TWI417005B - 印刷電路板裝置、其相關方法及其相關裝置 - Google Patents

印刷電路板裝置、其相關方法及其相關裝置 Download PDF

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Description

印刷電路板裝置、其相關方法及其相關裝置
本發明係有關於印刷電路板及其他電子裝置的散熱方法與相關裝置。因此，本發明涉及電子與材料科學領域。
在許多先進國家中，大部分的民眾認為電子裝置與其生活緊密結合。對於電子裝置之使用與依賴的增長已產生小型化與高效能的需求。但是在電路系統縮小體積與增加速度的同時，電子裝置的散熱即成為問題。
電子裝置一般含有印刷電路板，其上一體連接電子元件以使裝置具有完整功能。這些電子元件如處理器、電晶體、電阻器、電容器、發光二極體(LED)等皆會產生顯著的熱量。當熱量累積時，熱會在印刷電路板與許多電子元件內部造成廢熱問題。顯著的熱量可影響電子裝置的可靠度，或者甚至造成裝置失去作用，例如造成電子元件本身或是印刷電路板表面的燒燬或短路。因此，熱量的累積可大幅影響電子元件的使用壽命。對於具有高功率與高電流需求的電子元件及支撐這些電子元件的印刷電路板而言，影響特別顯著。
先前技術常使用風扇、散熱片、珀爾帖(Peltier)及水冷卻裝置等作為降低電子裝置中之熱量累積的手段。但是隨著速度與功率消耗提高導致熱量累積增加，這些冷卻裝置一般需要加大體積以產生足夠的散熱效果，也需要輸入電力使其運作。例如，風扇必須增加體積及速度以提高氣流， 而散熱片則必須加大體積以增加熱容量與表面積。然而對於電子裝置小型化的需求而言，不僅要避免增加冷卻裝置的體積，也可能需要顯著地縮小體積。
因此，由於冷卻需要對於電子裝置設下體積最小化與電力供應的限制，必須尋求對於電子裝置提供適當散熱效果的方法與相關裝置。
因此，本發明提供熱動態電路裝置及冷卻該裝置的方法。在其中一方面，例如提供一種最小化熱累積的熱動態印刷電路板裝置。該裝置可包含一設置於一基材之一表面的介電層。該介電層可包含複數設置於一介電材料中的含碳顆粒。在其中一方面，該含碳顆粒可為鑽石顆粒。再者，一包含一熱源的電路可設置於該介電層之一表面且與該基材相對，而使該電路熱耦合於該介電層。此外，該介電層可配置為使該熱源產生之熱加速由該熱源排出。
該複數含碳顆粒可配合印刷電路板的特別使用與配置方式而有不同之粒徑。在其中一方面，例如該含碳顆粒之粒徑可小於約500微米(micron)。在另一方面，該含碳顆粒之粒徑可小於約300微米。在另外一方面，該含碳顆粒之粒徑可小於約50微米。此外，該介電層所包含之含碳顆粒的比例可隨特定印刷電路板之散熱需求及其他因素而變化，其他因素包括該介電層的厚度與該介電材料的不同性質。然而在其中一方面，該複數含碳顆粒可佔該介電層之約1體積百分比(vol%)至約90體積百分比。在另一方面， 該複數含碳顆粒可佔該介電層之約30體積百分比至約80體積百分比。
使用於該介電層中的介電材料可包含不同的介電材料，這些材料具有介電性質而可對電路提供電性絕緣效果。例如在其中一方面，該介電材料不限於以下材料，包括陶瓷材料、玻璃材料、聚合物材料以及上述材料之組合。可作為介電材料之陶瓷材料不限於以下例子，包括三氧化二鋁(Al2 O3 )、氧化鎂(MgO)、氧化鈹(BeO)、氧化鋅(ZnO)以及上述材料之組合。在其中一方面，陶瓷介電材料可包含三氧化二鋁。可作為介電材料之玻璃材料不限於以下例子，包括氧化鋰-三氧化二鋁-二氧化矽基(Li2 O-Al2 O3 -SiO2 based)材料、氧化鎂-三氧化二鋁-二氧化矽基(MgO-Al2 O3 -SiO2 based)材料、氧化鋰-氧化鎂-二氧化矽基(Li2 O-MgO-SiO2 based)材料、氧化鋰-氧化鋅-二氧化矽基(Li2 O-ZnO-SiO2 based)材料以及上述材料之組合。可作為介電材料之聚合物材料不限於以下例子，包括氨基樹脂(amino resins)、丙烯酸酯樹脂(acrylate resins)、醇酸樹脂(alkyd resins)、聚酯樹脂(polyester resins)、聚醯胺樹脂(polyamide resins)、聚胺甲酸酯樹脂(polyurethane resins)、酚醛樹脂(phenolic resins)、酚醛/膠乳樹脂(phenolic/latex resins)、環氧樹脂(epoxy resins)、異氰酸脂樹脂(isocyanate resins)、異氰尿酸樹脂(isocyanurate resins)、聚矽氧烷樹脂(polysiloxane resins)、反應性乙烯樹脂(reactive vinyl resins)、聚乙烯樹脂(polyethylene resins)、聚丙烯樹脂 (polypropylene resins)、聚苯乙烯樹脂(polystyrene resins)、苯氧樹脂(phenoxy resins)、二萘嵌苯樹脂(perylene resins)、聚碸樹脂(polysulfone resins)、丙烯-丁二烯-苯乙烯樹脂(acrylonitrile-butadiene-styrene resins)、丙烯酸樹脂(acrylic resins)、聚碳酸酯樹脂(polycarbonate resins)、聚醯亞胺樹脂(polyimide resins)以及上述材料之組合。
本發明另一方面提供一印刷電路板之散熱方法。該方法可包括提供一含有一熱源之電路，該電路係設置於一介電層之一表面。該介電層可包含設置於一介電材料中之複數含碳顆粒，以使電流通過該電路時，電路產生之熱可透過該介電層加速由該熱源排出。該電路相關之熱源可包括主動式與被動式熱源。主動式熱源之一實例可包含一發熱電子元件。此外，在其中一方面該含碳顆粒可為鑽石顆粒。
本發明另外一方面亦敘述一印刷電路板之散熱方法。該方法可包括啟動該熱源，以使該熱源產生之熱可透過該介電層加速由該熱源排出。
本發明再一方面提供一製造熱動態印刷電路板的方法。該方法可包含沈積一介電層於一基材，該介電層包含複數設置於一介電材料中之含碳顆粒。該方法亦包括形成一電路於該介電層上且相對於該基材。在某些方面，該方法可進一步包含熱耦合一熱源至該電路上。此外，在其中一方面該含碳顆粒可為鑽石顆粒。
該介電層可使用不同技術沈積於該基材上，所有不同技術皆被認為落入本發明之範圍中。在其中一方面，例如 沈積該介電層可進一步包含沈積複數含碳顆粒於一鋁基質上，該含碳顆粒係至少沿該鋁基質之一邊緣設置。該鋁基質隨後可沿該邊緣進行陽極氧化處理，以形成具有複數含碳顆粒之三氧化二鋁介電層。在某些方面該三氧化二鋁介電層的使用上，該鋁基質可為該基材。
在另一方面，沈積該介電層可進一步包含混合複數含碳顆粒於一介電材料中，以及設置該含有含碳顆粒之介電材料於該基材上。
許多種類的裝置可根據本發明的多種方面而製作。例如，在其中一方面提供具有改良散熱性質之發光二極體晶片及裝置。該裝置可包含一發光二極體，其係熱耦合於本發明所述之印刷電路板的電路上，以使該介電層係配置為使熱加速由該發光二極體移出。在另一實例中提供一具有改良散熱性質的熱動態印刷電路板。該裝置可包含一中央處理單元，其係熱耦合於本發明所述之印刷電路板上，以使該介電層係配置為使熱加速由該中央處理單元移出。
此外，在其中一方面提供一最小化熱累積的熱動態印刷電路板。該裝置可包含一鋁基質，其係具有複數設置於其中的鑽石顆粒以及一設置於該鋁基質之一表面的三氧化二鋁介電層，其中該介電層係實體耦合於該複數鑽石顆粒之一部分。一含有一熱源之電路可設置於該介電層上且相對於該鋁基質。該介電層因而配置為使該熱源產生之熱加速由該熱源排出。在其中一方面，該鑽石顆粒之一部分可部分凸出於該鋁基質之一表面且相對於該介電層。
此處已相當廣泛地敘述了本發明的不同特徵，因此有助於進一步了解後續之詳細說明，且可更深入地體會本發明對此技術領域之貢獻。本發明之其他特徵可於後續之詳細說明與申請專利範圍而更加清楚地呈現，亦可由本發明的實施例而得知。
 名詞定義
在描述及主張本發明時，下列名詞將會依據以下建立的定義來使用。
除非文中有另行清楚敘明，該單數形式「一」與「該」均包含了複數的指稱。因此，例如「一熱源」的指稱即包含一或多個該熱源，而「該介電層」的指稱即包含一或多個該層。
「熱傳送」、「熱移動」以及「熱傳輸」之用詞可交互替換使用，且意指熱由一高溫區域向一低溫區域的移動。其意欲使熱移動包含任何所屬技術領域具有通常知識者所熟知的熱傳輸機制，例如但不限於傳導、對流、輻射等。
本發明所使用的「印刷電路板」及「電路板」可用以描述任何電子裝置之晶片與封裝級結構的電路結構。在其中一方面，該電路板可包含一基材、一介電層以及傳導線路。
本發明所使用的「介電材料」係用以描述任何具有顯著電絕緣性質的材料。
本發明所使用的「動態」或「動態地」或「熱動態」 意指一種材料特性，其中該材料在傳送能量時係為主動的(active)。一般而言，該動態材料在傳送熱能時係為主動的。
本發明所使用的「熱源」意指一種裝置或物件，其具有較鄰近區域更高的熱能或熱量。在印刷電路板中，例如熱源可為較鄰近區域更熱的任何板中區域。熱源可包含任何運作中產生熱作為副產品的裝置(即為下文中的「主要熱源」或「主動熱源」)，以及在傳送熱能時會被加熱的物件(即為下文中的「次要熱源」或「被動熱源」)。主要或主動熱源的實例不限於以下例子，包括中央處理單元(CPU)、導電線路(electrical trace)、發光二極體(LED)等。次要或被動熱源的實例不限於以下例子，包括散熱器、散熱片等。
本發明所使用的「傳導性線路(conductive trace)」及「傳導線路(conduction trace)」意指印刷電路板上的傳導路徑，其可傳導熱、電或上述兩者。
「陶瓷」用詞意指非金屬及金屬或半金屬元素的化合物，其原子間的鍵結主要為離子性。陶瓷亦包含金屬陶瓷(cermet)材料。
本發明所使用的「顆粒」及「細粒(grit)」可交互替換使用，且當與含碳材料連結使用時，意指為該材料的顆粒形態。該顆粒或細粒可具有不同的形狀，包括圓形、長橢圓形(oblong)、方形、自形(euhedral)等，以及具有特定的篩網目數大小。由於已為此技術領域中所熟知的技 術，「篩網目數(mesh)」意指在美國篩網目數標準中單位面積的篩網目數。本發明所指的所有篩網目數大小皆為依據美國篩網目數標準，除非有另行指明。再者，篩網目數大小一般被理解為意指一組特定顆粒的平均篩網目數大小，因為在一特定「篩網目數大小」範圍中的每一顆粒實際上可能在一微小的大小分布中變化。
本發明所使用的「氣相沈積(vapor deposition)」意指一透過氣相而沈積材料於一基材上的製程。氣相沈積製程可包括但不限於下列製程如化學氣相沈積(CVD)與物理氣相沈積(PVD)。各種氣相沈積方法的廣泛變化均可為所屬技術領域具有通常知該識者所實施。氣相沈積方法的實例包括熱燈絲化學氣相沈積(hot filament CVD)、射頻等離子化學氣相沈積(rf-CVD)、雷射化學氣相沈積(laser CVD,LCVD)、有機金屬化學氣相沈積(metal-organic CVD,MOCVD)、濺鍍(sputtering)、熱蒸發物理氣相沈積(thermal evaporation PVD)、離子化金屬物理氣相沈積(ionized PVD,IMPVD)、電子束物理氣相沈積(electron beam PVD,EBPVD)、反應性物理氣相沈積(reactive PVD)、原子層沈積(atomic layer deposition,ALD)及其他類似方法。
本發明所使用的「化學氣相沈積」(CVD)意指以氣相形態化學沈積鑽石顆粒於一表面之任何方法。不同的CVD技術已於所屬技術領域所熟知。
本發明所使用的「物理氣相沈積」(PVD)」意指以氣相形態物理沈積鑽石顆粒於一表面之任何方法。不同的PVD 技術已於所屬技術領域所熟知。
本發明所使用的「含碳(carbonaceous)」意指主要由碳原子所製成的任何材料。碳原子已知有不同的鍵結配置或「同素異形體(allotrope)」，包括平面、扭曲四面體(distorted tetrahedral)及四面體鍵結配置，如同此領域先前技術，此鍵結配置決定所生成的特定材料，如石墨、類鑽碳(diamond-like carbon)或非晶形(amorphous)鑽石及純鑽石。在其中一方面，該含碳材料可為鑽石。
本發明所使用的「鑽石」意指一碳原子的結晶結構，其中碳原子係以一四面體配位之晶格彼此鍵結，即已知之sp3 鍵結。特別是，各碳原子皆為四個其他之碳原子所環繞與鍵結，且位於一規則四面體的尖端。鑽石的結構與本質，包括其物理與電子性質均為所屬技術領域中所熟知。
本發明所使用的「類鑽碳」(diamond-like carbon)意指一含碳材料，其係以碳原子作為其主要元素，且有顯著量的碳原子以扭曲四面體配位鍵結。類鑽碳(DLC)一般可由物理氣相沈積(PVD)製程所形成，雖然化學氣相沈積(CVD)或其他氣相沈積製程亦可使用。值得留意的是，多種不同元素可包含於該類鑽碳材料中以作為雜質或摻雜物(dopant)，該元素不限於下列元素，包括氫(hydrogen)、硫(sulfur)、磷(phosphorous)、硼(boron)、氮(nitrogen)、矽(silcon)與鎢(tungsten)等。
本發明所使用之與印刷電路板相關的「沈積」意指沿著該印刷電路板外表面之至少一部分的區域，其已與一熱 傳導材料層緊密接觸因而已達成熱耦合。在某些方面，該沈積材料可為實質上覆蓋該印刷電路板整個表面的一層。在其他方面，該沈積材料可為僅覆蓋該印刷電路板表面之一部分的一層。
本發明所使用的用詞「實質上(substantially)」意指動作、特徵、性質、狀態、結構、物品或結果達到完全或接近完全的程度。例如一物品「實質上」為封閉，意指該物品完全封閉或接近完全封閉。在某些狀況中，其相較於絕對完全真確上可允許的偏差程度取決於特定的文意關係。然而，一般而言該完全的接近程度將會與達到絕對及全然地完全時有同樣的結果。「實質上」同樣可使用於負面的意涵，代表完全地或接近完全地缺乏動作、特徵、性質、狀態、結構、物品或結果。例如，一組成中「實質上不具有」顆粒，即指完全不具有顆粒，或是接近完全不具有顆粒以致於其效果與完全不具有顆粒時相同。換言之，當一組成中「實質上不具有」某成分或元素時，只要不會產生可量測出的效應，實際上組成中仍可含有該成分或元素。
本發明所使用的用詞「約」係藉由提供一特定值可「稍微高於」或「稍微低於」數值範圍的端點，而為數值範圍的端點提供彈性。
本發明所使用的複數個物品、結構元件、組成成分及/或材料，為方便起見可以一般表列的方式呈現。然而，這些表列應被解釋為表列中的每一元件均被視為一分離且獨 特的物件。因此，該表列中的個別元件不應僅基於其被呈現於共同群組中且無對相反情況作出指示，即被解釋為同一表列任何其他物件實際上的均等物。
濃度、數量與其他數值資料可以用範圍的形式來表示或呈現。該範圍形式僅因其便利性與簡潔性而被使用，因此其應被彈性解釋為非僅包含範圍界限所明示描述之數值，且亦包含該範圍所含括之所有個別數值或次範圍，有如個別數值或次範圍被明示描述一般。舉例而言，一數值範圍「約1至約5」應被解釋為非僅包含明示描述之約1至約5，亦應包含該數值範圍中所含括的個別數值與次範圍。 因此，該數值範圍包含了個別數值如2、3與4以及次範圍如由1至3、由2至4與由3至5等，還有個別之1、2、3、4與5。
同樣的原則亦應用在僅描述一數值作為最小值或最大值的範圍。再者，無論所描述之範圍的廣度或特徵大小，這樣的解釋應一體適用。
本發明
一種已被探討用於散熱裝置的可能材料係為鑽石。鑽石相較於任何其他材料可更為快速地帶走熱。鑽石在室溫下的熱傳導係數(約2000W/mK)較銅(約400W/mK)高了約5倍，較鋁(250W/mK)高了約8倍，上述兩者為一般使用的最快速熱傳導體。再者，鑽石的熱擴散系數(12.7cm2 /sec)係為銅(1.17cm2 /sec)或鋁(0.971cm2 /sec)的11倍。鑽石帶走而不會儲存熱的性質使鑽石在散熱的用途上成為理想 的材料。
近年來鑽石散熱器已用於使高功率雷射二極體的散熱，例如雷射二極體用來提高光纖中的光能。然而，大面積的鑽石非常昂貴；因此，鑽石尚未商業上用於散布由中央處理單元、發光二極體及其他一般電子元件所產生的熱。
許多鑽石散熱裝置係由化學氣相沈積(CVD)形成的鑽石薄膜所製成。CVD鑽石薄膜的高昂造價抑制了鑽石散熱器的廣泛使用，除了某些應用(例如高功率雷射二極體)中僅需要小面積或是未有其他有效的散熱器可供使用。此外，CVD鑽石薄膜常為非常薄，而可能無法抵抗由於熱膨脹係數無法與下層表面匹配而產生的熱應力。
為了克服這些限制，具有高熱傳導係數的含碳顆粒包含鑽石材料，已被發現可設置於介電材料中且塗覆於印刷電路板或其他電子裝置表面，以加速熱由熱點傳出。因此，印刷電路板可藉由加速熱側向傳過電路板表面，以及當熱側向傳遞時加速熱傳向空氣中，而使印刷電路板有效冷卻。
因此，本發明提供熱動態電子電路裝置，其具有含碳材料而可有效散熱，因而不會遭受上述的許多問題。在其中一方面，例如提供一種最小化熱累積的熱動態印刷電路板裝置。該裝置可包含一設置於一基材之一表面的介電層，其中該介電層包含複數設置於一介電材料中的含碳顆粒。該裝置可進一步包含一熱源，其含有設置於該介電層之一表面的電路且與該基材相對。該電路與熱源係熱耦合於該介電層，且因而該介電層係配置為使該熱源產生之熱 加速由該熱源排出。
應提到的是，已為所屬技術領域中具有通常知識者所知之任何形式熱源，且可將熱導入印刷電路板或其他電子裝置者，均被認為落入本發明的範圍中。在其中一方面，該熱源可為一主動熱源，例如可為一發熱電子元件。該元件不限於以下例子，可包括電阻器、電容器、電晶體、處理單元包括中央與圖形處理單元、發光二極體、雷射二極體、濾波器等。熱源亦可包括印刷電路板中具有高傳導線路密度的區域，以及接受由一熱源傳來之熱的區域，而該熱源未與印刷電路板有實體接觸。其亦可包含有實體接觸的熱源，但不被認為與印刷電路板結合為一體。此實例可為一主機板，其具有一與之耦合的子板，而熱係由子板傳送至主機板上。
不論熱源為何，存在於印刷電路板中之熱的傳送可透過設置於介電層中的含碳顆粒加速由熱源排出。應提到的是，本發明並未限定於特定的熱傳輸原理。如上所述，在其中一方面該熱由熱源排出的加速移動有部分至少可由於側向透過該複數含碳顆粒而熱移動。由於鑽石與其他含碳材料的熱傳導性質，熱可透過該含碳顆粒快速側向散布並通過印刷電路板的表面。該熱的加速傳輸可導致具有相當低運作溫度的印刷電路板。
該由一熱源排出之熱傳送的加速不僅冷卻該印刷電路板，亦可降低許多電子元件的熱負載，其係主要由印刷電路板周遭的空氣所冷卻。例如，一具有外部散熱片與風扇 的中央處理單元(CPU)可能需要較少的外部冷卻，因為經由CPU插槽通過印刷電路板的熱傳輸得到改善。
如上所述，含碳材料可用以使熱快速傳輸而由熱源排出。可被設置於一介電層中，且用以使熱傳輸而由熱源排出的含碳顆粒粒徑可依據本發明的某些方面而被使用。在其中一方面，然而該含碳顆粒之粒徑可小於約500微米。 在另一方面，該含碳顆粒之粒徑可小於約300微米。在另外一方面，該含碳顆粒之粒徑可小於約50微米。此外，該設置於介電層中之複數含碳顆粒可具有相同或相似的粒徑，或亦有不同的粒徑。藉由使用不同粒徑的含碳顆粒，例如使較小的顆粒填充於較大顆粒間之空間，而使含碳顆粒在介電層中的密度增加。藉由使含碳顆粒在介電層中的密度增加，可使含碳顆粒間的部分或全部接觸程度增加，因而熱傳送應相似地增加。然而應提到的是，複數含碳顆粒間的接觸程度可因特定印刷電路板而改變，取決於電子裝置的預期用途以及特定應用所欲的散熱程度。
在其中一方面，例如顆粒間非常高的接觸程度可能為所需要的。該顆粒間之高接觸程度可藉由使用具有一致粒徑與形狀的含碳顆粒而達成，例如採用立方體形狀可容許有效的堆積。如要進一步增加接觸程度，較小的含碳顆粒可設置於較大顆粒間的間隙或空間中。在另一方面，當需要較低的散熱程度時，可於介電層中設置較低比例的含碳顆粒。在某些情況下，顆粒間可能僅有極少的接觸。在另外一方面，含碳顆粒的粒徑及/或形狀之分布可配置於介電 材料中以形成介電層。因此，介電層中含有的含碳顆粒量可能會有顯著的變化。例如在其中一方面，該複數含碳顆粒可佔該介電層之約1體積百分比(vol%)至約90體積百分比。在另一方面，該複數含碳顆粒可佔該介電層之約30體積百分比至約80體積百分比。
如上所述，該介電層係為一含有複數含碳顆粒的介電材料層。該介電材料對設置於電路上的該介電層提供電絕緣性質，而同時結合該複數含碳顆粒於電路板上以容許有效之熱移動。該介電層可因而塗覆於該印刷電路板上的不同部分，取決於下列因素如該電路板的預期用途、該電路板可達到的可能溫度、製造成本等。如下將進一步討論的是，該介電層可塗覆於該印刷電路板的一部分、一側或兩側。該介電層可設置於一表面的全部或只有部分。例如，該介電層可實質上設置於該基材設置有電路之整個表面。 此配置對於使用導電材料如金屬作為基材時可能特別重要。再者，一額外之介電層可設置於該基材之一相對於該主要介電層的表面。
此外，類鑽碳材料可選擇性地使用以幫助熱由一熱源傳出。在其中一方面，例如一類鑽碳層可設置於該基材之一表面，該表面係相對於設置該介電層之表面。該類鑽碳層可有利於熱直接移往空氣。該層的厚度可隨特定應用的冷卻需求而變化。亦即在其中一方面，該類鑽碳層為約0.1微米至約50微米厚。在另一方面，該類鑽碳層為約0.1微米至約10微米厚。使用類鑽碳層以冷卻印刷電路板的進一 步細節可發現於美國專利申請第11/201,771號，其係於2005年8月10號提出申請且以參考文件的形式結合於本發明中。
關於類鑽碳層，已知有數種特定方法及技術可沈積於一基材上，包括物理氣相沈積(PVD)及化學氣相沈積(CVD)。本發明可使用任何合適的沈積製程來製造類鑽碳層。再者，特定的沈積條件可用以調整沈積材料的精確種類，無論是類鑽碳、非晶形碳或純鑽石。在一實施例中，類鑽碳層可透過PVD濺鍍製程來沈積於印刷電路板上。在另一實施例中，類鑽碳層可藉由熱蒸發PVD製程來沈積。
各種不同的介電材料可使用於該介電層中，取決於電路板的本質與預期用途。重要的是該介電材料可對於設置其上的電路產生電絕緣效果。任何已知介電材料均可使用且不限於以下例子，包括陶瓷材料、玻璃材料、聚合物材料以及上述材料之組合。其中一方面，有效之陶瓷材料不限於以下例子，包括三氧化二鋁(Al2 O3 )、氧化鎂(MgO)、氧化鈹(BeO)、氧化鋅(ZnO)以及上述材料之組合。在其中特定一方面，該陶瓷材料可包含三氧化二鋁。在另一方面，玻璃材料不限於以下例子，包括氧化鋰-三氧化二鋁-二氧化矽基(Li2 O-Al2 O3 -SiO2 based)材料、氧化鎂-三氧化二鋁-二氧化矽基(MgO-Al2 O3 -SiO2 based)材料、氧化鋰-氧化鎂-二氧化矽基(Li2 O-MgO-SiO2 based)材料、氧化鋰-氧化鋅-二氧化矽基(Li2 O-ZnO-SiO2 based)材料以及上述材料之組合。在另外一方面，有效之聚合物材料不限於以下例子， 包括氨基樹脂(amino resins)、丙烯酸酯樹脂(acrylate resins)、醇酸樹脂(alkyd resins)、聚酯樹脂(polyester resins)、聚醯胺樹脂(polyamide resins)、聚胺甲酸酯樹脂(polyurethane resins)、酚醛樹脂(phenolic resins)、酚醛/膠乳樹脂(phenolic/latex resins)、環氧樹脂(epoxy resins)、異氰酸脂樹脂(isocyanate resins)、異氰尿酸樹脂(isocyanurate resins)、聚矽氧烷樹脂(polysiloxane resins)、反應性乙烯樹脂(reactive vinyl resins)、聚乙烯樹脂(polyethylene resins)、聚丙烯樹脂(polypropylene resins)、聚苯乙烯樹脂(polystyrene resins)、苯氧樹脂(phenoxy resins)、二萘嵌苯樹脂(perylene resins)、聚碸樹脂(polysulfone resins)、丙烯-丁二烯-苯乙烯樹脂(acrylonitrile-butadiene-styrene resins)、丙烯酸樹脂(acrylic resins)、聚碳酸酯樹脂(polycarbonate resins)、聚醯亞胺樹脂(polyimide resins)以及上述材料之組合。
再者，該介電層的厚度可隨下列因素而變化，如所使用的含碳顆粒粒徑及本質以及電路板的本質及預期用途。 然而在其中一方面，該介電層可為約1微米至約500微米厚。在另一方面，該介電層可為約500微米至約1000微米厚。在另外一方面，該介電層可為小於100微米厚。在進一步方面，該介電層可為小於約300微米厚。
如上所述，該介電材料係用以耦合該含碳顆粒至該基 材上，以對於設置其上的電路提供電性絕緣。因此，各種不同基材材料可用以形成電路板的結構，無論該材料的介電本質。例如，該基材可為金屬材料如鋁。藉由設置一電路於該介電層上，基材材料如金屬可被使用以製造不同電子裝置。除了金屬外，不同的陶瓷及聚合物材料亦可作為基材。該材料為所屬技術領域所熟知，且可隨電路板的本質與預期用途而變化。
如第一圖所示，其係顯示一具有一介電層(12)的印刷電路板，該介電層(12)含有複數設置於一介電材料(16)中的含碳顆粒(14)。該介電層(12)係設置於一基材(18)上以得到支撐。如上所述，由於該介電層(12)的絕緣性質，該基材可為任何已知的支撐性材料，包括傳導或非傳導材料。一電路(20)係設置於該介電層(12)上。該電路(20)可熱耦合於一熱源(22)。因此，該熱源(22)與該電路(20)所產生之熱可傳導至下方的介電層(12)以及含碳顆粒(14)中。該含碳顆粒(14)透過該介電層(12)將熱側向散布至該基材(18)以及周遭的較冷區域包括空氣。
沈積電路及電路元件的方法已為所屬技術領域所熟知，且所屬技術領域中具有通常知識者可立即迅速了解本發明所揭示的方法。已了解到可選擇特定介電材料以有利於電路的沈積。例如，電路可迅速沈積於三氧化二鋁上以形成一電路板，其在傳導線路及其他電路元件間具有良好絕緣性質。
已考慮到各種不同的熱源可依據本發明的不同方面而 冷卻。例如，該熱源可為一中央或圖形處理單元、一發光二極體、一電射二極體、一濾波器如表面聲波濾波器等。 在其中一方面，例如提供一具有改良散熱性質的發光二極體裝置。該裝置可包含一發光二極體，其係熱耦合於一如本發明所述之裝置的電路上。因此，該介電層係配置為使熱加速由該發光二極體移出。因為發光二極體在電子與發光元件中更行重要，發光二極體仍持續發展而不斷增加其功率需求。此增加功率需求的趨勢已為這些裝置帶來冷卻問題。這些冷卻問題可因為這些裝置的典型微小尺寸而更加惡化，進而導致傳統鋁散熱片因其體積龐大的本質而無法發揮作用。藉由依據本發明的多種方面來冷卻發光二極體，可在非常高的功率下仍達到合適的冷卻效果，且亦維持發光二極體的微小封裝體積。
在另一方面提供一具有改良散熱性質的熱動態印刷電路板。該裝置可包含一中央處理單元，其係熱耦合於本發明所述之裝置的電路上。因此，該介電層係配置為使熱加速由該中央處理單元移出。
應提到的是，雖然第一圖描繪了單層的含碳顆粒且其直接互相接觸，該介電層的許多配置均為可能且皆被認為落入本發明的範圍中。例如，第二圖顯示本發明的其中一方面，其中該介電層(12)係包含複數列的含碳顆粒(14)於該介電材料(16)中。雖然第二圖顯示兩列的含碳顆粒(14)，但應提到的是任何列數的顆粒均被考慮。此外，該含碳顆粒可排列於該介電層中，並以較第二圖所示的配置 更為不均勻的方式排列。此外，雖然所顯示為相似的顆粒粒徑，不同粒徑的顆粒亦可被使用。
如第三圖所示，在某些方面一額外之介電層(24)可設置於一相對於該介電層(12)之表面。該配置可有利於該電路板由至少兩側冷卻，因此可更有效地加速熱由該熱源(22)排出。一額外之介電層(24)可含有設置於如上所述之介電材料(16)中的含碳顆粒(14)，或該額外之介電層(24)可不含有含碳顆粒(14)而僅由該介電材料所構成(未顯示)。再者，電路與電路元件亦可沈積於該額外之介電層上(未顯示)。
如第四圖所示，在某些方面一類鑽碳層(26)可設置於該基材(18)相對於該介電層(12)之一表面。如上所述，該類鑽碳層可有利於熱由該基材(18)移至空氣中。
在本發明的其他方面提供各種不同印刷電路板的製造及散熱方法。例如在其中一方面，一印刷電路板的散熱方法可包括提供一含有一熱源之電路，該電路係設置於一介電層之一表面。該介電層可包含複數設置於一介電材料中之含碳顆粒，以使電流通過該電路時，電路產生之熱可透過該介電層加速由該熱源排出。
在另一方面提供一熱動態印刷電路板的製造方法。該方法可包含沈積一介電層於一基材上，該介電層可包含複數設置於一介電材料中之含碳顆粒。一電路可隨後形成於該介電層上且相對於該基材。在另一方面，一熱源可熱耦合於該電路上。
各種不同沈積一介電層於一基材上的方法亦被考慮。 該方法可隨該介電層中所使用之介電材料的本質而變化。 例如在其中一方面，該複數含碳顆粒混合於一介電材料中。隨後，該含有含碳顆粒之介電材料可設置於該基材上以形成該介電層。該沈積可藉由所屬技術領域具有通常知識者所知的技術來達成，包含壓刀鑄造(knife casting)、噴鍍(spraying)等。該介電材料可容許被硬化，或是其可被加熱或在一催化劑存在下反應，取決於該材料的本質。 在一類似方面，含碳顆粒可沈積於該基材上且一介電材料可設置其上。在此情況下，一模具可有助於在施用及固化時固定該鑽石及介電材料。
在本發明的另一方面，一金屬基材的一部分可被轉換為該介電層。在此方法中，該複數含碳顆粒可設置於一金屬基質如鋁上。該複數含碳顆粒應至少沿該鋁基質之一邊緣設置。在其中一方面，如第五圖所示，該含碳顆粒(14)可遍布該鋁基質(28)設置。如第六圖所示，該鋁基質(28)可沿該含有含碳顆粒(14)之邊緣進行陽極氧化處理，以形成具有複數含碳顆粒(14)之三氧化二鋁介電層(30)。因此該含有含碳顆粒(14)的介電層(12可由該內嵌有含碳顆粒之基材所形成。在此方式中，一具有高絕緣特性及高熱傳導係數的介電層可用以冷卻該電路板。隨後，電路(20)及熱源(22)可設置於該介電層(12)上。再者，在某些方面，熱向空氣的發射可得利於使該含碳顆粒(32)暴露於該金屬基質(28)相對於電路的表面。在此方式中，穿過該複數含 碳顆粒的熱可進一步透過該顆粒的暴露部分而傳送至空氣中。任何暴露方法均被認為落入本發明的範圍中，不限於以下例子包括噴砂(grit blasting)、化學浸蝕(chemical erosion)、研磨(abrading)等。
實施例
下列實施例說明依據本發明各種方面來製造熱動態印刷電路板的不同技術。然而，應理解的是以下所述的內容僅為本發明的原理應用的示範或說明。許多的修改與不同的組成物、方法與系統可由所屬技術領域具有通常知識者在不偏離本發明的精神與範圍下而設計出來。附加的申請專利範圍意欲包含如此的修改與安排。因此，雖然本發明已於上述內容中特定地描述，下列例實施例將提供進一步的細節以與本發明的數個特定實施例產生連結。
實施例1
45/50美國篩網目數(US mesh)的鑽石顆粒經過酸洗並置放於一模具中。液態鋁以鑽石顆粒佔30-80體積百分比的比例倒入該模具中並於10-500MPa的壓力下進行。該鑽石/鋁組成物的厚度係大於0.5毫米，取決於該鑽石顆粒的粒徑。該鑽石/鋁組成物而後藉由熱水(~100℃)與冷水(<10℃)進行陽極氧化處理。結果形成一鑽石/鋁介電層於鑽石/鋁組成物的上部。
實施例2
一鑽石/鋁介電層係以如實施例1所述的方式製成，除了使用140/170美國篩網目數(US mesh)的鑽石顆粒。
實施例3
一鑽石/鋁介電層係以如實施例1所述的方式製成，除了使用兩種以上粒徑的鑽石顆粒以改善堆積密度或固體含量。更高的堆積密度或固體含量可提高介電層的熱傳導係數。
實施例4
一鑽石/鋁介電層係以如實施例1所述的方式製成，除了該鑽石顆粒預先塗覆矽(Si)、鈦(Ti)、鎢(W)或鉻(Cr)以改善鑽石與鋁基質間的結合強度。
實施例5
複數鑽石顆粒係排列於一矽基材之表面，且該基材係置放於一模具中。液態鋁倒入該模具中並於10-500MPa的壓力下進行。該鑽石/鋁組成物藉由熱水(~100℃)與冷水(<10℃)進行陽極氧化處理。結果形成一鑽石/鋁介電層於鑽石/鋁/矽組成物的上部。
實施例6
具有如實施例5所述之鑽石/鋁介電層的電路板係用於晶片尺寸封裝(chip scale package)，其可包含晶片在板(chip-on-board)封裝或系統在板(system-on-board)封裝。該裝置可直接與半導體晶片接觸而改善許多高功率晶片的所有熱問題。
當然，應理解的是上述的安排僅用以說明本發明理論的應用。許多的修改與其他的安排可由熟悉該項技術者在不偏離本發明的精神與範圍下所設計出來，且附加的申請 專利範圍意欲包含如此的修改與安排。因此，當本發明已於上述內容中特定與詳盡地描述，以與目前被認為是本發明之最實際與最佳的實施例產生連結時，以下所述的內容對於所屬技術領域具有通常知識者將為明顯的：在不偏離本發明的精神與理論下所進行修改不限於以下所述，包括尺寸、材料、形狀、形式、功能以及操作、組合與結合之方式的改變。
(12)‧‧‧介電層
(14)‧‧‧含碳顆粒
(16)‧‧‧介電材料
(18)‧‧‧基材
(20)‧‧‧電路
(22)‧‧‧熱源
(24)‧‧‧介電層
(26)‧‧‧類鑽碳層
(28)‧‧‧鋁基質
(30)‧‧‧三氧化二鋁介電層
(32)‧‧‧含碳顆粒
第一圖係為本發明一實施例之印刷電路板的剖面圖。
第二圖係為本發明另一實施例之印刷電路板的剖面圖。
第三圖係為本發明再一實施例之印刷電路板的剖面圖。
第四圖係為本發明又一實施例之印刷電路板的剖面圖。
第五圖係為本發明另一實施例之印刷電路板的剖面圖。
第六圖係為本發明再一實施例之印刷電路板的剖面圖。
(12)‧‧‧介電層
(14)‧‧‧含碳顆粒
(16)‧‧‧介電材料
(18)‧‧‧基材
(20)‧‧‧電路
(22)‧‧‧熱源

Claims (17)

  1. 一種印刷電路板裝置，其包含：一設置於一基材之一表面的介電層，該介電層包含複數設置於一介電材料中的含碳顆粒；以及一包含一熱源的電路，該電路係設置於該介電層之一表面並與該基材相對，且熱耦合於該介電層，該介電層係配置為使該熱源產生之熱加速由該熱源排出；其中該介電材料選自由陶瓷材料、玻璃材料、聚合物材料以及上述材料之組合所構成之群組；其中該玻璃材料選自由氧化鋰-三氧化二鋁-二氧化矽基(Li2 O-Al2 O3 -SiO2 based)材料、氧化鎂-三氧化二鋁-二氧化矽基(MgO-Al2 O3 -SiO2 based)材料、氧化鋰-氧化鎂-二氧化矽基(Li2 O-MgO-SiO2 based)材料、氧化鋰-氧化鋅-二氧化矽基(Li2 O-ZnO-SiO2 based)材料以及上述材料之組合所構成之群組；其中一額外之介電層係設置於該基材相對於該介電層之一表面。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之印刷電路板裝置，其中該含碳顆粒之粒徑係小於500微米(micron)。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之印刷電路板裝置，其中該含碳顆粒之粒徑係小於300微米。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之印刷電路板裝置，其中該含碳顆粒之粒徑係小於50微米。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之印刷電路板裝置，其 中該含碳顆粒係為鑽石顆粒。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之印刷電路板裝置，其中該陶瓷材料選自由三氧化二鋁(Al2 O3 )、氧化鎂(MgO)、氧化鈹(BeO)、氧化鋅(ZnO)以及上述材料之組合所構成之群組。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之印刷電路板裝置，其中該陶瓷介電材料包含三氧化二鋁。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之印刷電路板裝置，其中該聚合物材料選自由氨基樹脂(amino resins)、丙烯酸酯樹脂(acrylate resins)、醇酸樹脂(alkyd resins)、聚酯樹脂(polyester resins)、聚醯胺樹脂(polyamide resins)、聚胺甲酸酯樹脂(polyurethane resins)、酚醛樹脂(phenolic resins)、酚醛/膠乳樹脂(phenolic/latex resins)、環氧樹脂(epoxy resins)、異氰酸脂樹脂(isocyanate resins)、異氰尿酸樹脂(isocyanurate resins)、聚矽氧烷樹脂(polysiloxane resins)、反應性乙烯樹脂(reactive vinyl resins)、聚乙烯樹脂(polyethylene resins)、聚丙烯樹脂(polypropylene resins)、聚苯乙烯樹脂(polystyrene resins)、苯氧樹脂(phenoxy resins)、二萘嵌苯樹脂(perylene resins)、聚碸樹脂(polysulfone resins)、丙烯-丁二烯-苯乙烯樹脂(acrylonitrile-butadiene-styrene resins)、丙烯酸樹脂(acrylic resins)、聚碳酸酯樹脂(polycarbonate resins)、聚醯亞胺樹脂(polyimide resins)以及上述材料之組合所構成之群組。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之印刷電路板裝置，其 中該介電層之厚度係1微米至500微米。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之印刷電路板裝置，其中該基材係為一金屬材料。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之印刷電路板裝置，其中該金屬材料係為鋁。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之印刷電路板裝置，其中該基材係為陶瓷材料。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之印刷電路板裝置，其中該基材係為聚合物材料。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之印刷電路板裝置，其中該介電層係設置於至少實質上該基材設置有該電路之全部。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之印刷電路板裝置，其中該複數含碳顆粒係佔該介電層之1體積百分比(vol%)至90體積百分比。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之印刷電路板裝置，其中該複數含碳顆粒係佔該介電層之30體積百分比至80體積百分比。
  17. 一種印刷電路板裝置，其包含：一設置於一基材之一表面的介電層，該介電層包含複數設置於一介電材料中的含碳顆粒；以及一包含一熱源的電路，該電路係設置於該介電層之一表面並與該基材相對，且熱耦合於該介電層，該介電層係配置為使該熱源產生之熱加速由該熱源排出； 其中該介電材料選自由陶瓷材料、玻璃材料、聚合物材料以及上述材料之組合所構成之群組；其中該玻璃材料選自由氧化鋰-三氧化二鋁-二氧化矽基(Li2 O-Al2 O3 -SiO2 based)材料、氧化鎂-三氧化二鋁-二氧化矽基(MgO-Al2 O3 -SiO2 based)材料、氧化鋰-氧化鎂-二氧化矽基(Li2 O-MgO-SiO2 based)材料、氧化鋰-氧化鋅-二氧化矽基(Li2 O-ZnO-SiO2 based)材料以及上述材料之組合所構成之群組；其中，一類鑽碳層設置於該基材相對於該介電層之一表面。
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