TWI551818B

TWI551818B - 電子元件散熱模組的製造方法及電子元件散熱模組

Info

Publication number: TWI551818B
Application number: TW104102127A
Authority: TW
Inventors: 易聲宏; 陳子群; 陳彥如
Original assignee: 綠點高新科技股份有限公司
Priority date: 2015-01-22
Filing date: 2015-01-22
Publication date: 2016-10-01
Also published as: TW201627603A

Description

電子元件散熱模組的製造方法及電子元件散熱模組

本發明是有關於一種散熱模組的製造方法，特別是指一種電子元件散熱模組的製造方法及電子元件散熱模組。

電子元件，例如發光二極體(LED)，在運作的過程中，若其運作所需的功率或產生的功率越大，則產生的熱能越多。所產生之熱能將會使得電子元件的溫度升高。而過高的溫度將使得電子元件快速老化，並減低其使用的壽命。

有鑒於此，現有的電子元件通常會設置在一散熱基座上，同時透過導熱膏(Thermal Grease)、導電電路及絕緣層將電子元件固定在此散熱基座上，以藉由散熱基座降低電子元件的溫度。這將使得電子元件所產生的熱能在上述多個界面間產生熱阻，進而不易將電子元件產生的熱能完全傳遞至散熱基座進行散熱，此外，導熱膏的固定能力也不佳，使得電子元件容易由散熱基座上脫落。

經由上述說明可知，電子元件若能直接透過導熱膏固定於散熱基座，則可減少多個界面熱阻，進而提高電子元件的散熱能力。目前現有技術是直接在要連結的部分加熱，使導熱膏融化，因毛細現象而流到接合處，並由於浸潤作用和工件結合。但目前市面上常用的導熱膏與散熱基座其材質分別為一具有錫元素的金屬介質與一鋁或鋁合金，由於鋁或鋁合金表面易有氧化膜產生，造成潤溼性差而無法直接與導熱膏或其他焊料黏附。

因此，本發明之其中一目的，即在提供一種電子元件散熱模組的製造方法。

因此，本發明之其中另一目的，即在提供一種電子元件散熱模組。

於是，本發明電子元件散熱模組的製造方法在一些實施態樣中，是包含以下步驟：在一金屬基材上形成一導熱層，且該導熱層材料包括銅或鎳其中至少一者。

在該導熱層上形成一絕緣層。

在該絕緣層上形成一電路層，且該電路層預設一置放區。

移除該絕緣層位置對應該置放區的一預定區域，使該導熱層露出於該預定區域。

在該導熱層露出的區域內設置一焊料。

在該置放區設置一電子元件，並使該電子元件與該電路層電連接，且在該導熱層露出的區域與該電子元件之間以該焊料連接，以藉由該焊料傳熱至該導熱層。

於是，本發明電子元件散熱模組在一些實施態樣中，是包含：一金屬基材、一導熱層、一絕緣層、一電路層、一電子元件及一焊料。

該導熱層位於該金屬基材上，且該導熱層材料包括銅或鎳其中至少一者。

該絕緣層位於該導熱層上，並形成一讓部分該導熱層露出的預定區域。

該電路層形成在該絕緣層上且具有一位置對應該預定區域的置放區。

該電子元件設置在該置放區並與該電路層電連接。

該焊料連接於該導熱層露出的區域與該電子元件之間，以將該電子元件產生的熱傳導至該導熱層。

本發明之功效在於：透過以銅或鎳所製成的導熱層，使得電子元件得以透過焊料直接焊接於導熱層上，並讓電子元件的熱得以藉由焊料與導熱層快速地傳遞至金屬基材。

101‧‧‧步驟

102‧‧‧步驟

103‧‧‧步驟

104‧‧‧步驟

105‧‧‧步驟

106‧‧‧步驟

107‧‧‧步驟

108‧‧‧步驟

109‧‧‧步驟

201‧‧‧步驟

202‧‧‧步驟

203‧‧‧步驟

204‧‧‧步驟

205‧‧‧步驟

206‧‧‧步驟

207‧‧‧步驟

208‧‧‧步驟

209‧‧‧步驟

1‧‧‧金屬基材

2‧‧‧導熱層

3‧‧‧絕緣層

31‧‧‧預定區域

4‧‧‧活化層

5‧‧‧電路層

51‧‧‧置放區

6‧‧‧焊料

7‧‧‧電子元件

8‧‧‧金屬層

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施例詳細說明中清楚地呈現，其中：圖1是一流程方塊圖，說明本發明電子元件散熱模組的製造方法之第一實施例的主要步驟；圖2~9是說明該第一實施例的實施步驟的流程示意圖；圖10是一立體圖，說明由該第一實施例所製成的一電子元件散熱模組；圖11是一流程方塊圖，說明本發明電子元件散熱模組的製造方法之第二實施例的主要步驟；及圖12~13是說明該第二實施例的實施步驟的流程示意圖。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1，為本發明電子元件散熱模組的製造方法之第一實施例主要實施步驟的流程方塊圖，包含以下步驟：步驟101，利用冷噴塗在一金屬基材上形成一導熱層；步驟102，在導熱層上形成一絕緣層；步驟103，在絕緣層上形成一活化層；步驟104，利用雷射光束移除方式將活化層圖案化；步驟105，利用非電鍍製程在圖案化的活化層上形成一金屬層，以形成一預設一置放區的電路層；步驟106，利用雷射光束移除絕緣層位置對應置放區的一預定區域，使導熱層露出於預定區域；步驟107，在導熱層露出的區域內與電路層上設置焊料；步驟108，在置放區設置一電子元件，並使電子元件與電路層電連接，且在導熱層露出的區域與電子元件之間以焊料連接；及步驟109，將金屬基材置入回焊爐。

以下配合圖2至圖10具體說明第一實施例的實施步驟。

參閱圖2、10，步驟101係利用冷噴塗在一金屬基材1上形成一導熱層2。金屬基材1須以導熱係數高、散熱佳的金屬材料所製成。而所謂的冷噴塗(Cold Spray,CS)是一種金屬的噴塗工藝，其是利用壓縮空氣加速金屬粒子到超音速，接著讓金屬粒子撞擊到欲沉積的目標表面，此時金屬粒子會因撞擊到目標表面而扁平化並牢固附著於目標表面。而在本實施例中，製成導熱層2的材料為銅或鎳，亦即利用壓縮空氣加速銅粉或鎳粉到超音速，並使銅粉或鎳粉撞擊到金屬基材1的表面以形成導熱層2。而金屬基材1在本實施例中為一兼具燈座功能的散熱器(Heat Sink)(見圖10)，並由鋁所製成。然而在其他的實施態樣中，也可利用其他方法將導熱層2形成於金屬基材1上，例如使用電鍍或濺鍍製程(Sputtering)等。此外，亦可選用其他導熱係數高的金屬材料製成金屬基材1，也就是說，將導熱層2形成在金屬基材1的方法以及金屬基材1的材料選用是可依使用者的需求或視製程上的考量進行變更，而不以此處揭露的內容為限。

參閱圖3，步驟102係在導熱層2上形成一絕緣層3，此步驟用以電性絕緣導熱層2與後續在絕緣層3上所形成的電路層5(見圖6)。

參閱圖4，步驟103係在絕緣層3上形成一活化層4。在本實施例中，活化層4主要是由混摻催化材料的油墨所製成。催化材料是可在化學鍍的製程中催化金屬生長之材料，其主要是由金屬、金屬鹽或錯合物所組成，金屬可為鈀、鉈、鋁、鈧、鈦、釩、錳或其組合等，金屬鹽可為鈀、鉑或銀之鹽類等。

參閱圖4、5，步驟104係利用雷射光束(圖未示)移除的方式將活化層4圖案化。亦即利用雷射光束去除活化層4的部分區域，以形成圖5所示經過圖案化後所留下的活化層4。在此特別說明的是：利用雷射光束剝除的優點在於剝除區域的圖形精確度高、剝除區域與非剝除區域的交界處不會有毛邊產生、剝除區域無去除不淨的疑慮，且生產的良率與穩定性佳。

參閱圖6，步驟105係利用非電鍍製程在圖案化的活化層4上形成一金屬層8，以形成一預設一置放區51的電路層5。由於活化層4的存在，使得例如銅、鎳、金、銀、鈀、銠、錫、鈷等導電金屬能藉由非電鍍製程，例如化學鍍製程在已圖案化的活化層4上形成一金屬層 8，且此金屬層8的圖案與圖案化的活化層4相同，而電路層5即是由活化層4與金屬層8共同界定出。此外，值得一提的是，在化學鍍製程後，亦可再利用電鍍製程增加金屬層8的厚度，以達到使用上的需求。

參閱圖7，步驟106係用雷射光束移除絕緣層3位置對應置放區51的一預定區域31，使導熱層2露出於預定區域31。在此步驟中，是利用雷射光束移除部分絕緣層3，使得位於絕緣層3下方的部分導熱層2露出於預定區域31。且如圖7所示，預定區域31係位於電路層5的兩相鄰的線路中間。

參閱圖8，步驟107係在導熱層2露出的區域內與電路層5上設置焊料6。焊料6於本例中為常用的錫膏(Solder Paste)，其具有導熱佳、散熱快、可導電的特性，其導熱係數約為67W/m．K，遠大於目前業界常用之導熱膏(Thermal Grease)的導熱係數(導熱膏的導熱係數<10W/m．K)，且錫膏6在常溫時具有一定的粘性，因此可將任何置放在其上的物件(圖未示)初步粘著在預定的位置，以利後續焊接製程的進行。於其他實施例中，焊料6不限於以錫為主成分的錫膏，包含如銦等金屬元素之其他焊接材料亦可適用。另在本實施例中，是在電路層5上設置二焊料6，及在導熱層2於預定區域31內所露出的表面設置一焊料6，然而在其他的實施態樣中，焊料6的數目是可依使用者的需求進行變更，而不以此處所揭露的內容為限。

參閱圖9，步驟108係在置放區51(見圖7)設置一電子元件7，並使電子元件7與電路層5電連接，且在預定區域31內導熱層2露出表面與電子元件7底部散熱區之間以焊料6連接。在本實施例中，電子元件7的下表面更具有二接觸電極(圖未示)。因此，當此電子元件7設置於置放區51時，二接觸電極分別與電路層5上的焊料6相接觸，並透過焊料6及接觸電極使得電子元件7與電路層5電連接。且如上所述，由於焊料6在常溫時具有一定的粘性，因此電子元件7得以藉由焊料6初步黏著於電路層5與導熱層2露出的區域上。值得一提的是，此電子元件7在本實施例中為一發光二極體(Light Emitting Diode)。

步驟109係將金屬基材1置入回焊爐(圖未示)。此步驟即是利用回焊爐將金屬基材1加熱到焊料6的焊接溫度，使得電子元件7透過焊料6穩固地焊接於電路層5及部分露出於預定區域31的導熱層2。

當電子元件7通電運作後，其在運作過程中所產生的熱即可透過位於預定區域31內的焊料6傳遞至導熱層2上，導熱層2再將此熱傳遞至金屬基材1上，因此電子元件7所產生之熱得以藉由焊料6與導熱層2快速地傳遞至金屬基材1上，以避免電子元件7因高溫所引發的老化。此外，儘管焊料6難以焊接於由鋁所製成的金屬基材1上，然而在本實施例中，由於焊料6與金屬基材1之間還有一層導熱層2的存在，且導熱層2是以銅或鎳所製成，而焊料6是可焊接於銅或鎳上的。因此電子元件7得以透過焊料6直接焊於導熱層2上，並同時利用焊料6較高的導熱係數，將熱由電子元件7快速地傳遞至導熱層2上。

參閱圖7、9與10，利用本實施例所製成的電子元件散熱模組包含一金屬基材1、一導熱層2、一絕緣層3、一電路層5、一電子元件7及三焊料6。

金屬基材1在本實施例中為一散熱器(Heat Sink)，並由鋁所製成。

導熱層2位於金屬基材1上，且在本實施例中，製成導熱層2的材料為銅或鎳兩者其中至少一者。

絕緣層3位於導熱層2上，並形成一讓部分導熱層2露出的預定區域31。

電路層5具有一位於絕緣層3上的活化層4及一位於活化層4上的金屬層8。金屬層8在本實施例中是藉由化學鍍製程形成在活化層4上。且電路層5還具有一位置對應於預定區域31的置放區51。

電子元件7設置於置放區51。在本實施例中，電子元件7的下表面更具有二接觸電極(圖未示)，且電子元件7在本實施例中為一發光二極體。

焊料6分別設置於預定區域31內導熱層2露出的區域表面與電路層5上。

因此，當電子元件7設置於置放區51時，電子元件7藉由焊料6焊於導熱層2露出的區域上，於此同時，電子元件7的二接觸電極分別與電路層5上的兩個焊料6相接觸，透過焊料6及接觸電極使得電子元件7與電路層5電連接，並同時藉由位於預定區域31內的焊料6將電子元件7產生的熱傳導至導熱層2，以避免電子元件7因高溫而導致的老化。

參閱圖11，為本發明形成圖案化金屬層的方法之第二實施例主要實施步驟的流程方塊圖。其中步驟201-203與第一實施例的步驟101-103(見圖1)大致相同，惟，在本實施例中，步驟204是在活化層4上先形成一金屬層，接著再利用步驟205，藉由雷射光束一次性地移除活化層與金屬層的部分區域以形成一電路層。

第二實施例的具體實施步驟說明如下：參閱步驟203、204與圖12，步驟203在絕緣層3上形成一活化層4後，步驟204是先利用非電鍍製程，例如化學鍍製程在活化層4上形成一金屬層8。參閱圖13與步驟205，接著利用雷射光束一次性地移除活化層4與金屬層8的部分區域，以圖案化金屬層8及活化層4，且圖案化的金屬層8及活化層4共同界定出一預設一置放區51的電路層5。此外，如前所述，在非電鍍製程後，亦可選擇性地再利用電鍍製程增加金屬層8的厚度。換言之，在本實施例中，是先在活化層4上形成金屬層8，再利用雷射光束一次性地移除活化層4與金屬層8的一部分，以在絕緣層3上界定出電路層5。而本實施例與上述的第一實施例皆可達到最後界定出電路層5圖案的效果，但藉由製程的變化，能提供使用者更多的製程選擇，以達到其製造的效果與目的。

綜上所述，透過以銅或鎳所製成的導熱層2，使得電子元件7得以透過焊料6直接焊接於導熱層2上，並同時利用焊料6較高的導熱係數，以讓電子元件7在運作時所產生的熱得以藉由焊料6與導熱層2快速地傳遞至具良好散熱效果的金屬基材1上，以避免電子元件7因高溫所引發的老化，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，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。