TWI431727B - 用於承載電子元件之載板結構及其製作方法 - Google Patents

Description

用於承載電子元件之載板結構及其製作方法

本發明係關於一種承載電子元件之載板結構及其製造方法，尤指一種以類鑽碳(DLC，Diamond－Like carbon)所形成之高導熱性電路載板結構。

近年來由於電子產業的蓬勃發展，電子產品需求漸增，因此電子產品亦進入發展多功能、高效能等方向。然而，具可攜式之電子產品種類日漸眾多，電子產品的體積與重量也越來越小，因此在電子產品中之電路載板亦隨之變小。由此，相對應而生的是電路載板散熱之問題。

現今常使用之元件如LED由於發光亮度夠高，因此可廣泛應用於顯示器背光源、小型投影機、以及照明等各種電子裝置中。然而，由於目前LED的輸入功率有將近80%的能量會轉換成熱能，當無法適時有效地散熱時，會使LED元件界面溫度升高，進一步影響發光強度及產品壽命週期。因此，欲改善此問題，須在電路載板製造階段需優先解決散熱等問題。

如圖1所示，美國專利第5,907,189號揭露一種具有鑽石層之元件承載基板結構，其係在陶瓷基板800的表面上形成鑽石層802，而半導體元件810藉由黏接材料812設置於鑽石層802上，且利用焊線806及鑽石層上之通孔808與陶瓷基板800電性連接。然而，由於習知之半導體元件封裝使用陶瓷 基板作為半導體元件的承載基板，因此仍有散熱不佳的問題，當元件無法將長時間運作所產生的熱能有效地排除時，則會影響元件的使用壽命或效能。

因此，如何提高一種元件承載基板，其可增加元件的散熱效率，實為重要的課題之一。

有鑑於上述課題，本發明的目的是在提供一種用於承載電子元件之載板結構及其製造方法，其可將電子元件產生的熱能有效地排除，因此改善元件的使用壽命及效能。

為達上述目的或其他目的，本發明提供一種載板結構，包括一導熱基板、一第一陶瓷層、一導熱絕緣層及一導電圖案。導熱基板具有上表面及下表面，第一陶瓷層係配置在上表面之上，導熱絕緣層係配置於第一陶瓷層之上，而導電圖案係形成於導熱絕緣層之表面上。

根據本發明較佳實施例所述之載板結構，其中導熱基板係包括金屬或半導體基板，包括鋁、銅、鍺、或砷化鍺其中之一。

根據本發明較佳實施例所述之載板結構，更包括有一黏接層形成於導電圖案上，其中黏接層包括鎳、金、錫、錫合金及其組合，而電子元件係藉由黏接層與導電圖案電性連接，電子元件為晶片或半導體元件。

根據本發明較佳實施例所述之載板結構，更包括一第二陶瓷層形成於導熱基板之下表面，其中第一及第二陶瓷層之材料包括氧化物、硼化物、碳化物及其組合。

根據本發明較佳實施例所述之載板結構，更包括一焊料層形成於第二陶瓷層上，而一散熱元件係連接於焊料層上。

根據本發明較佳實施例所述之載板結構，更包括一金屬中間層形成於焊料層與第二陶瓷層之間，其材質包括鉻、銅、鎳、金、銀及其合金。

根據本發明較佳實施例所述之載板結構，其中導熱絕緣層係包括類鑽碳膜或鑽石膜，類鑽碳膜具有一摻雜物，包括氟、矽、氮、硼及其混合。其中氟或矽含量為1至40atom%，較佳為5－20 atom%，而氮或硼含量為1－20 atom%，較佳為5－10 atom%。

根據本發明較佳實施例所述之載板結構，其中導熱絕緣層的厚度為0.1至30μm。

本發明另提供上述載板結構之製作方法，包括提供一導熱基板，導電基板具有上表面及下表面；形成第一陶瓷層於導熱基板之上表面、形成一導熱絕緣層於第一陶瓷層之上；形成一導電層於導熱絕緣層上，以及部分移除導電層以形成一導電圖案於導熱絕緣層上。

根據本發明較佳實施例所述之載板結構之製作方法，其中導熱基板係包括金屬或半導體基板，包括鋁、銅、鍺、或砷化鍺其中之一。

根據本發明較佳實施例所述之載板結構之製作方法，更包括提供一第二陶瓷層於導熱基板之下表面，而形成第一及第二陶瓷層之方法包括陽極氧化法或熱處理法。

根據本發明較佳實施例所述之載板結構之製作方法，更包括形成一焊料層於第二陶瓷層上。

根據本發明較佳實施例所述之載板結構之製作方法，更包括提供一金屬中間層於焊料層與第二陶瓷層之間。

根據本發明較佳實施例所述之載板結構之製作方法，更包括提供一散熱元件連接於焊料層，且散熱元件係藉由焊料層與第二陶瓷層連結。

根據本發明較佳實施例所述之載板結構之製作方法，其中導熱絕緣層包括類鑽碳膜或鑽石膜，類鑽碳膜具有一摻雜物，包括氟、矽、氮、硼及其混合，其中氟或矽含量為1至40 atom%，較佳為5－20 atom%，而氮或硼含量為1－20 atom%，較佳為5－10 atom%。

根據本發明較佳實施例所述之載板結構之製作方法，其中形成導熱絕緣層之方法包括化學氣相沉積法，而導熱絕緣層之厚度為0.1至30μm。

根據本發明較佳實施例所述之載板結構之製作方法，其中形成導電層之方法包括濺鍍、電鍍及無電鍍法，導電層之厚度為0.1至100μm，而導電層材料係為銅、銀、金或鉻。

根據本發明較佳實施例所述之載板結構之製作方法，其更包括提供一黏接層於導電圖案上，另外更包括提供電 子元件於導電圖案上，並藉由黏接層將電子元件與導電圖案電性連接，而電子元件包括晶片或半導體元件。

綜上所述，在本發明之載板結構及其製造方法中，係在導熱基板上形成陶瓷層及導熱絕緣層，因此可以有效地排除電子元件所產生的熱量，進而改善電子元件的效率及使用壽命。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

請參閱圖2，係本發明一實施例之載板結構的剖面示意圖。本發明之載板結構包括一導熱基板100、一第一陶瓷層110及一導熱絕緣層120。導熱基板100具有上表面101及下表面102，第一陶瓷層110係設置於導熱基板之上表面102，而導熱絕緣層120係配置於第一陶瓷層110之上。另外，在導熱絕緣層120的表面上設置有導電圖案135，其係提供與其他電子元件電性連接之用途。

在本實施例中，導熱基板100為金屬或半導體基板，需了解的是，具有散熱效果的各種金屬或半導體材料均被考慮且涵蓋於導熱基板中，而且不應限制於在此所描述的材料，在本實施例中，金屬材料包括含有一種或兩種以上金屬的合金，例如是鋁或銅及其合金或化合物，半導體材料例如是但不限制於鍺或砷化鍺。而在導熱基板100的表面上 所形成之第一陶瓷層110，其材料包括任何已知的陶瓷材料，例如是氧化物、硼化物、碳化物及其組合。

承接上述，在本實施例中，導熱絕緣層120係包括類鑽碳膜或鑽石膜，要說明的是，類鑽碳膜可依實際需要添加氟(F)、矽(Si)、氮(N)或硼(B)等元素，以降低導熱絕緣層120之內應力且增加與第一陶瓷層110之附著性。添加氟、矽、氮或硼等元素於類鑽碳所形成之導熱絕緣層120中，其所佔原子比(atom%)沒有限制，只要含量不會產生半導效應即可，氟或矽原子比含量為1－40 atom%，較佳為5－20 atom%，而氮或硼原子比含量為1－20 atom%，較佳為5－10 atom%。。

此外，在本實施例中，設置於導熱絕緣層120上之導電圖案135，其係作為與其他電子元件(圖未繪示)電性連接之用途，例如是藉由導線將電子元件與導電圖案連接。導電圖案135係包括具有導電特性之材質，例如是由鉻、銅、鎳及金所形成。

由於本發明在導熱基板上形成陶瓷層及導熱絕緣層，因此，與習知技術相較之下，本發明之散熱途徑除了導熱基板之外，還可藉由陶瓷層及導熱絕緣層將電子元件所產生的熱能有效地排除。

圖3A至圖3E係為圖2之載板結構的製作流程示意圖。請參閱圖3A，首先，提供導熱基板100，其具有上表面101及下表面102，之後，如圖3B所示，形成第一陶瓷層110於導熱基板之上表面101。在此要說明的是，形成第一陶瓷層110的方法係依照導熱基板100的材質決定，在本實施例中，當 導熱基板100為金屬基板時，第一陶瓷層110可以藉由陽極處理形成，當導熱基板100為半導體基板時，第一陶瓷層110可以藉由熱處理的方法形成。

接著，如圖3C所示，形成導熱絕緣層120於第一陶瓷層110之上，形成導熱絕緣層120的方法是藉由化學氣相沉積法，而化學氣相沉積法的使用皆可由本領域具通常知識者在不改變主要原理的情況下做變化，因此，氣相沉積法的例子包括熱線氣相沉積法(filament CVD)、電漿輔助化學氣相沉積法(PECVD)或微波電漿化學氣相沉積法(MPCVD)及其他類似之方法。在本實施例中，較佳係使用電漿輔助化學氣相沉積法，在200℃或以下之溫度形成導熱絕緣層120於第一陶瓷層110之上，而導熱絕緣層120的厚度沒有限制，較佳之厚度為0.1至30μm，在本實施例中，導熱絕緣層120的厚度為約2－3μm。

請參閱圖3D，在形成導熱絕緣層120之後，係形成導電層130於導熱絕緣層120之上。形成導電層130之方法例如是濺鍍銅或鉻以形成一金屬層於導熱絕緣層120上，之後再利用電鍍法將此金屬層增厚，最後，利用無電鍍法改質此金屬層表面，並形成導電層130。形成導電層130之厚度沒有限制，係依照所承載之電子元件(圖未繪示)產生的電流密度大小而定，其中較佳之厚度為為0.1至100μm，在本實施例中，導電層130之厚度為20－40μm。

最後，如圖3E所示，部分移除導電層130以形成導電圖案135於導熱絕緣層120上，移除導電層130的方法可藉由蝕刻達成。

需說明的是，本發明之載板結構係承載一電子元件，如圖3F所示，電子元件150係藉由一黏接層140設置於載板結構上，更明確的說，藉由在載板結構之導電圖案135上形成黏接層140，而電子元件150藉由黏接層140設置在載板結構上，電子元件包括晶片或半導體元件，例如是發光二極體。

接著，請參閱圖4，係為本發明另一實施例之載板結構的剖面示意圖。本實施例之載板結構及其製作方法與上述實施例不同之處在於，本實施例之載板結構更包括一第二陶瓷層110’形成於導熱基板之下表面102，第二陶瓷層110’之材料及其形成方法與上述實施例相同。另外，如圖5所示，在另一實施例中，本發明之載板結構更包括一散熱元件170，其係藉由一焊料層160與第二陶瓷層110’連接，焊料層160之材料為錫或錫合金。另外，為了增加第二陶瓷層110’於焊料層160的附著性，在本實施例中，係可在第二陶瓷層110’與焊料層160間形成一金屬中間層161，其材料例如是鉻、銅、鎳、金、銀及其合金。

綜上所述，本發明之載板結構具有陶瓷層及導熱絕緣層，且本發明之載板結構的基板具有導熱的效果，除此之外，本發明之載板結構另包括散熱元件，因此，設置在載板結構上之電子元件或電子電路所產生之熱能，可藉由多 重的散熱途徑，包括導熱基板、陶瓷層、導熱絕緣層及散熱元件有效地加速逸散，因而提供較佳之散熱效果，並大幅提高電子元件使用時之穩定性及壽命。

上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。

100‧‧‧導熱基板

101‧‧‧上表面

102‧‧‧下表面

110‧‧‧第一陶瓷層

110’‧‧‧第二陶瓷層

120‧‧‧導熱絕緣層

130‧‧‧導電層

135‧‧‧導電圖案

140‧‧‧黏接層

150‧‧‧電子元件

160‧‧‧焊料層

161‧‧‧金屬中間層

170‧‧‧散熱元件

800‧‧‧陶瓷基板

802‧‧‧鑽石層

808‧‧‧通孔

810‧‧‧半導體元件

806‧‧‧焊線

812‧‧‧黏接材料

圖1係為習知之具有鑽石層之元件承載基板結構之剖面示意圖；圖2係為本發明一實施例之載板結構之剖面示意圖；圖3A至3E係為圖2之載板結構之製作流程示意圖；圖3F為本發明一實施例之載板結構用以承載電子元件之結構示意圖；圖4係為本發明另一實施例之載板結構之剖面示意圖；以及圖5係為本發明另一實施例之載板結構之剖面示意圖，其中載板結構具有一散熱元件並用以承載電子元件。

100‧‧‧導熱基板

101‧‧‧上表面

102‧‧‧下表面

110‧‧‧第一陶瓷層

110’‧‧‧第二陶瓷層

120‧‧‧導熱絕緣層

135‧‧‧導電圖案

140‧‧‧黏接層

150‧‧‧電子元件

Claims (44)

1. 一種用於承載電子元件之載板結構，包括：一導熱基板，具有上表面及下表面；一第一陶瓷層，係配置在該上表面之上；一導熱絕緣層，係配置於該第一陶瓷層之上，且該導熱絕緣層係包括類鑽碳膜或鑽石膜，其中該類鑽碳膜具有包括氟、矽、氮、硼及其混合之一摻雜物；以及一導電圖案，係形成於該導熱絕緣層之表面上。
2. 如申請專利範圍第1項所述之載板結構，其中該導熱基板係包括金屬或半導體基板。
3. 如申請專利範圍第2項所述之載板結構，其中該導熱基板包括鋁、銅、鍺、砷化鍺其中之一。
4. 如申請專利範圍第1項所述之載板結構，其更包括有一黏接層形成於該導電圖案上。
5. 如申請專利範圍第4項所述之載板結構，其中該黏接層包括鎳、金、錫、錫合金及其組合。
6. 如申請專利範圍第4項所述之載板結構，其中該電子元件係藉由該黏接層與該導電圖案電性連接。
7. 如申請專利範圍第6項所述之載板結構，其中該電子元件包括晶片或半導體元件。
8. 如申請專利範圍第1項所述之載板結構，其更包括一第二陶瓷層形成於該導熱基板之下表面。
9. 如申請專利範圍第8項所述之載板結構，其中該第一陶瓷層及該第二陶瓷層係包括氧化物、硼化物、碳化物及其組合。
10. 如申請專利範圍第8項所述之載板結構，其更包括一焊料層形成於該第二陶瓷層上。
11. 如申請專利範圍第10項所述之載板結構，其中該焊料層包括錫或錫合金。
12. 如申請專利範圍第10項所述之載板結構，其更包括一散熱元件設置於該焊料層上，並藉由該焊料層與該第二陶瓷層連結。
13. 如申請專利範圍第10項所述之載板結構，其更包括一金屬中間層設置於該焊料層與該第二陶瓷層之間。
14. 如申請專利範圍第13項所述之載板結構，其中該金屬中間層之材質包括鉻、銅、鎳、金、銀及其合金。
15. 如申請專利範圍第1項所述之載板結構，其中該類鑽碳膜之氟或矽含量為1-40atom%。
16. 如申請專利範圍第15項所述之載板結構，其中該類鑽碳膜之氟或矽含量為5-20atom%。
17. 如申請專利範圍第1項所述之載板結構，其中該類鑽碳膜之氮或硼含量為1-20atom%。
18. 如申請專利範圍第17項所述之載板結構，其中該類鑽碳膜之氮或硼含量為5-10atom%。
19. 如申請專利範圍第1項所述之載板結構，其中該導熱絕緣層之厚度為0.1至30μm。
20. 如申請專利範圍第19項所述之載板結構，其中該導熱絕緣層之厚度為2至3μm。
21. 如申請專利範圍第1項所述之載板結構，其中該導電層之為厚度為0.1至100μm。
22. 如申請專利範圍第21項所述之載板結構，其中該導電層之為厚度為20-40μm。
23. 一種載板結構之製造方法，該載板結構用於承載一電子元件，包括下列步驟：提供一導熱基板，具有上表面及下表面；形成一第一陶瓷層於該導熱基板之上表面之上；形成一導熱絕緣層於該第一陶瓷層之上，且該導熱絕緣層係包括類鑽碳膜或鑽石膜，其中該類鑽碳膜具有包括氟、矽、氮、硼及其混合之一摻雜物；形成一導電層於該導熱絕緣層上；以及部分移除該導電層以形成一導電圖案於該導熱絕緣層上。
24. 如申請專利範圍第23項所述之方法，其中該導熱基板係包括金屬或半導體基板。
25. 如申請專利範圍第23項所述之方法，其中該導熱基板包括鋁、銅、鍺、砷化鍺其中之一。
26. 如申請專利範圍第23項所述之方法，其更包括提供一第二陶瓷層於該導熱基板之下表面。
27. 如申請專利範圍第26項所述之方法，其中形成該第一及第二陶瓷層之方法包括陽極處理法或熱處理法。
28. 如申請專利範圍第26項所述之方法，其更包括形成一焊料層於該第二陶瓷層上。
29. 如申請專利範圍第28項所述之方法，其更包括形成一金屬中間層於該焊料層與該第二陶瓷層之間。
30. 如申請專利範圍第28項所述之方法，其更包括提供一散熱元件於該焊料層上，該散熱元件係藉由該焊料層與該第二陶瓷層連結。
31. 如申請專利範圍第23項所述之方法，其中該類鑽碳膜之氟或矽含量為1-40atom%。
32. 如申請專利範圍第31項所述之載板結構，其中該類鑽碳膜之氟或矽含量為5-20atom%。
33. 如申請專利範圍第23項所述之載板結構，其中該類鑽碳膜之氮或硼含量為1-20atom%。
34. 如申請專利範圍第33項所述之載板結構，其中該類鑽碳膜之氮或硼含量為5-10atom%。
35. 如申請專利範圍第23項所述之方法，其中形成該導熱絕緣層之方法包括化學氣相沉積法。
36. 如申請專利範圍第23項所述之方法，其中該導熱絕緣層之厚度為0.1至30μm。
37. 如申請專利範圍第36項所述之方法，其中該導熱絕緣層之厚度為2至3μm。
38. 如申請專利範圍第23項所述之方法，其中形成該導電層之方法包括濺鍍法、電鍍法及無電鍍法。
39. 如申請專利範圍第23項所述之方法，其中該導電層之厚度為0.1至100μm。
40. 如申請專利範圍第39項所述之方法，其中該導電層之為厚度為20-40μm。
41. 如申請專利範圍第23項所述之方法，其中該導電層材料係為鉻、銅、鎳或金。
42. 如申請專利範圍第23項所述之方法，其更包括提供一黏接層於該導電圖案上。
43. 如申請專利範圍第42項所述之方法，其更包括提供該電子元件於該導電圖案上，其中係藉由該黏接層將該電子元件與該導電圖案電性連接。
44. 如申請專利範圍第43項所述之電路載板，其中該電子元件包括晶片或半導體元件。