TWI538591B - Method for manufacturing multilayer ceramic heat dissipation circuit substrate and its product - Google Patents

Description

多層陶瓷散熱電路基板的製造方法及其製品

本發明是有關於一種電路基板，特別是指一種具有高散熱效能的多層陶瓷散熱電路基板的製造方法及其製品。

現有應用於功率晶片的基板，如以LED為例，其多晶片LED模組電路基板封裝(Chip on Board，COB)，均採用金屬核心印刷電路板(Metal Core Printed Circuit Board，MCPCB)，做為其封裝用基板。MCPCB之底材雖採用散熱性良好的金屬鋁(銅)片，做為其散熱底材用，但因其基板上方需有線路佈局層，故仍需於金屬片上增加一層有機絕緣層，做為電性絕緣用，並再於其絕緣層上製作金屬線路，以供元件組裝用。然而，此絕緣層散熱特性極差，其熱傳導係數僅約0.1-0.5W/mK，且熱膨脹係數過高，玻璃轉換溫度低，在溫度太高時會產生變質與龜裂等問題。此外，此絕緣層與金屬片的接面，仍存在許多孔隙，而這些孔隙也是形成另一種形式的熱阻值，降低了基材散熱的效率。

此外，另有一種具高散熱效能的電路板結構， 是在電路板中形成穿槽並於穿槽中嵌入金屬塊，使該金屬塊做為設置發熱元件的散熱體，以提供高功率晶片量好散熱路徑，例如台灣專利第M369636號及第M426990號所揭露者。但由於金屬塊成形均為機械加工，與採用黃光及電鍍製程所形成的金屬塊相比，精準度較差，厚度與大小均不易控制，且無法形成小尺寸，厚度都較厚(>1mm)，無法做薄。此外，由於嵌入金屬塊體積均較大，在熱製程下會產生更大的熱膨脹問題，所產生的應力將對電路板可靠度造成疑慮。再者，金屬塊嵌入需個別抓取及置放(採用pick & place)製程，一顆一顆放置於基板上，製作時間長，成本高，且放置過程中亦會產生誤差，造成與後續線路連接的困難度。

因此，本發明之一目的，即在提供一種具高散熱效能的多層陶瓷散熱電路基板的製造方法。

本發明之另一目的，在提供一種具高散熱效能的多層陶瓷散熱電路基板。

於是本發明多層陶瓷散熱電路基板的製造方法，步驟包含：提供一陶瓷板體；在該陶瓷板體上形成一第一光阻層並圖案化該第一光阻層以界定一第一沉積區；在該第一沉積區沉積導電金屬以形成一第一電路層； 在該第一光阻層及該第一電路層上形成一第二光阻層並圖案化該第二光阻層以界定一第二沉積區；在該第二沉積區沉積導電金屬以形成一第二電路層；去除該第一光阻層及該第二光阻層；形成一填充該第一電路層、該第二電路層中金屬之間的空隙的絕緣層，且該絕緣層的厚度與該第一電路層及該第二電路層的厚度總和相當，以露出該第二電路層；形成一第三光阻層並圖案化該第三光阻層以界定一第三沉積區；在該第三沉積區沉積導電金屬以形成一第三電路層；及去除該第三光阻層，形成一多層電路基板，其中該第二電路層包含有連結該第一電路層及該第三電路層的多個導電柱。

本發明所述的多層陶瓷散熱電路基板的製造方法，其中，形成該絕緣層的步驟包括：將一加熱軟化的熱可塑性絕緣膜覆蓋在該陶瓷板體以填充該第一電路層、該第二電路層中金屬之間的空隙，及待該絕緣膜硬化後形成絕緣層，研磨該絕緣層以露出該第二電路層，而使該絕緣層的厚度與該第一電路層及該第二電路層的厚度總和相當。

本發明所述的多層陶瓷散熱電路基板的製造方法，其中，該第一電路層、該第二電路層及該第三電路層是以電鍍方式沉積金屬所形成。

本發明所述的多層陶瓷散熱電路基板的製造方法，其中，在形成該第一光阻層前，先在該陶瓷板體表面形成一電鍍用的第一種子層，並於去除該第一光阻層及該第二光阻層後，去除該第一種子層曝露出的部分。

本發明所述的多層陶瓷散熱電路基板的製造方法，其中，在形成該第三光阻層前，先形成一電鍍用的第二種子層，並於去除該第三光阻層後，去除該第二種子層曝露出的部分。

本發明所述的多層陶瓷散熱電路基板的製造方法，其中，該第一、第二、第三電路層共同形成至少一置晶墊以設置功率晶片。

本發明多層陶瓷散熱電路基板，包含：一陶瓷板體、一形成於該陶瓷板體上的第一電路層、一形成於該第一電路層上且包含多個導電柱的該第二電路層、一絕緣層、一第三電路層及一形成於該第三電路層上的表面處理層。該絕緣層由熱可塑性絕緣膜形成於該陶瓷板體上且填充該第一電路層、該第二電路層中金屬之間的空隙，且該絕緣層的厚度與該第一電路層及該第二電路層的厚度總和相當。該第三電路層形成於該第二電路層及該絕緣層上，並通過該第二電路層的導電柱與該第一電路層電連接。

本發明所述的多層陶瓷散熱電路基板，其中， 該第一、第二、第三電路層共同形成至少一置晶墊以設置功率晶片。

本發明所述的多層陶瓷散熱電路基板，其中，該陶瓷板體選自下列材料所製成：氧化鋁、氮化鋁、氮化矽、氧化鋯及氧化鋯增韌氧化鋁。

本發明所述的多層陶瓷散熱電路基板，其中，該表面處理層選自下列材料：鎳、金、銀、鈀，層疊形成。

本發明之功效在於：本發明多層陶瓷散熱電路基板的製造方法不需要鑽孔製程，而且以影像轉移技術及電鍍方式形成多層電路層，不僅省下雷射鑽孔以及盲孔電鍍的製程成本外，亦增加導電線路的設計彈性。更重要的，用於高功率晶片的置晶墊，是由多層電路層直接堆疊形成，可以避免如MCPCB中因低熱傳導係數的有機絕緣層，所造成的散熱問題，以及嵌入金屬塊方式所導致體積不易控制且易產生應力影響可靠度的缺點。本發明所製成的多層陶瓷散熱電路基板可得到較佳的可靠度，並因為置晶墊可直接與陶瓷板體接觸而具有較佳的散熱效能，亦在整合散熱功率模組的應用上，增加許多彈性。

1‧‧‧陶瓷板體

21‧‧‧第一種子層

22‧‧‧第二種子層

31‧‧‧第一光阻層

311‧‧‧第一電路圖案沉積區

32‧‧‧第二光阻層

321‧‧‧第二沉積區

33‧‧‧第三光阻層

331‧‧‧第三沉積區

4‧‧‧第一電路層

41‧‧‧第一電路圖案

42‧‧‧第一置晶圖案

5‧‧‧第二電路層

51‧‧‧第二電路圖案

511‧‧‧導電柱

52‧‧‧第二置晶圖案

7‧‧‧第三電路層

71‧‧‧第三電路圖案

72‧‧‧第三置晶圖案

6‧‧‧絕緣層

60‧‧‧絕緣膜

8‧‧‧表面處理層

9‧‧‧功率晶片

100‧‧‧多層陶瓷散熱電路基板

10‧‧‧置晶結構

101‧‧‧置晶墊

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1至圖14是說明本發明多層陶瓷散熱電路基板的製造方法之一較佳實施例的實施步驟流程示意圖；及圖15是說明本發明多層陶瓷散熱電路基板之一較佳實 施例用以設置功率晶片的示意圖。

參閱圖1至圖14，說明本發明多層陶瓷散熱電路基板的製造方法之一較佳實施例，步驟包含：參閱圖1，提供一陶瓷板體1，該陶瓷板體1可選自下列材料所製成：氧化鋁(Aluminum oxide，Al₂O₃)、氮化鋁(AlN，Aluminum Nitride)、氮化矽(Silicon Nitride，Si₃N₄)、氧化鋯(ZrO₂，Zirconia)及氧化鋯增韌氧化鋁(Zirconia Toughened Alumina)；參閱圖2，在該陶瓷板體1表面形成一電鍍用的第一種子層21(seed layer)，該第一種子層21以濺鍍方式被覆於該陶瓷板體1表面以利後續之電鍍金屬，例如電鍍銅，可於其上成長；參閱圖3，在該陶瓷板體1上形成一第一光阻層31並圖案化該第一光阻層31以界定一第一沉積區311，該第一沉積區311露出第一種子層21，即預定電鍍金屬之區域，此步驟可利用現有影像轉移製程技術實施；參閱圖4，在該第一沉積區311沉積導電金屬以形成一第一電路層4，在本實施例中，該第一電路層4為以電鍍方式形成的銅層，且具有一第一電路圖案41及一第一置晶圖案42；參閱圖5，在該第一光阻層31及該第一電路層4上形成一第二光阻層32並圖案化該第二光阻層32以界定一第二沉積區321，該第二沉積區321露出該第一電路層4 的一部份，此步驟亦可利用現有微影製程技術實施；參閱圖6，在該第二沉積區321沉積導電金屬以形成一第二電路層5，該第二電路層4具有一連接該第一電路圖案41的第二電路圖案51，及一連接該第一置晶圖案42的第二置晶圖案52，且該第二置晶圖案52與該第一置晶圖案42沿一堆疊方向相對位，該堆疊方向即為膜層疊置的方向，如圖6所示為垂直陶瓷板體1表面的方向，在本實施例中，該第二電路層5亦為以電鍍方式形成的銅層；參閱圖7，去除該第一光阻層31及該第二光阻層32，並於去除該第一光阻層31及該第二光阻層32後，去除該第一種子層21曝露出的部分，亦即，該第一種子層21中未覆蓋該第一電路層4的部分皆被清除，剩下的該第一種子層21夾置於該第一電路層4與該陶瓷板體1之間；參閱圖8與圖9，形成一填充該第一電路層4、該第二電路層5中金屬之間的空隙的絕緣層6，且該絕緣層6的厚度與該第一電路層4及該第二電路層5的厚度總和相當，以露出該第二電路層5；詳細而言，如圖8所示，將一加熱軟化的熱可塑性絕緣膜60覆蓋在該陶瓷板體1以填充該第一電路層4、該第二電路層5中金屬之間的空隙，待該絕緣膜60硬化後，研磨該絕緣膜60以露出該第二電路層5，如圖9所示，而使該絕緣層6的厚度與該第一電路層4及該第二電路層5的厚度總和相當，由於該第一種子層21非常薄，其厚度可忽略不計； 參閱圖10，再以濺鍍方式形成一電鍍用的第二種子層22在該絕緣層6及該第二電路層5露出的表面上；參閱圖11，形成一第三光阻層33並圖案化該第三光阻層33以界定一第三沉積區331，該第三沉積區331部分位於該絕緣層6上方，故先形成該第二種子層22以利於在該絕緣層6的區域電鍍沉積金屬；參閱圖12，在該第三沉積區331沉積導電金屬以形成一第三電路層7，該第三電路層7具有一連接該第二電路圖案51的第三電路圖案71，及一連接該第二置晶圖案52的第三置晶圖案72，且該第三置晶圖案72與該第二置晶圖案52沿該堆疊方向相對位，亦即，該第一、第二、第三置晶圖案42、52、72沿該堆疊方向相對位，在本實施例中，同樣地，該第三電路層7亦為以電鍍方式形成的銅層；參閱圖13，進一步地，於該第三電路層7上形成一表面處理層8，該表面處理層8可選自下列材料：鎳、金、銀、鈀，層疊形成。例如由鎳及金堆疊而成，鎳、鈀及金堆疊而成，或銀及鎳堆疊而成，用以增加銲錫性及打線製程的結合強度；參閱圖14，去除該第三光阻層33，並於去除該第三光阻層33後，去除該第二種子層22曝露出的部分以避免該第三電路層7短路，剩下的第二種子層22即夾置於該第三電路層7與該絕緣層6及該第三電路層7與該第二電路層5之間，而形成一多層電路基板100，其中該第二電路圖案51包含有連結該第一電路圖案41及該第三電路圖 案71的多個導電柱511，且該第一、第二、第三置晶圖案42、52、72及分別被第一、第三電路層4、7覆蓋的第一、第二種子層21、22的部分共同形成一置晶結構10以設置功率晶片9(見圖15)。在本實施例中，置晶結構10包括多個置晶墊101，當然，只設置一個置晶墊101亦可實施。而且電路層不以三層為限，可以依據實際需求再增加。

如前述步驟之說明，本實施例的實施步驟不需要鑽孔製程，可以避免熔渣未完全清除導致的缺陷，而且以影像轉移製程及電鍍方式形成電路層4、5、7，可以較精準控制導電線路的線寬與厚度以滿足細小線路需求，並增加線路之可繞性。藉此，不僅省下雷射鑽孔以及盲孔電鍍的製程成本外，亦增加導電線路的設計彈性。更重要的，置晶結構10是由多層電路層4、5、7堆疊形成，可以避免如MCPCB中因低熱傳導係數的有機絕緣層，所造成的散熱問題，以及嵌入金屬塊方式所導致體積不易控制且易產生應力影響可靠度的缺點。

參閱圖15，為本發明多層陶瓷散熱電路基板100之一較佳實施例，即為前述實施步驟完成之製品，包含：該陶瓷板體1、形成於該陶瓷板體1上的該第一電路層4、形成於該第一電路層4上且包含該等導電柱511的該第二電路層5、該絕緣層6、該第三電路層7及形成於該第三電路層7上的該表面處理層8。該第一、第二、第三電路層4、5、7共同形成的該等置晶墊101用以分別設置功率晶片9，例如發光二極體(LED)晶片。

該陶瓷板體1為散熱載板，具有抗熱、抗氧化、抗腐蝕與絕緣性佳等優點，且陶瓷材料的CTE不高，功率晶片9的CTE亦不高，雖然置晶墊101為金屬材質，其CTE較大，但是置晶墊101位於CTE皆小的陶瓷板體1與功率晶片9中間，在冷熱衝擊時，藉由陶瓷板體1與功率晶片9限制置晶墊101的延展性，可以得到較佳的可靠度。而且，置晶墊101連接於陶瓷板體1與功率晶片9之間，直接與陶瓷板體1及功率晶片9接觸，使得熱傳導不會受到導熱係數較低的介電層影響，而能具有較佳的散熱效能，以避免功率晶片9過熱所導致效率不佳、壽命簡短等問題。再者，因為陶瓷板體1絕緣性優良，即使同時串聯多個功率晶片9，在高電壓操作下，也不會有短路或漏電的問題存在，且能在整合散熱功率模組的應用上，增加許多彈性，並不受限於應用不同LED晶片架構，亦即，可適用垂直式及水平式LED晶片。

綜上所述，本發明多層陶瓷散熱電路基板的製造方法不需要鑽孔製程，而且以影像轉移技術及電鍍方式形成電路層4、5、7，不僅省下雷射鑽孔以及盲孔電鍍的製程成本外，亦增加導電線路的設計彈性。再者，置晶墊101是由多層電路層4、5、7堆疊形成，可以避免如嵌入金屬塊方式所導致體積不易控制且易產生應力影響可靠度的缺點。所製成的多層陶瓷散熱電路基板100可以得到較佳的可靠度，並因為置晶墊101可直接與陶瓷板體1接觸而具有較佳的散熱效能，而且在高電壓操作下，也不會有短路 或漏電的問題存在，且能在整合散熱功率模組的應用上，增加許多彈性，故確實能達成本發明之目的。

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專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1‧‧‧陶瓷板體

21‧‧‧第一種子層

22‧‧‧第二種子層

4‧‧‧第一電路層

41‧‧‧第一電路圖案

42‧‧‧第一置晶圖案

5‧‧‧第二電路層

51‧‧‧第二電路圖案

511‧‧‧導電柱

52‧‧‧第二置晶圖案

7‧‧‧第三電路層

71‧‧‧第三電路圖案

72‧‧‧第三置晶圖案

6‧‧‧絕緣層

8‧‧‧表面處理層

9‧‧‧功率晶片

100‧‧‧多層陶瓷散熱電路基板

10‧‧‧置晶結構

101‧‧‧置晶墊

Claims (10)

1. 一種多層陶瓷散熱電路基板的製造方法，該電路基板具有一用以固設至少一晶片並用以散熱的置晶結構，步驟包含：提供一陶瓷板體；在該陶瓷板體上形成一圖案化的第一電路層，該第一電路層具有一第一電路圖案及一第一置晶圖案；在該第一電路層上形成一圖案化的第二電路層，該第二電路層具有一連接該第一電路圖案的第二電路圖案，及一連接該第一置晶圖案的第二置晶圖案，且該第二置晶圖案與該第一置晶圖案沿一堆疊方向相對位；形成一填充該第一電路層、該第二電路層中金屬之間的空隙的絕緣層，且該絕緣層的厚度與該第一電路層及該第二電路層的厚度總和相當，以露出該第二電路層；及在該絕緣層及露出的該第二電路層上形成一圖案化的第三電路層，該第三電路層具有一連接該第二電路圖案的第三電路圖案，及一連接該第二置晶圖案的第三置晶圖案，且該第三置晶圖案與該第二置晶圖案沿該堆疊方向相對位；其中該第二電路圖案包含有連結該第一電路圖案及該第三電路圖案的多個導電柱；以及其中該置晶結構包括至少該第一、第二、第三置晶圖案。
2. 如請求項1所述的多層陶瓷散熱電路基板的製造方法，其中，形成該絕緣層的步驟包括：將一加熱軟化的熱可塑性絕緣膜覆蓋在該陶瓷板體以填充該第一電路層、該第二電路層中金屬之間的空隙，及待該絕緣膜硬化後，研磨該絕緣膜以露出該第二電路層，而使該絕緣層的厚度與該第一電路層及該第二電路層的厚度總和相當。
3. 如請求項1所述的多層陶瓷散熱電路基板的製造方法，還包含以下步驟：在形成該第一電路層之前，先在該陶瓷板體表面形成一第一種子層；在該第一種子層上形成一圖案化的第一光阻層；其中該第一電路層形成於該第一種子層未覆蓋該第一光阻層的區域上。
4. 如請求項3所述的多層陶瓷散熱電路基板的製造方法，還包含以下步驟：在形成該第二電路層前先在該第一電路層及該第一光阻層上形成一圖案化的第二光阻層，該第二電路層是形成在該第一電路層未覆蓋該第二光阻層的區域上；在形成該第二電路層後並在形成該絕緣層前，移除該第一、第二光阻層及該第一種子層未被該第一電路層覆蓋的區域；在該絕緣層及該第二電路層露出的表面上形成一第 二種子層；在該第二種子層上形成一圖案化的第三光阻層，該第三電路層形成在該第二種子層未覆蓋該第三光阻層的區域上；及移除該第三光阻層及該第二種子層未被該第三電路層覆蓋的區域。
5. 如請求項4所述的多層陶瓷散熱電路基板的製造方法，還包含以下步驟，在移除該第三光阻層前，在該第三電路層上形成一表面處理層，其中該表面處理層選自下列材料：鎳、金、銀、鈀，層疊形成。
6. 如請求項5所述的多層陶瓷散熱電路基板的製造方法，其中，該第一、第二、第三置晶圖案及分別被第一、第三電路層覆蓋的第一、第二種子層的部分共同形成該置晶結構。
7. 一種多層陶瓷散熱電路基板，包含：一陶瓷板體；一第一電路層，形成於該陶瓷板體上，且具有一第一電路圖案及一第一置晶圖案；一第二電路層，形成於該第一電路層上，且具有一連接該第一電路圖案的第二電路圖案，及一連接該第一置晶圖案的第二置晶圖案，且該第二置晶圖案與該第一置晶圖案沿一堆疊方向相對位；一絕緣層，由熱可塑性絕緣膜形成於該陶瓷板體上且填充該第一電路層、該第二電路層中金屬之間的空 隙，且該絕緣層的厚度與該第一電路層及該第二電路層的厚度總和相當；及一第三電路層，形成於該第二電路層及該絕緣層上，且具有一連接該第二電路圖案的第三電路圖案，及一連接該第二置晶圖案的第三置晶圖案，且該第三置晶圖案與該第二置晶圖案沿該堆疊方向相對位而用以固設至少一晶片；其中，該第二電路圖案包含有連結該第一電路圖案及該第三電路圖案的多個導電柱。
8. 如請求項7所述的多層陶瓷散熱電路基板，還包含一夾置於該第一電路層與該陶瓷板體之間的第一種子層，及一夾置於該第三電路層與該絕緣層之間以及該第三電路層與該第二電路層之間的第二種子層。
9. 如請求項7所述的多層陶瓷散熱電路基板，其中，該陶瓷板體選自下列材料所製成：氧化鋁、氮化鋁、氮化矽、氧化鋯及氧化鋯增韌氧化鋁。
10. 如請求項7或8所述的多層陶瓷散熱電路基板，還包含一形成於該第三電路層上的表面處理層，該表面處理層選自下列材料：鎳、金、銀、鈀，層疊形成。