕緣表面11。藉此，本發明僅需控制該絕緣表面11之預熱溫度及該活性焊料3之刮塗速度等參數，即可達到簡單快速的將該活性焊料3接合於該絕緣表面11之目的，且其製程容易控制及焊接結合性質良好。
請參照第1及1A圖所示，本發明較佳實施例之基板表面形成電路方法接著係利用該活化接合裝置2對該熔融之活性焊料3施加超音波22，以經由超音波22活化該活性焊料3與該絕緣表面11。在本發明中，該活化接合裝置2能用以攪動刮塗該活性焊料3並同時產生適當頻率之超音波22，其中超音波22之頻率及處理時間係依該活性焊料3之種類及所需刮塗厚度等參數進行調整，本發明並不限制頻率及處理時間等參數。在本步驟中，當該熔融之活性焊料3與該絕緣表面11相接觸時，該活化接合裝置2能施加超音波22的能量予該熔融之活性焊料3，其中超音波22的波動能量進入該熔融之活性焊料3中，可以藉由超音波的攪動將該活性焊料3之表面氧化膜擊破，以露出該活性焊料3之金屬焊料與活性成分，並促進該熔融活性焊料3之活性成分與該絕緣表面11之間的反應形成一層反應接合層111。另可參照第4圖所示，其係為本發明使用Sn3.5Ag0.5Cu4Ti(Re)活性銲料(即含有3.5% Sn、0.5% Ag、4% Cu及微量的Ti及稀土元素Re)在玻璃基板上製作電路圖案之接合斷面顯微金相圖。
另外，超音波亦可賦於將活性銲料內之高硬度介金屬化合物顆粒對該絕緣表面11之固體表面提供摩擦式清潔作用，而有利於將該絕緣表面11之表面污物與鈍化層除去。因此可對該絕緣表面11之固體表面提供摩擦式清潔作用，而有利於將該絕緣表面11之表面污物與鈍化層除去，此種表面被超音波22清除過後將形成該反應接合層111，其中該反應接合層111亦可稱為一活化接合界面。同時，超音波22亦可將該活性焊料3所含的氣泡排除，以減少在該活性焊料3內形成氣孔。再者，超音波22對該熔融之活性焊料3也能賦予額外動能，以利其滲入該絕緣表面11之微細孔洞等死角內，如此可使液態熔融之活性焊料3直接牢固焊接於清潔後的絕緣表面11。
請參照第2圖所示，本發明較佳實施例之基板表面形成電路方法接著係移動該活化接合裝置2，使該活性焊料3在該絕緣表面11上形成一電路圖案30。在本步驟中，在依預定路徑設定來移動該活化接合裝置2之期間內，該熔融之活性焊料3逐步焊接結合在該絕緣表面11的適當位置上，因而該熔融之活性焊料3在冷卻硬化後即可形成該電路圖案30，其中該電路圖案30之厚度較佳介於0.1至0.3微米(um)之間，該電路圖案30係依後續欲固定之電子元件4來設計其圖案。
必要時，本發明也可選擇性的對該電路圖案30之活性焊料3進行無電鍍，以增加該電路圖案30之厚度。此時，該無電鍍製程使用之金屬較佳為銅、鎳、金、銀、錫或其複合層，該無電鍍製程可形成一金屬鍍層，該金屬鍍層有利於增加該電路圖案30進行表面固定技術(SMT)時之焊接性質及防鏽能力。另外，若該散熱基板1之兩側表面皆具有該絕緣表面11(此時沒有設置該散熱鰭片12)，則本發明亦可使用上述方法在該散熱基板1之兩側表面的絕緣表面11上分別形成一層該電路圖案30。或者，在該散熱基板1之絕緣表面11上形成一層該電路圖案30之後，本發明亦可預製另一陶瓷材質(如氧化物、碳化物或氮化物陶瓷材料)將其堆疊於該電路圖案30上，接著再以上述方法來增層形成另一電路圖案30，如此即可增層成為二層或以上之多層電路圖案30，其中該多層電路圖案30之製造方法是在形成該電路圖案30之步驟後，進一步在該電路圖案30上進行下列步驟：在該電路圖案30上堆疊一絕緣層；加熱該絕緣層；利用該活化接合裝置2攪動刮塗一低熔點活性焊料至該加熱後之絕緣層上，使得該低熔點活性焊料受熱熔融；利用該活化接合裝置2對該熔融之低熔點活性焊料施加超音波，以經由超音波活化該低熔點活性焊料與該絕緣層；以及移動該活化接合裝置2，使該低熔點活性焊料在該絕緣層上形成另一電路圖案。當然，在進行多層電路圖案20製作之活性銲料可選擇不同熔點之活性銲料(熔點由高而低)依相似步驟來製作另一堆疊之絕緣層及電路圖案，並且藉由此活性銲料將各絕緣層之電路圖案上下導通接合成一個多層電路圖案。也就是，多層電路案之各層電路導通孔的製作，可直接用該熔化活性銲料進行各層電路導通孔之填孔，成為具有導電性之各層電路導通孔，可增加多層電路圖案的製程效率，減免傳統多層電路基板用電鍍或無電鍍來製作導電之導通孔。
此外，在某些產品中，該散熱基板1之絕緣表面11亦可能是非平面狀之立體表面，例如半圓形表面等，本發明亦可使用上述方法在該立體狀之絕緣表面11上形成一層、二層或以上之多層電路圖案30。上述做法皆為本發明之各種可能實施例。
接著，請參照第3圖所示，在完成上述步驟之後，可包含另一步驟：將至少一電子元件4結合在該電路圖案30上，其中該電子元件4較佳為發光二極體(LED)。在一實施方式中，各該電子元件4包含至少二引腳41及至少一散熱墊片42，該引腳41用以連接外部電源，該散熱墊片42用以導出該電子元件4本身產生之廢熱。此時，該電路圖案30之線路即包含至少二電性接墊31及至少一導熱接墊32，其中該電性接墊31可藉由表面固定技術(SMT)焊接電性連接該電子元件4之引腳41，以便將外部電源導引至該引腳41。同時，該導熱接墊32則可藉由表面固定技術或導熱膠貼接結合該電子元件4之散熱墊片42，以經由該散熱墊片42將該電子元件4之廢熱導出至該散熱基板1，以便利用該散熱基板1之散熱鰭片12進行散熱。
如上所述，相較於習用散熱基板之表面電路層易因材料劣化產生剝離的問題因而影響表面電路層之結合強度及發光二極體之散熱效率等缺點，第1至3圖之本發明藉由預熱該散熱基板1之絕緣表面11，使後續攪動刮塗在該絕緣表面11上之活性焊料3能直接受熱接合在該絕緣表面11上，並另利用超音波22活化該活性焊料3與絕緣表面11，同時利用超音波22將該活性焊料3之表面氧化膜擊破，並同時超音波能量能將活性焊料之極硬介金屬化合物的微粒，來有效地去除絕緣表面之表面污物與鈍化層，以達活化活性焊料及絕緣表面之雙重活化效果，進而增加該絕緣表面11形成該反應接合層111後，故可相對增加活性焊料3潤濕接合於絕緣表面11之接合性質。
雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
1‧‧‧散熱基板
11‧‧‧絕緣表面
111‧‧‧反應接合層
12‧‧‧散熱鰭片
2‧‧‧活化接合裝置
21‧‧‧供料通道
22‧‧‧超音波
3‧‧‧活性焊料
30‧‧‧電路圖案
31‧‧‧電性接墊
32‧‧‧導熱接墊
4‧‧‧電子元件
41‧‧‧引腳
42‧‧‧散熱墊片
第1圖：本發明較佳實施例之基板表面形成電路方法利用超音波活化絕緣表面及加熱熔融活性焊料之示意圖。
第1A圖：本發明第1圖之局部放大圖。
第2圖：本發明較佳實施例之基板表面形成電路方法移動活化接合裝置形成電路圖案之示意圖。
第3圖：本發明較佳實施例之基板表面形成電路方法結合電子元件之示意圖。
第4圖：本發明使用Sn3.5Ag0.5Cu4Ti(Re)活性銲料在玻璃基板上製作電路圖案之接合斷面顯微金相照相圖。
1．．．散熱基板
11．．．絕緣表面
111．．．反應接合層
2．．．活化接合裝置
21．．．供料通道
22．．．超音波
3．．．活性焊料
Claims (9)
- 一種基板表面形成電路方法，其包含：提供一基板並加熱該基板，其一側具有一絕緣表面；提供一活化接合裝置，以攪動刮塗一活性焊料至該加熱後之絕緣表面上，使得該活性焊料受熱熔融；利用該活化接合裝置對該熔融之活性焊料施加超音波，以經由超音波活化該活性焊料與該絕緣表面；以及移動該活化接合裝置，使該活性焊料在該絕緣表面上形成一電路圖案。
- 如申請專利範圍第1項所述之基板表面形成電路方法，其中該基板是一散熱基板，該散熱基板選自陶瓷基板、陽極化鋁基板、陽極化鎂基板、陽極化鈦基板玻璃基板、氧化鋯基板或氮化鋁基板；以及，該絕緣表面係選自氧化物、碳化物或氮化物之陶瓷材料。
- 如申請專利範圍第1或2項所述之基板表面形成電路方法，其中在形成該電路圖案之步驟後，進一步在該電路圖案上進行下列步驟：在該電路圖案上堆疊一絕緣層；加熱該絕緣層；利用該活化接合裝置攪動刮塗一低熔點活性焊料至該加熱後之絕緣層上，使得該低熔點活性焊料受熱熔融； 利用該活化接合裝置對該熔融之低熔點活性焊料施加超音波，以經由超音波活化該低熔點活性焊料與該絕緣層；以及移動該活化接合裝置，使該低熔點活性焊料在該絕緣層上形成另一電路圖案。
- 如申請專利範圍第1項所述之基板表面形成電路方法，其中該活性焊料選自含有0.01~2重量%稀土族元素之錫基合金或銦基合金，其稀土族元素選自鈧、釔或鑭系元素。
- 如申請專利範圍第4項所述之基板表面形成電路方法，其中該錫基合金或銦基合金混摻有6重量%以下之至少一種活性成分，其選自包含4重量%以下之鈦、釩、鎂、鋯、鉿或其組合；以及其餘重量為稀土族元素，該稀土族元件選自鈧、釔、鑭系元素或其組合。
- 如申請專利範圍第1項所述之基板表面形成電路方法，其中該活化接合裝置另包含一多軸移動裝置來移動該超音波活化接合裝置，以製作立體之該電路圖案。
- 如申請專利範圍第1項所述之基板表面形成電路方法，其中在形成該電路圖案後，另包含：將至少一電子元件結合在該電路圖案上。
- 如申請專利範圍第7項所述之基板表面形成電路方法，其中該電路圖案包含至少二電性接墊，以電性連 接該電子元件之至少二引腳；以及該電路圖案包含至少一導熱接墊，以貼接該電子元件之至少一散熱墊片。
- 如申請專利範圍第7項所述之基板表面形成電路方法，其中該電子元件選自電阻、電感、晶片、發光二極體、開關、雷射元件或散熱元件。
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