TWI674824B

TWI674824B - 金屬基高熱傳導基板的製造方法

Info

Publication number: TWI674824B
Application number: TW107120950A
Authority: TW
Inventors: 秦聿樸
Original assignee: 歐銳奇有限公司; 秦聿樸
Priority date: 2018-06-19
Filing date: 2018-06-19
Publication date: 2019-10-11
Also published as: TW202002734A

Abstract

本發明公開一種金屬基高熱傳導基板及其製造方法。金屬基高熱傳導基板的製造方法至少包括下列步驟：首先，提供一金屬基材；隨後，製作一導熱絕緣層於金屬基材上，導熱絕緣層的材料包括一高分子母材以及一導熱摻雜物，導熱絕緣層的熱傳導係數介於100至400w/m．k的範圍；接著，對導熱絕緣層的表面進行表面處理，以粗糙化導熱絕緣層表面，以及在表面形成具有原子鍵結的官能基，用以和金屬原子鍵結；藉由無電鍍與電鍍製作一金屬層於導熱絕緣層上。

Description

金屬基高熱傳導基板的製造方法

本發明涉及一種高熱傳導基板及其製造方法，特別是涉及一種金屬基高熱傳導基板以及製造方法。

隨著全球電子科技產業的蓬勃發展，印刷電路板的需求量成長極為快速，電路基板因此而成為現今消費性電子產品和相關資訊、通訊週邊產品以及LED照明，LED車用照明的關鍵組件。然而，電子產品的電路基板始終維持一貫的平面型式。

隨著對於電子產品的效能、速度與外觀要求的提高，無庸置疑的，外型與熱管理是需要被滿足的二大課題，身處關鍵組件位置的電路板，自然也被要求需要具備更多的功能性，包含非平面型式與更高的熱傳導性能。

現行的電路基板製作工藝是採取熱壓法，在一基材上藉由絕緣膠膜將金屬層與之貼合，再在金屬層上製作線路圖案。這樣的方式僅能製作平面電路板，如若需要製作非平面電路板，則需以後加工彎折的方式達到目的，並且，以此種方式只適用可彎折的基材，而依據不同基材的剛性與韌性規格，此時的電路板的線路圖案極可能因此產生斷裂的情況。

對於熱管理問題上的貢獻，受限於現行電路基板的製作工藝的熱壓法，貼合基材與金屬層的絕緣膠膜，在必須達到絕緣的要求下，只能捨棄熱傳導的能力，即使在所謂的金屬基電路基板上，也以2~3W/M.K的熱傳導係數居多，極難滿足電子產品日益增加的熱能傳遞，尤其在高功率與車用LED照明的應用上特別明顯。

本發明所欲解決的技術問題在於，如何將導熱效果更好的材料作為製作平板狀與非平板狀電路板的基材，用以製作線路化元件。

為了解決上述的技術問題，本發明所採用的其中一技術方案是，提供一種金屬基高熱傳導基板的製造方法。前述的製造方法包括：提供一金屬基材，金屬基材可為平板狀或非平板狀；製作一高導熱絕緣層於所述基材上，其中，所述高導熱絕緣層的材料包括一高分子母材以及一導熱摻雜物，且導熱絕緣層的熱傳導係數介於100至400W/m．K；對導熱絕緣層的表面執行一表面處理，以粗糙化導熱絕緣層的表面，以及在表面形成具有原子鍵結的官能基，以和金屬原子鍵結；以及通過無電鍍與電鍍工藝，製作一金屬層在經過表面處理的導熱絕緣層上，供作製作電路之用。

本發明所採用的另一技術方案是提供一種金屬機高熱傳導基板，其包括：金屬基材、導熱絕緣層以及金屬層。導熱絕緣層設置於金屬基材上，並包括高分子母材及導熱摻雜物，導熱絕緣層的熱傳導係數介於100至400W/m．K。金屬層設置於導熱絕緣層上，且包括一無電電鍍金屬層以及一有電電鍍金屬層。無電電鍍金屬層設置於導熱絕緣層與有電電鍍金屬層之間。

本發明的有益效果在於，在本發明技術方案所提供的金屬基高熱傳導基板及其製造方法中，在金屬基材上製作具有高熱傳導係數的導熱絕緣層，並採用具有粗糙化與金屬原子鍵結效能的表面處理工藝，再藉由無電電鍍與有電電鍍工藝，在具有高熱傳導係數的絕緣層上製作一金屬層，以製作電路。採用本發明製作的金屬基高熱傳導基板，能夠將電子元件所產生的熱能，直接、快速的傳遞出去，可以有效的降低電子產品元件的工作溫度，進而增加產品使用壽命。

導熱絕緣層的熱傳導係數，可以透過製作絕緣層時採用的高分子母才與參雜物的種類與比例做調整，常規下的導熱絕緣層的熱傳導係數介於100~400w/mk的範圍。

為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與附圖，然而所提供的附圖僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。

P1‧‧‧金屬基高熱傳導基板

10‧‧‧金屬基材

10a‧‧‧第一表面

10b‧‧‧第二表面

11、11’‧‧‧導熱絕緣層

11s‧‧‧表面

12‧‧‧保護層

13’、13‧‧‧金屬層

130’、130‧‧‧無電電鍍金屬層

131、131’‧‧‧有電電鍍金屬層

S100~S400‧‧‧流程步驟

13h‧‧‧開口圖案

圖1為本發明一實施例的金屬基高熱傳導基板的製造方法的流程圖。

圖2A為本發明一實施例的金屬基高熱傳導基板在製造流程中的局部剖面示意圖。

圖2B為本發明一實施例的金屬基高熱傳導基板在製造流程中的局部剖面示意圖。

圖2C為本發明一實施例的金屬基高熱傳導基板在製造流程中的局部剖面示意圖。

圖2D為本發明一實施例的金屬基高熱傳導基板在製造流程中的局部剖面示意圖。

圖2E為本發明一實施例的金屬基高熱傳導基板在製造流程中的局部剖面示意圖。

圖2F為本發明一實施例的金屬基高熱傳導基板在製造流程中的局部剖面示意圖。

圖2G為本發明一實施例的金屬基高熱傳導基板在製造流程中的局部剖面示意圖。

圖2H為本發明一實施例的金屬基高熱傳導基板在製造流程中的局部剖面示意圖。

請參閱圖1。圖1為本發明一實施例的金屬基高熱傳導基板的製造方法的流程圖。

在步驟S100中，提供一金屬基材。接著，在步驟S200中，形成一導熱絕緣層於金屬基材上。在步驟S300中，對導熱絕緣層執行一表面處理。之後，在步驟S400中，形成一金屬層於導熱絕緣層上。

詳細的製程步驟請參照圖2A至圖2H。圖2A至圖2H分別顯示本發明實施例的金屬基高熱傳導基板在不同的製造步驟中的局部剖面示意圖。

首先，如圖2A所示，提供一金屬基材10。金屬基材10可以平板狀基材或者是非平板狀基材。非平板狀基材例如是電子產品的散熱件、半導體元件的承載座等具有不規則形狀或者凹凸結構的基材。

在本實施例中，金屬基材10是非平板狀基材，並具有一第一表面10a以及一第二表面10b。須說明的是，本實施例中第一表面10a與第二表面10b都是凹凸表面。前述的凹凸表面是泛指非平坦的表面，也就是說，凹凸表面可以包括曲面、斜面、階梯面、凹陷表面、凸起表面或前述任意組合。根據基材10形狀的不同，凹凸表面的最高點和最低點之間的垂直差距(高低差)可能由0.01公分(cm)至5公分(cm)。在另一實施例中，第一表面10a為凹凸表面，而第二表面10b為平坦表面。

另外，金屬基材10的材料可以是金屬或者是合金，其例如是鋁、銅、鐵、錫、鎳、不鏽鋼等等。

接著，如圖2B所示，在金屬基材10上形成導熱絕緣層11’。須說明的是，導熱絕緣層11’至少會覆蓋金屬基材10預定要形成金屬層的區域。

舉例而言，當金屬基材10為散熱件時，前述的第一表面10a可以是散熱件的上表面，而第二表面10b是散熱件的底表面。因此，導熱絕緣層11’是覆蓋在第一表面10a上，而基材10的第二表面10b沒有覆蓋導熱絕緣層11’。

在另一實施例中，導熱絕緣層11’可以覆蓋基材10的所有表面(包括第一表面10a、第二表面10b以及側表面)，但是後續製程中所形成的金屬層只設置在其中一部分表面(例如是第一表面10a)上。

另外，在一實施例中，導熱絕緣層11’可以利用噴塗法、塗佈法或者是浸塗法來形成於金屬基材10上，其中，噴塗法例如是靜電噴塗法、熱噴塗法、電漿噴塗法等等，塗佈法例如是旋塗法、刮塗法、刷塗法等等。利用噴塗法可以在第一表面10上形成較均勻的導熱絕緣層11’，且噴塗法也適合應用於自動化及批量生產金屬基高熱傳導基板。

在本實施例中，導熱絕緣層11’的熱傳導係數介於100至400W/m.K，以提供較好的散熱效果。具體而言，導熱絕緣層11’的材料包括一高分子母材以及一導熱摻雜物。導熱絕緣層11’的熱傳導係數可以透過調整高分子母材與導熱摻雜物的種類與比例來進行調整。

高分子母材可以是熱塑性或熱固性之材料。高分子母材包含，但不限於，聚乙烯(Polyethylene)、聚丙烯(Polypropylene)、環氧樹脂(Epoxy)、壓克力樹酯、聚氯乙烯(PVC)或其任意組合。導熱摻雜物可以選擇熱傳導係數至少大於100W/m.K的材料，導熱摻雜物包含，但不限於，石墨烯、石墨烯衍生物、氮化鋁、氮化鋁衍生物、氧化鋁、金屬粉(包含合金粉)或其任意組合。在一實施例中，導熱摻雜物的重量是佔導熱絕緣層的總重量的40至70%。

在本實施例中，導熱絕緣層11’是形成在金屬基材10的其中一部份表面上，而沒有覆蓋基材10的全部表面。也就是說，在本實施例中，在金屬基材10的另一部分表面10b並沒有形成導熱絕緣層11’。另外，導熱絕緣層11’的厚度大約是介於100微米(μm)至200微米(μm)之間。在一實施例中，第一表面10a的高低差至少大於0.1公分(cm)，因此，導熱絕緣層11’的表面具有和第一表面10a相符的輪廓。

請參照圖2C，為了避免金屬基材10的第二表面10b因未被導熱絕緣層11’所覆蓋，而在後續製程中接觸到無電電鍍液以及電鍍液。本發明實施例的金屬基高熱傳導基板的製造方法還可進一步包括，形成保護層12覆蓋金屬基材10的另一部分表面，也就是第二表面10b。

保護層12的材料可為高分子材料。高分子材料可以是熱塑性或者熱固性高分子材料，例如：聚乙烯(Polyethylene)、聚丙烯(Polypropylene)、環氧樹脂(Epoxy)、聚氯乙烯(PVC)、壓克力樹酯或者其任意組合。只要可用以保護金屬基材10，本發明並不限制保護層12的材料。

保護層12可以通過塗佈方式形成於金屬基材10上。另外，先說明的是，在此步驟中形成於金屬基材10上的保護層12，可以在後續步驟中被移除。

在一實施例中，保護層12和導熱絕緣層11’是彼此互不重疊。在另一實施例中，保護層12和導熱絕緣層11’會相互重疊於二者的交界處。也就是說，保護層12的邊緣部分可和導熱絕緣層11’的邊緣部分相互重疊(圖未示)。

須說明的是，當導熱絕緣層11’完全覆蓋金屬基材10的所有表面時，形成保護層12的步驟也可以被省略。

接著，如圖2D所示，對導熱絕緣層11’執行一表面處理，以粗糙化導熱絕緣層11的一表面11s，以及在表面形成具有原子鍵結的官能基，用以和金屬原子鍵結。

具體而言，在本實施例中，是通過一表面處理液，以粗糙化導熱絕緣層11的表面11s，並且對表面11s進行改質。據此，經過表面前處理之後，表面11s的表面粗糙度是介於0.1微米至1微米。

進一步而言，在一實施例中，在執行表面前處理的步驟之後，表面11s會具有多個微孔洞。另外，在本實施例中，微孔洞的孔徑尺寸介於0.01微米(μm)至5微米(μm)。

另外，利用表面處理液也可對表面11s進行改質，而在表面11s形成可和金屬原子鍵結的官能基。前述的官能基形成於多個微孔洞內，且官能基可含有陰離子以及陽離子至少其中一種，例如是含有：氯離子(Cl^-)、亞硫酸根離子(SO₃ ^-)、硝酸根離子(NO₃ ^-)、溴離子(Br^-)、鈉離子(Na⁺)、鉀離子(K⁺)或其任意組合。在一實施例中，是利用具有界面活性劑的表面處理液來對表面11s進行表面改質，且界面活性劑含有前文中所列舉的官能基。須說明的是，表面11s是在後續製程中預定要形成金屬層的區域。也就是說，被粗糙化的表面11s可以是導熱絕緣層11’的所有外表面或者是導熱絕緣層11’的外表面的其中一部分。

舉例而言，當導熱絕緣層11形成於金屬基材10的所有表面(包括第一表面10a、第二表面10b以及側表面)，且在後續製程中，只有在第一表面10a上形成金屬層時，會將只有覆蓋第一表面11a的一部分導熱絕緣層11’的外表面定義為待鍍的表面11s。也就是說，只有導熱絕緣層11的其中一部分外表面(待鍍的表面11s)會被粗糙化，而另一部分外表面則不會特別進行表面處理。因此，在進行表面處理之後，導熱絕緣層11的外表面在不同的區域會具有不同的表面粗糙度。導熱絕緣層11沒有進行表面前處理的部分在後續步驟中並不會形成金屬層，因而可用來保護金屬基材10。

接著，如圖2E至圖2H所示，形成金屬層於導熱絕緣層11上，以製作電路。具體而言，如圖2E所示，先形成一無電電鍍金屬層130’於導熱絕緣層11的待鍍表面11s上。也就是說，先通過一無電電鍍法來形成前述的無電電鍍金屬層130’。無電電鍍金屬層130’的材料可以是銅、鋁、鎳、金等導電材料。另外，無電電鍍金屬層130’的厚度大約是介於0.3至0.6微米(μm)。

隨後，如圖2F所示，在無電電鍍金屬層130’上形成一有電電鍍金屬層131’，有電電鍍金屬層131’的厚度至少超過20微米(μm)。也就是說，在進行無電電鍍法之後，再執行有電電鍍法來增加金屬層的總厚度。無電電鍍金屬層130’與有電電鍍金屬層131’共同形成一金屬層13’。在本實施例中，金屬層13’會覆蓋導熱絕緣層11的整個表面11s。

須說明的是，在本實施例中，在形成無電電鍍金屬層130’之前，先對導熱絕緣層11進行表面處理，以形成粗糙的表面11s，以及在粗糙的表面11s形成具有原子鍵結的官能基，用以和金屬原子鍵結。粗糙的表面11s可以進一步增加形成官能基的表面積，且粗糙的表面11s也可增加金屬與導熱絕緣層11之間的結合力。

因此，金屬層13’與導熱絕緣層11之間的附著力可以進一步提升。如此，可降低金屬層13’由金屬基材10上脫落的機率，而可提高產品良率。在一實施例中，金屬層13’的附著力至少1.2Kg，而可符合目前電路板的檢驗規範。

另外，在通過有電電鍍法形成有電電鍍金屬層131’時，須將金屬基材10整個浸入電鍍液中。由於本實施例的金屬基材10的材料是金屬材料，因此先前步驟中(圖2C)所形成的保護層12，可以使金屬基材10和電鍍液隔絕。

接著，請參照圖2G，在完成有電電鍍金屬層131’的製作之後，去除保護層12。在一實施例中，可以直接從金屬基材10剝離保護層12。在其他實施例中，也可以通過化學溶液將保護層12去除。

請參照圖2H，圖案化無電電鍍金屬層130’與有電電鍍金屬層131’，以形成線路化的金屬層13。通過上述步驟，可形成本發明其中一實施例的金屬基高熱傳導基板P1。

在一實施例中，圖案化無電電鍍金屬層130’與有電電鍍金屬層131’可以利用現有的塗布光阻、微影、蝕刻等步驟來實現，以使線路化的金屬層13具有預定的圖案。在另一實施例中，可以利用雷射雕刻來圖案化無電電鍍金屬層130’與有電電鍍金屬層131’。

在本實施例中，圖案化的無電電鍍金屬層130以及圖案化的有電電鍍金屬層131共同形成線路化的金屬層13。線路化的金屬層13具有一開口圖案13h，而使導熱絕緣層11的其中一部份表面由開口圖案13h中被暴露出來。

在完成金屬層13’、13的製作後，後續還可進一步在金屬基高熱傳導基板P1上形成防焊層(solder mask)、形成多個用以連接外部線路的端子以及分板(de-panel)等製程。

綜合上述，本發明的有益效果在於本發明技術方案所提供的金屬基高熱傳導基板及其製造方法，其通過“在金屬基材10上形成熱傳導係數介於100至400W/m.K的導熱絕緣層11，對導熱絕緣層11執行一表面前處理，再於導熱絕緣層11上形成金屬層13’、13”的技術手段，可直接在立體狀金屬基材10的表面上形成金屬層13’、13，並且使金屬基高熱傳導基板P1具有良好的導熱效果。

須說明的是，現有技術手段中，通過壓合所形成的電路板主體只能形成平板狀，而無法具有立體結構。相較於先前的技術手段，本發明實施例所提供的製造方法可以在具有任意形狀的基材上形成金屬層13’、13。

據此，通過本發明實施例所提供的製造方法，可以利用電子產品散熱件、零組件、半導體元件的承載座、連接器等具有不規則形狀的零件直接做為金屬基材10，並將金屬層13’直接形成在金屬基材10上，以供製作電路。如此，電子元件可以直接焊接在金屬層13’、13上，而可省略現有的平板狀電路板或軟性電路板，進而可縮減電子產品的體積。

另外，相較於現有的電路板所使用的絕緣材料(玻璃纖維膠膜板)，本發明實施例中的導熱絕緣層11的熱傳導係數更高。當本實施例的金屬基高熱傳導基板P1配合裝設於其上的電子元件操作時，導熱絕緣層11可以提供更好的導熱效果。

進一步而言，當金屬基材10的材料為鋁時，已塗佈導熱絕緣層11的金屬基材10整體的熱傳導係數(K值)可高達150W/m．K，是市售鋁基板的75倍。當金屬基材10的材料為銅時，已塗佈導熱絕緣層11的金屬基材10整體的熱傳導係數(K值)更可高達350W/m．K。

採用本發明製作的金屬基高熱傳導基板P1，能夠將電子元件所產生的熱能，直接、快速的傳遞出去，可以有效的降低電子產品元件的工作溫度，進而增加產品使用壽命。

另外，導熱絕緣層11的熱傳導係數，可以透過調整高分子母材與摻雜物的種類與比例來調整。常規下的導熱絕緣層11的熱傳導係數介於100~400w/mk的範圍。

以上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此侷限本發明的申請專利範圍，所以凡是運用本發明說明書及附圖內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的申請專利範圍內。

Claims

一種金屬基高熱傳導基板的製造方法，其包括：提供一金屬基材；製作一導熱絕緣層於所述金屬基材上，其中，所述導熱絕緣層的材料包括一高分子母材以及一導熱摻雜物，且所述導熱絕緣層的熱傳導係數介於100至400W/m．K；對所述導熱絕緣層的一表面執行一表面處理，以粗糙化所述導熱絕緣層的表面，以及在所述表面形成具有原子鍵結的官能基，以和金屬原子鍵結；以及製作一金屬層於經所述表面處理的所述導熱絕緣層上。
如請求項1所述的製造方法，其中，形成所述金屬層的步驟還進一步包括：形成一無電電鍍金屬層於所述導熱絕緣層上；以及形成一有電電鍍金屬層於所述無電電鍍金屬層上，其中，所述有電電鍍金屬層的厚度大於所述無電電鍍金屬層的厚度。
如請求項2所述的製造方法，其中，形成所述金屬層的步驟還進一步包括：圖案化所述無電電鍍金屬層與所述有電電鍍金屬層。
如請求項2所述的製造方法，其中，所述導熱絕緣層覆蓋所述基材的其中一部分表面，且在形成所述無電電鍍金屬層的步驟之前，形成一保護層覆蓋所述基材的另一部分表面；以及在形成所述有電電鍍金屬層的步驟之後，去除所述保護層。
如請求項1所述的製造方法，其中，所述金屬基材為平板狀基材或非平板狀基材，且所述導熱絕緣層直接形成於所述金屬基材上。
如請求項1所述的製造方法，其中，所述導熱摻雜物的熱傳導係數至少大於100W/m．K，且所述導熱摻雜物的重量佔所述導熱絕緣層的總重量的40至70%。
如請求項1所述的製造方法，其中，所述高分子母材包含聚乙烯、聚丙烯、環氧樹脂、壓克力樹酯、聚氯乙烯(PVC)或其任意組合，且所述導熱摻雜物包含石墨烯、石墨烯衍生物、氮化鋁、氮化鋁、氮化鋁衍生物、氧化鋁、金屬粉或其任意組合。
如請求項7所述的製造方法，其中，在執行表面處理的步驟之後，所述導熱絕緣層的所述表面具有多個微孔洞，所述官能基形成於多個所述微孔洞內，且所述官能基含有包括氯離子(Cl^-)、亞硫酸根離子(SO₃ ^-)、硝酸根離子(NO₃ ^-)、溴離子(Br^-)、鈉離子(Na⁺)、鉀離子(K⁺)或其任意組合。