TWI792852B - 立體散熱電路板組及其製造方法 - Google Patents

Abstract

一種立體散熱電路板組的製造方法包含下列步驟。提供一疊板，疊板包含一金屬載板、一絕緣導熱層及一電路導體層，金屬載板具有相對的一第一面及一第二面，絕緣導熱層疊設於金屬載板之第一面，電路導體層疊設於絕緣導熱層。切割金屬載板之第二面，以於金屬載板之第二面形成一散熱結構。加工電路導體層，以於電路導體層形成一電路圖案。

Description

立體散熱電路板組及其製造方法

本發明係關於一種散熱電路板組的製造方法，特別是一種立體散熱電路板組及其製造方法。

隨著科技發展，於電路板上所設置的功率元件數量越來越多，又或者是例如逆變器用於電動車、充電樁、儲能設備、高速運算等的大功率應用，DC-AC轉換輸出等大電流的應用需求，因為車載電控對於安全性和可靠度要求甚高，同時衍生出電路板需要極大的散熱要求。因此，除了增加銅層厚度以承載數百甚至是上千安培的大電流，連帶著對介面材料及組裝的穩固性有著高標準的規範。

因此，如何在兼顧承載大電流、散熱能量和安全性，且不需使用介面材料或螺絲固定件的情況下，提供有效解決方案實為亟需克服的問題。

本發明在於提供一種立體散熱電路板組及其製造方法，藉以讓立體散熱電路板組兼顧承載大電流、散熱能量和安全性。

本發明之一實施例所揭露之立體散熱電路板組的製造方法包含下列步驟。提供一疊板。疊板包含一金屬載板、一絕緣導熱層及一電路導體層。金屬載板具有相對的一第一面及一第二面。絕緣導熱層疊設於金屬載板之第一面。電路導體層疊設於絕緣導熱層。加工電路導體層，以於電路導體層形成一電路圖案。切割金屬載板之第二面，以於金屬載板之第二面形成一散熱結構。

根據上述實施例之立體散熱電路板組及其製造方法，由於立體散熱電路板組之金屬載板的厚度較厚，並直接加工成型出一體成散熱結構與載板部，使得立體散熱電路板組僅有三層結構。由於三層式立體散熱電路板組的層數小於習知之五層式散熱電路板組的層數，故本實施例之立體散熱電路板組的耐候性、製程容易度及散熱效能皆優於以往的產品，進而能夠兼顧承載大電流、散熱能量和安全性。

此外，由於先疊合金屬載板、絕緣導熱層與電路導體層，再進行散熱結構與電路圖案之加工製作，故可提升立體散熱電路板組的平整度與結構強度。

以上關於本發明內容的說明及以下實施方式的說明係用以示範與解釋本發明的原理，並且提供本發明的專利申請範圍更進一步的解釋。

10、10B、10E、10F:立體散熱電路板組

100、100A、100B、100C、100E、100F:金屬載板

101、101E、101F:第一面

102、102E、102F:第二面

110、110B、110C、110D、110E、110F:載板部

120、120B、120C、120D:散熱柱

120E、120F:散熱凹槽

200、200B、200E、200F:絕緣導熱層

300、300A、300B、300E、300F:電路導體層

310、310B、310E、310F:導電塊

320B:垂直導線架

330B:水平導線架

400E:熱管

400F:流管

410F:液體入口

420F:液體出口

H:高度

T:厚度

G、P:間距

E1、E2:方向

圖1為根據本發明第一實施例所述之立體散熱電路板組的側視示意圖。

圖2至圖8為圖1之立體散熱電路板組的製造流程示意圖。

圖9為根據本發明第二實施例所述之立體散熱電路板組的立體示意圖。

圖10為根據本發明第三實施例所述之立體散熱電路板組的平面示意圖。

圖11為根據本發明第四實施例所述之立體散熱電路板組的平面示意圖。

圖12為根據本發明第五實施例所述之立體散熱電路板組的平面示意圖。

圖13為圖12之分解示意圖。

圖14為根據本發明第六實施例所述之立體散熱電路板組的平面示意圖。

圖15為圖14之分解示意圖。

請參閱圖1。圖1為根據本發明第一實施例所述之立體散熱電路板組10的側視示意圖。

本實施例之立體散熱電路板組10例如應用於車輛之動力電源控制，故需考量立體散熱電路板之承載電流能力、散熱效能和安全性。立體散熱電路板組10包含一金屬載板100、一絕緣導熱層200及一電路導體層300。金屬載板100的材質例如金、銀、銅、鋁等。金屬載板100具有相對的一第一面101及一第二面102，且金屬載板100之第二面102 例如透過機械加工的方式除料切割，使得金屬載板100包含一體成型的一載板部110及多個散熱柱120，且這些散熱柱120構成一散熱結構。也就是說，金屬載板100之第一面101位於載板部110背向散熱柱120之一側，以及金屬載板100之第二面102位於散熱柱120背向載板部110之一側。任二相鄰之這些散熱柱120保持一間距G。間距G大於等於0.5毫米，以及小於等於15毫米，且散熱柱120的高度與間距G的比例例如大於等於1，以及小於等於40。此外，載板部110的厚度例如大於等於0.5毫米，並用以支撐電路導體層300，以兼顧立體散熱電路板組10的整體結構強度。

在本實施例中，散熱柱120呈陣列排列，但並不以此為限。在其他實施例中，散熱柱也可以不呈陣列排列。

在本實施例中，金屬載板100係以柱狀散熱結構為例，但並不以此為限。在其他實施例中，也可以改為片狀散熱結構。

絕緣導熱層200疊設於金屬載板100之載板部110之第一面101，並具有電絕緣與導熱之特性。電路導體層300疊設於絕緣導熱層200，並包含多個相分離的導電塊310。電路導體層300的材質例如為金、銀、銅、鋁或其他具有導電性的材料。也就是說，導電塊310例如為金塊、銀塊、銅塊或、鋁塊或其他具有導電性的材料等導電結構。這些導電塊310形成一電路圖案。

在本實施例中，電路導體層300的厚度例如大於等於0.1毫米，以及小於等於10毫米。導電塊310的厚度T與電路導體層300之任二相鄰導電塊310的間距P的比例例如大於等於0.2，以及小於等於20。 此外，在本實施例中，電路導體層300之任二相鄰導電塊310的間距P例如但不限於大於0.3毫米。

以下將介紹立體散熱電路板組10的製造流程，請參閱圖2至圖8，圖2至圖8為圖1之立體散熱電路板組10的製造流程示意圖。

首先，如圖2所示，提供一金屬載板100。接著，如圖3所示，將絕緣導熱層200疊設於金屬載板100之第一面101。接著，如圖4所示，將電路導體層300之第一面101疊設於絕緣導熱層200，以令金屬載板100、絕緣導熱層200及電路導體層300共同構成一疊板。接著，如圖5與圖6所示，加工電路導體層300，以於電路導體層300形成具有多個導電塊310的一電路圖案。接著，如圖7與圖8所示，切割金屬載板100之第二面102，以於金屬載板100之第二面102形成一散熱結構。

在本實施例中，加工電路導體層的方式為採用複合製程，如機械除料加工搭配化學蝕刻加工，但並不以此為限。在其他實施例中，加工電路導體層的方式亦可改為採單一製程，如機械除料加工或化學蝕刻加工。

此外，於加工電路導體層300，以於電路導體層300形成具有多個導電塊310的一電路圖案之步驟後，還可以包含對形成電路圖案之電路導體層進行一表面處理程序。表面處理程序例如為透過蝕刻製程、雷射製程或噴砂製程來去除絕緣導熱層表面上電路圖案以外之區域之殘留材料(如殘銅)或毛邊。

在本實施例中，形成疊板的步驟係從金屬載板100依序疊設絕緣導熱層200與電路導體層300，但並不以此為限。在其他實施例中， 形成疊板的步驟亦可從電路導體層依序疊設絕緣導熱層與金屬載板。此外，亦可直接拿現成的疊板來進行後續的加工。如此一來，即可省略形成疊板的步驟。

在本實施例中，若絕緣導熱層200由陶瓷材料製成，則金屬載板100、絕緣導熱層200及電路導體層300透過燒結的方式相結合。此外，若絕緣導熱層200由高分子混合材料製成，金屬載板100、絕緣導熱層200及電路導體層300透過熱壓合的方式相結合。

在本實施例中，係先加工電路圖案再切割散熱結構，但並不以此為限。在其他實施例中，也可以先切割散熱結構再加工電路圖案。

相較於以往載板部110與散熱結構為組合式之作法來說，以往的相關產品有電路導體層300、絕緣導熱層200、載板部110、導熱膠、散熱結構五層結構，甚至更多層結構。在本實施例中，由於立體散熱電路板組10之金屬載板100的厚度較厚，並直接加工成型出一體成散熱結構與載板部110，使得立體散熱電路板組10僅有三層結構。由於三層式立體散熱電路板組10的層數小於習知之五層式散熱電路板組的層數，故本實施例之立體散熱電路板組10的耐候性、製程容易度及散熱效能皆優於以往的產品。

在本實施例中，先疊合金屬載板100、絕緣導熱層200與電路導體層300，再進行散熱結構之切割與電路圖案之加工，可提升立體散熱電路板組10的平整度與結構強度。

在本實施例中，由於散熱結構與電路圖案皆係透過機械加工的方式加工而成，故能夠形成厚度較厚(如厚度大於1毫米)之電路導體 層300。厚度較厚之電路導體層300能夠讓立體散熱電路板組10承載數百甚至是上千安培的大電流。用機械加工不但可突破蝕刻技藝的縱橫比限或銅厚的限制，更能利用加工過成中製成對外連接電路之一體成型的導線架，不但可簡化製作流程，更可大幅提昇可其可靠度。

在本實施例中，使用數值控制加工機，配合適當之刀具如銑刀、鑽頭或鋸片等，以金屬除料的方式來形成散熱結構，除可提昇產品尺寸的精準度外，更可透過刀具選擇、加工參數的調整(此為本案與前案之另一差異特徵，建議補充)，來使得加工過程作用力的最小化，進而達到保護立體電路的效果。畢竟絕緣導熱層，無論是陶瓷或高分子材料，皆有硬且脆的特性，若使用冲壓或鍛造方式來形成散熱結構，除造成疊構的變形外，更會使得絕緣導熱層產生裂縫，甚至使得整個疊構破裂分離。

請參閱圖9，圖9為根據本發明第二實施例所述之立體散熱電路板組10的立體示意圖。

在本實施例中，立體散熱電路板組10B包含一金屬載板100B、一絕緣導熱層200B及一電路導體層300B。金屬載板100B與前述實施例之金屬載板100相似，同樣包含相連的一載板部110B及多個散熱柱120B，且絕緣導熱層200B與前述實施例之絕緣導熱層200結構相似，故不再贅述。

在本實施例中，電路圖案包含多個導電塊310B、二垂直導線架320B及一水平導線架330B。這些導電塊310B之部分分別電性連接於二垂直導線架320B。這些導電塊310B之另一電性連接於水平導線 架330B，且水平導線架330B與垂直導線架320B分別沿方向E1、E2延伸，而彼此相垂直。

在本實施例中，垂直導線架320B與其相連的導電塊310B為一體成型之結構，以及水平導線架330B與其相連的導電塊310B為一體成型之結構。舉例來說，於加工形成電路圖案之步驟中一併形成導電塊310B、垂直導線架320B及水平導線架330B。

由於垂直導線架320B係透過機械加工的方式切割而成，故能夠讓垂直導線架320B的高度達到5毫米，甚至更高，以利導電塊310B與外部電源連接，此為以往透過蝕刻製程所無法達成之成果。此外，相較於習知透過焊接的方式連接導線架之結構，本實施例之一體成型之垂直導線架320B，除了能承載較大電流外，亦能提升可靠度。

在本實施例中，除了導電塊310B外更設有垂直導線架320B與水平導線架330B，但並不以此為限。在其他實施例中，也可以僅設有垂直導線架或僅設有水平導線架。此外，在本實施例中，垂直導線架320B的數量為兩個，其斷面為圓形或方形，但並不以此為限。在其他實施例中，垂直導線架的數量也可以改為單個或是多於2個。

在本實施例中，散熱柱120之斷面呈方形，但並不以此為限。請參閱圖10與圖11，圖10為根據本發明第三實施例所述之立體散熱電路板組的平面示意圖。圖11為根據本發明第四實施例所述之立體散熱電路板組的平面示意圖。如圖10所示，散熱結構包含一體成型的一載板部110C及多個散熱柱120C，且這些散熱柱120C之斷面呈菱形。如圖11所示，散熱結構包含一體成型的一載板部110D及多個散熱柱120D，且這些 散熱柱120D之斷面呈圓形。不過，散熱柱的斷面形狀並非用以限制本發明，在其他實施例中，散熱柱的斷面形狀亦可呈平行四邊形。

在上述實施例中，係以單次製程製作單個立體散熱電路板組10為例進行說明。但並不以此為限。在其他實施例中，亦可在單次製程製作出多個立體散熱電路板組，即疊板的尺寸略大於多個立體散熱電路板組的整體尺寸，在疊板切割出散熱結構與加工出電路圖案後，再透過切割加工後之疊板，以一次性分割出多個立體散熱電路板組。

請參閱圖12與圖13，圖12為根據本發明第五實施例所述之立體散熱電路板組的平面示意圖。圖13為圖12之分解示意圖。

在本實施例中，立體散熱電路板組10E包含一金屬載板100E、一絕緣導熱層200E、一電路導體層300E及多個熱管400E。絕緣導熱層200E與前述實施例之絕緣導熱層200結構相似，且電路導體層300E與前述實施例之電路導體層300結構相似，同樣包含多個導電塊310E，故不再贅述。

在本實施例中，金屬載板100E具有相對的一第一面101E及一第二面102E，且金屬載板100E之第二面102E例如透過機械加工的方式除料切割，使得金屬載板100E包含一體成型的一載板部110E及多個散熱凹槽120E。這些熱管400E之中央部分裝設於這些散熱凹槽120E內，且這些熱管400E之相對兩段分別延伸至金屬載板100E之相對兩側。熱管400E之中央部分主要吸收金屬載板100E傳遞來的熱量，並將所吸收之熱量傳遞至熱管400E之相對兩段而提升立體散熱電路板組10E的散熱效能。更進一步來說，熱管400E內部具密封腔，且密封腔例如存放 有兩相變化之冷卻流體。熱管400E之中央部分的冷卻流體吸收金屬載板100E傳遞來的熱量後會產生相變化而汽化成氣體。氣態之冷卻流體流至熱管400E之相對兩段，並於熱管400E之相對兩段凝結回液態之冷卻流體再回流至熱管400E之中央部分。如此一來，冷卻流體將在熱管400E內部形成冷卻循環。此外，熱管內可設有毛細結構來協助凝結的冷卻流體回流，但並不以此為限。在其他實施例中，熱管內也可無設有毛細結構。

在本實施例中，散熱凹槽120E與熱管400E的數量為多個，但並不以此為限。在其他實施例中，散熱凹槽與熱管的數量也可以改為單個。

請參閱圖14與圖15，圖14根據本發明第六實施例所述之立體散熱電路板組的平面示意圖。圖15為圖14之分解示意圖。

在本實施例中，立體散熱電路板組10F包含一金屬載板100F、一絕緣導熱層200F、一電路導體層300F及一流管400F。絕緣導熱層200F與前述實施例之絕緣導熱層200結構相似，且電路導體層300F與前述實施例之電路導體層300結構相似，同樣包含多個導電塊310F，故不再贅述。

在本實施例中，金屬載板100F具有相對的一第一面101F及一第二面102F，且金屬載板100F之第二面102F例如透過機械加工的方式除料切割，使得金屬載板100F包含一體成型的一載板部110F及多個散熱凹槽120F。這些流管400F裝設於這些散熱凹槽120F內，並具有一液體入口410F及一液體出口420F。液體入口410F與液體出口420F例 如分別用來連通水冷排(未繪示)之液體出口及液體入口，以令立體散熱電路板組10F與水冷排共同構成循環流道。流管400F內之冷卻流體，如水或冷媒用來吸收金屬載板100F傳遞來的熱量，並將所吸收之熱量傳遞至水冷排散熱而提升立體散熱電路板組10F的散熱效能。

根據上述實施例之立體散熱電路板組及其製造方法，由於立體散熱電路板組之金屬載板的厚度較厚，並直接加工成型出一體成散熱結構與載板部，使得立體散熱電路板組僅有三層結構。由於三層式立體散熱電路板組的層數小於習知之五層式散熱電路板組的層數，故本實施例之立體散熱電路板組的耐候性、製程容易度及散熱效能皆優於以往的產品，進而能夠兼顧承載大電流、散熱能量和安全性。

此外，由於先疊合金屬載板、絕緣導熱層與電路導體層，再進行散熱結構之切割與電路圖案之加工，故可提升立體散熱電路板組的平整度與結構強度。

此外，由於散熱結構與電路圖案皆係透過機械加工的方式加工而成，故能夠形成厚度較厚(如厚度大於1毫米)之電路導體層。厚度較厚之電路導體層能夠讓立體散熱電路板組承載數百甚至是上千安培的大電流。用機械加工不但可突破蝕刻技藝的縱橫比限或銅厚的限制，更能夠提升加工精準性。

雖然本發明以前述之諸項實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

10:立體散熱電路板組

100:金屬載板

101:第一面

102:第二面

110:載板部

120:散熱柱

200:絕緣導熱層

300:電路導體層

310:導電塊

H:高度

T:厚度

G、P:間距

Claims (21)

1. 一種立體散熱電路板組的製造方法，包含：提供一疊板，該疊板包含一金屬載板、一絕緣導熱層及一電路導體層，該金屬載板具有相對的一第一面及一第二面，該絕緣導熱層疊設於該金屬載板之該第一面，該電路導體層疊設於該絕緣導熱層；加工該電路導體層，以於該電路導體層形成一電路圖案；以及切割該金屬載板之該第二面，以於該金屬載板之該第二面形成一散熱結構，該金屬載板包含一載板部及多個散熱柱，任二相鄰之該些散熱柱保持一間距，其中該間距大於等於0.5毫米，以及小於等於15毫米，該散熱柱的高度與該間距的比例大於等於1，以及小於等於40。
2. 如請求項1所述之立體散熱電路板組的製造方法，其中提供該疊板之步驟前，更包含：將該絕緣導熱層疊設於該金屬載板之該第一面；以及將該電路導體層疊設於該絕緣導熱層。
3. 如請求項1所述之立體散熱電路板組的製造方法，其中該絕緣導熱層由陶瓷材料製成，該金屬載板、該絕緣導熱層及該電路導體層透過燒結的方式相結合。
4. 如請求項1所述之立體散熱電路板組的製造方法，其中該絕緣導熱層由高分子混合材料製成，該金屬載板、該絕緣導熱層及該電路導體層透過熱壓合的方式相結合。
5. 如請求項1所述之立體散熱電路板組的製造方法，其中該散熱結構包含多個散熱柱。
6. 如請求項5所述之立體散熱電路板組的製造方法，其中該些散熱柱呈陣列排列。
7. 如請求項6所述之立體散熱電路板組的製造方法，其中該些散熱柱的截面為圓形、方形、菱形或平行四邊形。
8. 如請求項1所述之立體散熱電路板組的製造方法，其中該電路圖案包含多個導電塊及至少一垂直導線架，該些導電塊之部分電性連接於該至少一垂直導線架。
9. 如請求項8所述之立體散熱電路板組的製造方法，其中該至少一垂直導線架與其相連的該導電塊為一體成型之結構。
10. 如請求項8所述之立體散熱電路板組的製造方法，其中該電路圖案更包含至少一水平導線架，該至少一水平導線架與該至少一垂直導線架的延伸方向相垂直，該些導電塊之部分電性連接於該至少一水平導線架。
11. 如請求項10所述之立體散熱電路板組的製造方法，其中該至少一水平導線架與其相連的該導電塊為一體成型之結構。
12. 如請求項1所述之立體散熱電路板組的製造方法，其中該載板部的厚度大於等於0.5毫米。
13. 如請求項1所述之立體散熱電路板組的製造方法，其中該電路導體層的厚度大於等於0.1毫米，以及小於等於10毫米。
14. 如請求項1所述之立體散熱電路板組的製造方法，其中加工該電路導體層的方式為機械除料加工、化學蝕刻加工或機械除料加工搭配化學蝕刻加工。
15. 如請求項1所述之立體散熱電路板組的製造方法，其中於形成該電路圖案之步驟中，於該電路導體層之該第二面形成多個導電塊、至少一垂直導線架及至少一水平導線架，該些導電塊之部分電性連接於該至少一垂直導線架，該些導電塊之部分電性連接於該至少一水平導線架，該至少一水平導線架與該至少一垂直導線架的延伸方向相垂直。
16. 如請求項1所述之立體散熱電路板組的製造方法，其中於加工該電路導體層之步驟後，更包含：對形成該電路圖案之該電路導體層進行一表面處理程序。
17. 如請求項16所述之立體散熱電路板組的製造方法，其中該表面處理程序為透過蝕刻製程、雷射製程或噴砂製程來去除絕緣導熱層表面上該電路圖案以外之區域之殘留材料。
18. 如請求項1所述之立體散熱電路板組的製造方法，更包含至少一熱管，該散熱結構為凹槽，該至少一熱管設置於該散熱結構內。
19. 如請求項1所述之立體散熱電路板組的製造方法，更包含至少一流管，該散熱結構為凹槽，該至少一流管設置於該散熱結構內，該至少一流管具有一液體入口及一液體出口。
20. 一種立體散熱電路板組，包含：一金屬載板；一絕緣導熱層，該絕緣導熱層疊設於該金屬載板以及一電路導體層，該電路導體層疊設於該絕緣導熱層，且該電路導體層具有一電路圖案； 其中，該金屬載板包含一載板部及多個散熱柱，任二相鄰之該些散熱柱保持一間距，其中該間距大於等於0.5毫米，以及小於等於15毫米，該散熱柱的高度與該間距的比例大於等於1，以及小於等於40。
21. 如請求項20所述之立體散熱電路板組，其中該電路圖案包含多個導電塊及至少一垂直導線架，該些導電塊之部分電性連接於該至少一垂直導線架。

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