TWI704652B - 在佈局有電路的陶瓷基板上成形環繞壁的方法及該基板 - Google Patents
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Abstract
一種在佈局有電路的陶瓷基板上成形環繞壁的方法及該基板,該方法使至少一絕緣環繞壁成形於一陶瓷基板,該陶瓷基板具有一陶瓷基板本體及一金屬電路層,該陶瓷基板本體包含一上表面和一下表面,該金屬電路層佈局在至少該上表面,供設置至少一電子元件,其中該金屬電路層包括至少複數彼此獨立的金屬接墊/導線,且前述彼此獨立的接墊/導線間存有間隔;藉由在陶瓷基板本體中每個絕緣環繞壁範圍內、且未佈局金屬電路層處設置貫穿陶瓷基板本體的排氣孔,供在上述電子元件發熱而產生熱氣膨脹或分解發出氣體時提供洩壓的額外功效。
Description
本發明是有關於一種陶瓷基板及製法,特別是關於一種在佈局有電路的陶瓷基板上成形環繞壁的方法及該基板。
隨著科技不斷地快速演進,目前手機閃光燈、辨識系統、汽車頭燈、集漁燈、工程照明或景觀照明等光學產品皆以高效能與微型化為發展的方向,其中最常應用於光學產品的技術為LED(發光二極體)與VCSEL(垂直共振腔面射型雷射),但目前因受限於製程技術限制,元件尺寸的小型化已達瓶頸,且擋牆與陶瓷基板之間的附著力極差,導致產品良率大幅下降。
一般光學元件的封裝結構包含基板以及連結基板的環繞壁,而晶粒則是設置於基板和環繞壁形成的容置空間,最後再以膠體、塑膠片或玻璃片等完成封裝,其中環繞壁對於光學產品的發光效能及色溫均勻性有極大的影響。現今最普遍的製程是以焊接、電鍍或鋁板貼合的方式連接金屬環繞壁於基板,但因金屬環繞壁具有導電特性,使得線路的規劃受到了限制,再加上製程技術的關係,使用金屬環繞壁的基板至多僅能縮小至35mm見方的尺寸,難以達成小型化的目標;另方面,若使用高精度的光阻膜曝光顯影技術形成環繞壁於基板上,則因過程繁雜且作業費時,使生產的成本大幅提升。此外,上述方式皆具有製程溫度高的問題,進而產
生膨脹係數相異的材質受熱應力變形的現象,使製程的良率大幅下降。
更有甚者,如圖8所示,例如在陶瓷基板81上依照每一容置空間82中安裝一個LED晶粒,並在絕緣環繞壁84上方以玻璃封裝後,組成一個陣列發光的表面安裝的光學元件85,此種元件在表面安裝到電路板上時,必須經過迴焊機加熱,有時會因容置空間82內部壓力暴增而導致上述光學元件85封裝的玻璃等材料與絕緣環繞壁84封裝位置爆裂而損壞。由於電路上的元件在安裝及使用過程中,多有高溫環境,也使得此種結構的穩定性不足,使用壽命大受影響。
進一步,有業者對上述結構提出改良,如圖9所示,在絕緣環繞壁94上成形一個排氣孔93,使得封裝後的表面安裝以及操作過程中,容置空間中氣體受熱膨脹時,可以經由排氣孔93向外逸出。然而,有時陶瓷基板91的母片較大,單片陶瓷基板91母片上可以批次同步成形多個電路元件95,因此在封裝完畢後會有切割分離的程序,此時的切割常會噴水降溫,切割所產生的殘屑也會四處散佈,這種向上方開啟的排氣孔93,一旦有冷卻水或殘屑進入,就會嚴重干擾電路元件95本身的性能,大幅降低產出良率。
尤其,在LED晶粒以及光感測器晶粒等光學結構大幅微型化的潮流趨勢下,如果不能將搭配使用的電路保護元件對應縮小化,仍然要佔用以往相同大小的電路面積安裝這類電路保護元件,則光學結構微型化的效益將被大幅侵蝕。
因此,如何提出一種在陶瓷基板以及在陶瓷基板成形環繞壁的方法,一方面使製程溫度能夠降低,另方面提升整體製造良率,確保在
高溫的安裝或操作環境中使用的穩定性,甚至進一步將電路的保護元件隱藏,藉以讓容置空間微型化成為可能,就是現今亟需努力的議題。
有鑑於上述缺點,本發明的主要目的,在於提供一種在佈局有電路的陶瓷基板上成形環繞壁的方法,能夠大幅降低製程溫度,降低結構受熱變形,藉此提升陶瓷基板的製造良率。
本發明的另一目的,在於提供一種具環繞壁的佈局有電路的陶瓷基板,藉由陶瓷基板上的排氣孔,有效改善環繞壁和封裝之間爆裂問題,提升產品良率和使用穩定性。
本發明的再一目的,在於提供一種具環繞壁的佈局有電路的陶瓷基板,能額外確保金屬電路層的金屬接墊/導線間以及金屬接點之間彼此絕緣。
本發明的又一目的,在於提供一種具環繞壁的佈局有電路的陶瓷基板,能改善突波防禦問題。
為達上述目的,本發明提供一種具環繞壁的佈局有電路的陶瓷基板,該基板包括:一陶瓷基板本體,包含一上表面和相反於該上表面的一下表面;一個佈局在至少該上表面的金屬電路層,供設置至少一電子元件,其中該金屬電路層包括至少複數彼此獨立的金屬接墊/導線,且前述彼此獨立的接墊/導線間存有間隔;至少一環繞至少部分該金屬電路層的絕緣環繞壁,上述絕緣環繞壁是以一膠性基材製成,上述絕緣環繞壁從該上表面朝該金屬電路層方向延伸且高度高於上述金屬電路層,使上述絕緣環繞壁與該陶瓷基板本體共同形成一個部分環繞上述電子元件的容置空間;
以及上述膠性基材至少部分填入上述間隔,使得夾制形成上述間隔的上述接墊/導線間彼此絕緣;以及上述陶瓷基板本體在上述絕緣環繞壁圍繞範圍內,在未佈局有上述金屬電路層處形成有至少一個排氣孔。
為達上述目的,本發明同時提供一種在佈局有電路的陶瓷基板上成形環繞壁的方法,使至少一絕緣環繞壁成形於一陶瓷基板,該陶瓷基板具有一陶瓷基板本體及一金屬電路層,該陶瓷基板本體包含一上表面和相反於該上表面的一下表面,該金屬電路層佈局在至少該上表面,供設置至少一電子元件,其中該金屬電路層包括至少複數彼此獨立的金屬接墊/導線,且前述彼此獨立的接墊/導線間存有間隔,該方法包括下列步驟:
a)將該陶瓷基板本體設置於一上模具,以及將一離型膜設置於一下模具,其中該金屬電路層朝該下模具方向設置;
b)將液態狀的一膠性基材注入於該離型膜接近該上模具的一側;
c)該上模具與該下模具互相貼近,對該陶瓷基板本體及該膠性基材加熱壓合,使上述膠性基材至少部分填入上述間隔,使得夾制形成上述間隔的上述接墊/導線間彼此絕緣,以及該膠性基材固化後形成至少一環繞至少部分該金屬電路層的絕緣環繞壁;
d)該上模具與該下模具互相遠離,使該陶瓷基板本體脫離該離型膜,其中上述絕緣環繞壁從該上表面朝該金屬電路層方向延伸且高度高於上述金屬電路層,使上述絕緣環繞壁與該陶瓷基板本體共同形成一個部分環繞上述電子元件的容置空間;以及
e)在步驟a)前或步驟d)後,在上述陶瓷基板本體形成上述絕緣環繞壁範圍內、且未佈局上述金屬電路層處形成至少一個排氣孔。
相較於習知技術,本發明揭露的一種在佈局有電路的陶瓷基板上成形環繞壁的方法及該基板,是以膠性基材做為絕緣環繞壁,並透過低溫加熱壓合的方式成形絕緣環繞壁於陶瓷基板上,大幅降低製程溫度,減少結構受熱變形,同時有部分膠性基材會被填入金屬電路層彼此獨立的接墊/導線的間隔,確保金屬接墊/導線彼此絕緣;此外,藉由在陶瓷基板本體中每個預定的絕緣環繞壁範圍內、且未佈局預定的金屬電路層處設置貫穿陶瓷基板本體的排氣孔,使得上述電路元件在表面安裝或使用過程中,可以將溫差所導致的氣體膨脹洩壓,確保封裝的結構不會爆裂而受損,提升產品良率及操作穩定性,並且可進一步將保護元件至少部分設置於環繞壁處,藉此使得整體電路元件順利微型化。
31~35、31’~36’‧‧‧步驟
10、81、91‧‧‧陶瓷基板
11、11’‧‧‧陶瓷基板本體
12、12’‧‧‧金屬電路層
13、13’、93‧‧‧排氣孔
14‧‧‧間隔
15、15’、84、94‧‧‧絕緣環繞壁
16、82‧‧‧容置空間
21‧‧‧上模具
22‧‧‧下模具
23‧‧‧離型膜
24、24’‧‧‧膠性基材
55’‧‧‧貫穿孔
56’‧‧‧電路保護元件
85‧‧‧光學元件
95‧‧‧電路元件
111‧‧‧上表面
112‧‧‧下表面
121‧‧‧金屬接墊
122、122’‧‧‧金屬接點
123‧‧‧金屬導線
141‧‧‧分割槽
221‧‧‧凹槽
222‧‧‧突起部
圖1為本發明在佈局有電路的陶瓷基板上成形環繞壁方法的第一較佳實施例的流程圖。
圖2為圖1第一較佳實施例合模步驟的示意圖。
圖3為圖1第一較佳實施例脫模步驟的示意圖。
圖4為圖1實施例所製造形成有絕緣環繞壁的陶瓷基板的局部放大圖。
圖5為本發明具環繞壁的佈局有電路的陶瓷基板第二較佳實施例脫模後的局部放大示意圖。
圖6為本發明具環繞壁的佈局有電路的陶瓷基板第二較佳實施例包含電路保護元件的局部放大示意圖。
圖7為本發明在佈局有電路的陶瓷基板上成形環繞壁方法的第二較佳實施
例的流程圖。
圖8為本案之一先前技術之示意圖。
圖9為本案之另一先前技術之示意圖。
以下藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式,熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之優點與功效。
本說明書所附圖式所繪示之結構、比例、大小等,均僅用以配合說明書之揭示內容,以供熟悉此技藝之人士瞭解與閱讀,並非用以限定本發明可實施之限定條件,任何結構之修飾、大小之調整或比例關係之改變,在無實質變更技術內容下,當亦視為本發明可實施之範疇。
本發明在佈局有電路的陶瓷基板上成形環繞壁的方法的第一較佳實施例如圖1所示,請一併參照圖2至4,於步驟31將陶瓷基板本體11以例如負壓吸取而結合至上模具21下方,使要成形環繞壁的一面朝向下模具22,並將離型膜23設置於下模具22上;接著如步驟32所示,將膠性基材24注入於離型膜23接近上模具21的一側。本例中膠性基材24為液態狀且具熱固性的矽膠,當然,本發明技術領域具有通常知識者也可以任意選擇例如環氧樹脂、或其他樹脂等具有冷卻固化或紫外光照射固化特性的膠性基材,或使用加入螢光粉、吸光材質、反光材質等功能性原料而成的複合性膠性基材,均無礙於本案實施。
接下來如步驟33所述,上模具21與下模具22互相貼近,對陶瓷基板本體11及膠性基材24以低於300度的溫度加熱壓合,此時,膠性基材24主要被擠壓填滿下模具22的模穴,並且在加壓過程中逐漸結合至陶瓷基
板本體11,尤其在合模後,由於壓力與溫度的影響,膠性基材24不僅填滿模穴,膠性基材還至少部分被擠壓進入金屬接墊121之間數十至數百微米(μm)的間隔14中,使得金屬接墊121之間以及金屬導線123之間彼此絕緣。此外,在合模後同時填入下模具22的凹槽221中的膠性基材24,會在陶瓷基板本體11上逐漸固化,形成環繞部分金屬電路層12的絕緣環繞壁15。
隨後在步驟34脫模時,上模具21與下模具22逐漸互相遠離,由於離型膜23的作用,成形的絕緣環繞壁15完全不會沾黏在下模具22上,而穩固地結合在陶瓷基板本體11處,從上表面111朝金屬電路層12方向延伸且高度高於金屬電路層12,使絕緣環繞壁15與陶瓷基板本體11共同形成供設置電子元件的容置空間16。此處容置空間16的大小以及絕緣環繞壁15的高度和尺寸,都是由下模具22的凹槽221的間距和形狀所決定。凹槽221內亦可形成有突起部222,使絕緣環繞壁15形成有對應突起部222的分割槽141,讓陶瓷基板10可易於被分割為較小單位;當然,亦可根據切割儀器的條件決定凹槽221內是否形成有突起部222,或相異形狀的突起部222。
最後是步驟35,在每一絕緣環繞壁15範圍內未佈局金屬電路層12處,以例如雷射光束鑽孔,形成至少一個排氣孔13,藉此保持容置空間16對外的通氣性,甚至在上述電子元件操作發熱時,可以藉由容置空間中的空氣被加熱排出而達到額外的散熱功效,並且在整體被表面安裝加熱或操作過程發熱時,將容置空間中的空氣受熱膨脹及時提供洩壓的途徑。
藉由上述步驟,可以順利將絕緣環繞壁成形於陶瓷基板10,本例中的陶瓷基板10主要包括陶瓷基板本體11、已經佈設於陶瓷基板本體11上的金屬電路層12,陶瓷基板本體11包含上表面111和相反於上表面111
的下表面112,金屬電路層12則包括佈局在上表面111的金屬接墊121、線路(圖未示)、貫穿陶瓷基板本體11的金屬導線123、以及佈局在下表面112處的金屬接點122,由於金屬導線123導接金屬接墊121與金屬接點122,使得將來要安裝於金屬接墊121上的例如LED晶粒的電子元件,可以經由金屬接點122而獲得致能電流或電訊號,尤其在各絕緣環繞壁中避開金屬電路層的位置分別都形成有貫穿陶瓷基板本體11的排氣孔13。
本例陶瓷基板10中相鄰的絕緣環繞壁15和其包圍形成的容置空間16將可被切割作為設置LED晶粒的空間;當然,如熟悉本技術領域人士所能輕易理解,若陶瓷基板要用來製造多晶胞的VCSEL,也可以不進行分割而直接使用。雖然上述實施例是在成形絕緣環繞壁,基板由模具中取出後才進行穿孔的步驟,但此種順序並非本發明的侷限,本技術領域內具有通常知識的技術人士應可以理解,此處鑽孔步驟也可以提前到步驟1之前而不妨礙本發明之實施。
本案具環繞壁的佈局有電路的陶瓷基板之第二較佳實施例如圖5至7所示,其中與前例相同部分於此例不再贅述,僅就差異部分提出說明。在本例中是在步驟31’之前先執行步驟35’,預先在陶瓷基板本體11’中預定的每個絕緣環繞壁範圍內、未佈局預定的金屬電路層處,例如以蝕刻工藝形成至少一個直徑約60至150μm的排氣孔13’,以及在每個預定的絕緣環繞壁設置的位置預定切割路徑上形成至少一貫穿孔55’;膠性基材24’在加熱壓合時會被擠壓進入貫穿孔55’中,使得形成的絕緣環繞壁15’垂直於陶瓷基板本體11’且一體成形的插入貫穿孔55’中以增強絕緣環繞壁15’和陶瓷基板本體11’之間的結合更牢固,並且膠性基材24’還會被擠壓穿過貫穿孔
55’而注入金屬接點122’之間,使得金屬接點122’之間彼此絕緣。
此外,本例中除與第一實施例相同的結構外,更在步驟35’和步驟31’之間,額外在陶瓷基板11’的金屬電路層上,以步驟36’設置有至少一個電路保護元件56’。本例中的電路保護元件56’是焊接結合於陶瓷基板本體11’上的齊納二極體,尤其金屬電路層12’在陶瓷基板本體11’預定形成絕緣環繞壁15’的範圍中,形成有上述電路保護元件56’的接墊,因此膠性基材不僅會由貫穿孔55’處進入陶瓷基板本體,還會至少部分遮蔽齊納二極體,且可以選擇與金屬電路層12’電性絕緣或藉由在金屬電路層12’中形成穿經上述絕緣環繞壁15’的線路而導通,藉此將電路保護元件56’至少部分包埋於上述絕緣環繞壁15’中,在遭遇突波大電流時保護金屬電路層12’的電路以及預定安裝的電子元件,更使得電路保護元件56’至少部分不需要佔用絕緣環繞壁內的容置空間,使得整體元件的微型化成為可能。
本發明之在佈局有電路的陶瓷基板上成形環繞壁的方法及該基板,透過壓模的方式使液態狀的膠性基材在陶瓷基板上成形為固化的絕緣環繞壁,一方面大幅降低既有製程中的高溫環境,防止陶瓷基板因高溫產生熱應力及膨脹收縮而導致產品良率下降;此外,亦可提高絕緣環繞壁成形於陶瓷基板的位置精準度,避免電銲過程產生的誤差或錯位,也可以同時簡化作業流程。另一方面,液態狀的膠性基材也會填入金屬電路層中金屬接墊或導線中的間隙以及金屬接點之間的間隙,在膠性基材固化後可以確保原本應彼此獨立的金屬接墊或導線相互絕緣。此外,本發明提出的方法在絕緣環繞壁範圍內、且未佈局金屬電路層處形成至少一個排氣孔,可對於上述電子元件提供額外的散熱功效,並且在上述電子元件發熱
而產生熱氣膨脹或分解發出氣體時提供洩壓的額外功效。本發明還在陶瓷基板本體上絕緣環繞壁的範圍中形成電路保護元件,藉此在遭遇突波大電流時保護金屬電路層的電路以及預定安裝的電子元件。
惟以上所述者,僅為本發明之較佳實施例而已,不能以此限定本發明實施之範圍,凡是依本發明申請專利範圍及說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾,皆應仍屬本發明涵蓋之範圍內。經過本發明較佳實施例之描述後,熟悉此一技術領域人員應可瞭解到,本案實為一新穎、進步且具產業實用性之發明,深具發展價值。
10‧‧‧陶瓷基板
11‧‧‧陶瓷基板本體
12‧‧‧金屬電路層
13‧‧‧排氣孔
14‧‧‧間隔
15‧‧‧絕緣環繞壁
16‧‧‧容置空間
23‧‧‧離型膜
24‧‧‧膠性基材
111‧‧‧上表面
112‧‧‧下表面
121‧‧‧金屬接墊
122‧‧‧金屬接點
123‧‧‧金屬導線
141‧‧‧分割槽
221‧‧‧凹槽
222‧‧‧突起部
Claims (10)
- 一種在佈局有電路的陶瓷基板上成形環繞壁的方法,使至少一絕緣環繞壁成形於一陶瓷基板,該陶瓷基板具有一陶瓷基板本體及一金屬電路層,該陶瓷基板本體包含一上表面和相反於該上表面的一下表面,該金屬電路層佈局在至少該上表面,供設置至少一電子元件,其中該金屬電路層包括至少複數彼此獨立的金屬接墊/導線,且前述彼此獨立的接墊/導線間存有間隔,該方法包括下列步驟:a)將該陶瓷基板本體設置於一上模具,以及將一離型膜設置於一下模具,其中該金屬電路層朝該下模具方向設置;b)將液態狀的一膠性基材注入於該離型膜接近該上模具的一側;c)該上模具與該下模具互相貼近,對該陶瓷基板本體及該膠性基材加熱壓合,使上述膠性基材至少部分填入上述間隔,使得夾制形成上述間隔的上述接墊/導線間彼此絕緣,以及該膠性基材固化後形成至少一環繞至少部分該金屬電路層的絕緣環繞壁;d)該上模具與該下模具互相遠離,使該陶瓷基板本體脫離該離型膜,其中上述絕緣環繞壁從該上表面朝該金屬電路層方向延伸且高度高於上述金屬電路層,使上述絕緣環繞壁與該陶瓷基板本體共同形成一個部分環繞上述電子元件的容置空間;以及e)在步驟a)前或步驟d)後,在上述陶瓷基板本體形成上述絕緣環繞壁範圍內、且未佈局上述金屬電路層處形成至少一個排氣孔。
- 如申請專利範圍第1項所述之在佈局有電路的陶瓷基板上成形環繞壁的方法,其中該膠性基材為矽膠。
- 如申請專利範圍第1項所述之在佈局有電路的陶瓷基板上成形環繞壁的方法,其中該膠性基材為環氧樹脂。
- 如申請專利範圍第1項所述之在佈局有電路的陶瓷基板上成形環繞壁的方法,其中上述絕緣環繞壁是於低於300度以下溫度成形。
- 如申請專利範圍第1、2、3或4項所述之在佈局有電路的陶瓷基板上成形環繞壁的方法,更包括在步驟a)前,在上述金屬電路層上設置至少一保護元件的步驟f),其中上述保護元件至少部分被設置於預備成形上述絕緣環繞壁的位置,藉此將前述保護元件至少部分包埋於上述絕緣環繞壁中。
- 一種具環繞壁的佈局有電路的陶瓷基板,該基板包括:一陶瓷基板本體,包含一上表面和相反於該上表面的一下表面;一個佈局在至少該上表面的金屬電路層,供設置至少一電子元件,其中該金屬電路層包括至少複數彼此獨立的金屬接墊/導線,且前述彼此獨立的接墊/導線間存有間隔;至少一環繞至少部分該金屬電路層的絕緣環繞壁,上述絕緣環繞壁是以一膠性基材製成,上述絕緣環繞壁從該上表面朝該金屬電路層方向延伸且高度高於上述金屬電路層,使上述絕緣環繞壁與該陶瓷基板本體共同形成一個部分環繞上述電子元件的容置空間;上述膠性基材至少部分填入上述間隔,使得夾制形成上述間隔的上述接墊/導線間彼此絕緣;以及上述陶瓷基板本體在上述絕緣環繞壁圍繞範圍內,在未佈局有上述金屬電路層處形成有至少一個排氣孔。
- 如申請專利範圍第6項所述之具環繞壁的佈局有電路的陶瓷基板,其中 該膠性基材為矽膠。
- 如申請專利範圍第6項所述之具環繞壁的佈局有電路的陶瓷基板,其中該膠性基材為環氧樹脂。
- 如申請專利範圍第6項所述之具環繞壁的佈局有電路的陶瓷基板,其中上述絕緣環繞壁垂直於該陶瓷基板本體。
- 如申請專利範圍第6、7、8或9項所述之具環繞壁的佈局有電路的陶瓷基板,其中在上述金屬電路層上設置有至少一保護元件,以及上述保護元件至少部分被設置於成形上述絕緣環繞壁的位置,藉此將前述保護元件至少部分包埋於上述絕緣環繞壁中。
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