TWI822346B - 電子裝置及其製造方法 - Google Patents

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葉竣達
張鈞富
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Abstract

一種電子裝置包含一功率模組、一散熱器及一複合金屬層。功率模組包含一功率單元及一金屬表面。功率單元熱連接金屬表面。散熱器包含一鋁質本體。複合金屬層位於鋁質本體與金屬表面之間，且透過一連結層固接金屬表面。

Description

電子裝置及其製造方法
本發明有關於一種電子裝置，尤指一種具有散熱器之電子裝置及電子裝置之製造方法。
由於鋁金屬及鋁合金對氧具有高親和力，其所產生之表面氧化物會影響鍍層和鋁金屬之結合力，故，傳統方式會採用鍍鋅製程進行表面置換後，使鋁金屬或鋁合金浸入電鍍液，可以在表面電鍍其他金屬層與焊接。
然而，由於鋁容易與酸鹼產生反應，使零件腐蝕，鋁在鋅置換層不良缺陷時，則表面電鍍其他金屬結合力不佳，從而影響零件直接焊接至鋁製品上。因此，必須採取與常規電鍍不同的處理方法，才能在鋁製品上獲得結合力良好的鍍層。
由此可見，上述技術顯然仍存在不便與缺陷，而有待加以進一步改良。因此，如何能有效地解決上述不便與缺陷，實屬當前重要研發課題之一，亦成爲當前相關領域亟需改進的目標。
本發明之一目的在於提供一種電子裝置及其製造方法，用以解決以上先前技術所提到的困難。
本發明之一實施例提供一種電子裝置。電子裝置包含一連結層、一功率模組、一散熱器及一複合金屬層。功率模組包含至少一功率單元及一金屬表面，功率單元熱連接金屬表面。散熱器包含一鋁質本體。複合金屬層形成於鋁質本體與金屬表面之間，且透過連結層固接金屬表面。
依據本發明一或複數個實施例，在上述之電子裝置中，複合金屬層包含一介面穩定層及一金屬接合膜。介面穩定層直接形成於鋁質本體之一面。金屬接合膜直接形成於介面穩定層相對鋁質本體之一面，且位於介面穩定層與金屬表面之間。
依據本發明一或複數個實施例，在上述之電子裝置中，介面穩定層為一鈦層及一鉑層其中之一。
依據本發明一或複數個實施例，在上述之電子裝置中，金屬接合膜為一銅層。
依據本發明一或複數個實施例，在上述之電子裝置中，複合金屬層更包含一電鍍金屬層。電鍍金屬層直接形成於金屬接合膜相對介面穩定層之一面，且位於金屬接合膜與金屬表面之間。連結層為一焊料層，且電鍍金屬層透過此焊料層焊接至表面上。
依據本發明一或複數個實施例，在上述之電子裝置中，電鍍金屬層為一鍍銅層及一鍍鎳層其中之一。
依據本發明一或複數個實施例，在上述之電子裝置中，連結層為一燒結鍍層，且燒結鍍層直接介於金屬接合膜與金屬表面之間。
依據本發明一或複數個實施例，在上述之電子裝置中，功率模組更包含一金屬底板，金屬底板承載並接觸功率單元，金屬表面為金屬底板之表面。
依據本發明一或複數個實施例，在上述之電子裝置中，金屬表面為位於功率模組表面之一金屬鍍膜。
本發明之一實施例提供一種電子裝置之製造方法。製造方法包含多個步驟如下。提供一散熱器之一鋁質本體；提供一功率模組之一金屬表面；形成一複合金屬層至鋁質本體上；以及將複合金屬層透過一連結層固接至金屬表面上。
依據本發明一或複數個實施例，在上述之製造方法中，形成複合金屬層至鋁質本體上之步驟更包含多個細部步驟如下。部分地遮蔽鋁質本體之表面，並從此表面曝露出一濺鍍區；將鋁質本體移入一真空腔室內，並對鋁質本體之濺鍍區進行真空濺鍍程序，使得鋁質本體之此表面對應濺鍍區之位置濺鍍出一介面穩定層，介面穩定層為一鈦層及一鉑層其中之一；以及再度對鋁質本體進行另一真空濺鍍程序，使得一金屬接合膜直接形成介面穩定層上，金屬接合膜為一銅層。
依據本發明一或複數個實施例，在上述之製造方法中，金屬接合膜直接形成於介面穩定層之步驟後更包含多個細部步驟如下。將鋁質本體從真空腔室移入一電解液，並對鋁質本體進行一電鍍程序，使得一電鍍金屬層直接形成於金屬接合膜上，電鍍金屬層為一鍍銅層及一鍍鎳層其中之一。
依據本發明一或複數個實施例，在上述之製造方法中，將複合金屬層透過連結層固接至金屬表面上之步驟更包含多個細部步驟如下。配置一焊料至電鍍金屬層及金屬表面之間，以形成一待加工物；以及將待加工物送入一迴焊爐，使得被熱熔後之該焊料直接形成一能夠焊接電鍍金屬層及金屬表面之焊料層。
依據本發明一或複數個實施例，在上述之製造方法中，將複合金屬層透過連結層固接至金屬表面上之步驟更包含多個細部步驟如下。配置一燒結粉末至金屬接合膜及該金屬表面之間，以形成一待加工物；以及將待加工物進行一燒結程序，使得被燒結後之燒結粉末形成一能夠焊接金屬接合膜及金屬表面之燒結鍍層。
依據本發明一或複數個實施例，在上述之製造方法中，功率模組之金屬底板承載並接觸功率模組之功率單元，且金屬表面為金屬底板之表面。
依據本發明一或複數個實施例，在上述之製造方法中，金屬表面為位於功率模組表面之一金屬鍍膜。
如此，透過以上各實施例之所述架構，本發明不必採用鍍鋅製程便能完成對鋁金屬及鋁合金之焊接程序，且能夠依據特定區域對鋁及鋁合金提供全部或局部表面處理，降低後製程鍍層之金屬用量之成本。
以上所述僅係用以闡述本發明所欲解決的問題、解決問題的技術手段、及其產生的功效等等，本發明之具體細節將在下文的實施方式及相關圖式中詳細介紹。
以下將以圖式揭露本發明之複數個實施例，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明各實施例中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。
第1圖為本發明一實施例之電子裝置10的示意圖。第2圖為第1圖沿線段AA所製成之局部剖視圖。第3圖為第1圖之電子裝置10的上視圖。如第1圖至第3圖所示，電子裝置10包含一功率模組200、一散熱器300及一複合金屬層400。功率模組200包含一金屬表面與多個功率單元220。金屬表面例如為一金屬底板210之表面。金屬底板210承載並接觸這些功率單元220，使得這些功率單元220熱連接金屬底板210。功率單元220包含晶片與引線 (圖中未示)，然而，本發明不限於此。散熱器300包含一鋁質本體310。複合金屬層400形成於鋁質本體310與金屬底板210之間，且複合金屬層400透過一連結層500與金屬底板210彼此固接。如此，功率模組200之熱能能夠透過複合金屬層400而傳遞至散熱器300之鋁質本體310。
更具體地，在本實施例中，鋁質本體310包含一入口312、一出口313與一內部通道314，該內部通道314形成於鋁質本體310內，且分別接通入口312與出口313。故，流體能過從入口312進入內部通道314，並於帶走鋁質本體310之熱能後，而從出口313離開內部通道314。然而，本發明不限於此散熱結構。
此外，在本實施例中，複合金屬層400包含一介面穩定層410、一金屬接合膜420及一電鍍金屬層430。介面穩定層410直接形成於鋁質本體310之一面。金屬接合膜420直接形成於介面穩定層410相對鋁質本體310之一面，且位於介面穩定層410與金屬底板210之間。電鍍金屬層430直接形成於金屬接合膜420相對介面穩定層410之一面，且位於金屬接合膜420與金屬底板210之間。連結層500為一能夠焊接電鍍金屬層430及金屬底板210之焊料層510，故，電鍍金屬層430透過此焊料層510固接至金屬底板210之所述表面上，從而讓金屬底板210、複合金屬層400及鋁質本體310彼此整合為一體。複合金屬層400不限局部或全部地形成於鋁質本體310之頂面311之一部分，然而，本實施例不限於此。
舉例來說，金屬底板210為銅金屬(Copper)、鋁(aluminum)金屬或其他類似材料，然而，本發明不限於上述材質。介面穩定層410例如為鈦(Titanium)層、鉑(Platinum)層或其他類似材料，並且介面穩定層410之厚度例如為0.15微米(μm)，或者不超過0.5微米(μm)，然而，本發明不限於上述材質及厚度。金屬接合膜420為銅(Copper)層或其他類似材料，並且金屬接合膜420之厚度例如為0.3微米(μm)，或者不超過1微米(μm)，然而，本發明不限於上述材質及厚度。電鍍金屬層430例如為鍍銅層、鍍鎳層或其他類似材料，並且電鍍金屬層430之厚度例如為3微米(μm)，或者不超過20微米(μm) ，然而，本發明不限於上述材質及厚度。焊料層510例如為錫鉛焊料、無鉛焊料、焊膏或其他類似材料。
又，如第2圖所示，第2圖所呈現出之層疊結構100包含銅層、複合金屬層400及鋁層。複合金屬層400疊合於銅層與鋁層之間，且複合金屬層400透過上述連結層500固接銅層。
第4圖為本發明一實施例之電子裝置的局部剖視圖，其剖面處與第2圖之剖面處相同。如第4圖所示，本實施例之層疊結構100與第2圖之層疊結構101大致相同，其差異在於，本實施例之複合金屬層401不具有電鍍金屬層430，並透過另種連結層(即燒結鍍層520)與金屬底板210彼此固接，換句話說，複合金屬層401僅具有介面穩定層410與金屬接合膜420，且金屬接合膜420透過燒結鍍層520固接金屬底板210。
舉例來說，燒結鍍層520為鍍銀(Sliver)層、鍍金(Gold)層或其他類似材料，燒結鍍層520之厚度例如為0.05微米(μm)，或者不超過1微米(μm)，然而，本發明不限於上述材質及厚度。
第5圖為本發明一實施例之電子裝置10之製造方法的流程圖。如第1圖與第5圖所示，電子裝置10之製造方法包含步驟501至步驟504如下。在步驟501中，提供一散熱器300之一鋁質本體310。在步驟502中，提供一功率模組200之一金屬底板210。在步驟503中，形成一複合金屬層400至鋁質本體310上。在步驟504中，將複合金屬層400透過一連結層500固接至金屬底板210上。
第6圖為第5圖之步驟503與步驟504的細部流程圖。如第5圖與第6圖所示，上述步驟503至步驟504更包含數個步驟601至步驟607如下。
在步驟601中，對鋁質本體310之表面(如頂面311)進行表面清潔處理。在步驟602中，例如使用貼膜或遮罩方式，部分地遮蔽鋁質本體310之表面(如頂面311)，以並從此表面(如頂面311)曝露出一濺鍍區(圖中未示)。然而，本方法不限於此，其他實施例也可能不遮蔽鋁質本體310之表面(如頂面311)。在步驟603中，將鋁質本體310移入真空濺鍍(Sputtering)製程之真空腔室內，並對鋁質本體310之表面(如頂面311)所曝露出之濺鍍區進行真空濺鍍程序，從而讓鋁質本體310對應濺鍍區之位置被濺鍍出一濺鍍層(如上述之介面穩定層410)。在步驟604中，再度對真空腔室內之鋁質本體310進行另一真空濺鍍程序，使得另一濺鍍層(如上述之金屬接合膜420)直接層疊於所述濺鍍層(如上述之介面穩定層410)上。在步驟605中，將鋁質本體310從真空腔室移入一電解液，並對鋁質本體310進行一電鍍程序，使得一電鍍金屬層430直接形成於另一濺鍍層(如上述之金屬接合膜420)上。在步驟606中，配置一焊料至電鍍金屬層430及金屬底板210之間，以形成一待加工物。在步驟607中，將待加工物送入一迴焊爐中，使得被熱熔後之焊料直接形成一能夠焊接電鍍金屬層430及金屬底板210之焊料層510。
更具體地，在本實施例中，上述真空濺鍍程序(或鍍膜程序)之環境變數以及操作變數如下。更具體地，設定電漿(Plasma)功率為800W、氣體流量250±50sccm/真空值5.0E-2/時間240sec，以及O2氧氣流量60sccm與AR氬氣流量150sccm，靶材功率4kw。接著，在放入產品後，開啟供電單元（power supply unit，PSU）啟動真空幫浦抽真空、開啟並注入氣體，以啟動真空鍍膜程序(或鍍膜程序)。
上述電鍍程序之環境變數以及操作變數如下。更具體地，經過前處理清洗除油後，先酸活化表面；接著，電鍍依據各金屬電鍍藥液控制濃度與需求厚度調整電流與時間；接著，多槽水洗以洗去藥液；接著，以風刀持續例如5秒吹去主要殘留水；接著，最後依據例如120℃/120秒之參數對鋁質本體310進行烘乾。
第7圖為第5圖之步驟504之另一實施例的細部流程圖。如第7圖所示，本實施例之細部流程與第6圖之細部流程大致相同，其差異在於，本實施例之細部流程為步驟601至步驟604後，不進行步驟605至步驟607，反而是改為進行步驟701與步驟702如下。
在步驟701中，配置一燒結粉末至金屬接合膜420及該金屬底板210之間，以形成一待加工物。在步驟702中，將待加工物進行一燒結程序，使得被燒結後之燒結粉末形成一能夠焊接金屬接合膜420及金屬底板210之燒結鍍層520。如此，功率模組200之熱能能夠透過燒結鍍層520而傳遞至散熱器300之鋁質本體310。舉例來說，燒結粉末通常為膏、漿型，然而，本發明不限於此。
更具體地，在本實施例中，上述燒結程序之環境變數以及操作變數如下，更具體地，於待加工物塗佈銀膏後與功率模組200堆疊放入加熱腔體內，例如在50分鐘內升溫至150℃，持溫50分鐘，在15分鐘加熱至200℃，持溫80分鐘，於50分鐘降至常溫。依據使用不同銀燒結材料，有真空或特殊氣氛或空氣中，有加壓10MPa或不需加壓，以及不同加熱溫度曲線等變數選擇。
第8圖為本發明一實施例之電子裝置11的示意圖。請參閱第8圖，本實施例之電子裝置11與第1圖之電子裝置10大致相同，其差異在於，金屬表面例如為位於功率模組202表面之一金屬鍍膜211。
更具體地，功率模組202包含外殼221、晶片222、引線223、224、絕緣基板225與封裝部230。鋁質本體310覆蓋於外殼221之底面，以於外殼221之正面定義出一容置槽226。絕緣基板225(如覆銅絕緣基板，Direct Bonded Copper，DBC)位於容置槽226內，其外部包覆有上述金屬鍍膜211(如直接披覆在陶瓷基板的厚銅箔)。晶片222固定於絕緣基板225上，其中一引線223分別連接晶片222與外殼221內之其一端子227，另一引線224分別連接絕緣基板225上之電路(圖中未示)與外殼221內之另一端子228。複合金屬層400透過焊料層510連接於述金屬鍍膜211與鋁質本體310之間。封裝部230填滿於容置槽226內，並包覆晶片222、引線223、224、絕緣基板225與複合金屬層400。
如此，透過以上各實施例之所述架構，本發明不必採用鍍鋅製程便能完成對鋁金屬及鋁合金之焊接程序，且能夠依據特定區域對鋁及鋁合金提供全部或局部表面處理，降低後製程鍍層之金屬用量之成本。
最後，上述所揭露之各實施例中，並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，皆可被保護於本發明中。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10、11:電子裝置 100、101:層疊結構 200、202:功率模組 210:金屬底板 211:金屬鍍膜 220:功率單元 221:外殼 222:晶片 223、224:引線 225:絕緣基板 226:容置槽 227、228:端子 230:封裝部 300:散熱器 310:鋁質本體 311:頂面 312:入口 313:出口 314:內部通道 400、401:複合金屬層 410:介面穩定層 420:金屬接合膜 430:電鍍金屬層 500:連結層 501~504:步驟 510:焊料層 520:燒結鍍層 601~607:步驟 701~702:步驟 AA:線段
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下： 第1圖為本發明一實施例之電子裝置的示意圖； 第2圖為第1圖沿線段AA所製成之局部剖視圖； 第3圖為第1圖之電子裝置的上視圖； 第4圖為本發明一實施例之電子裝置的局部剖視圖，其剖面處與第2圖之剖面處相同； 第5圖為本發明一實施例之電子裝置之製造方法的流程圖； 第6圖為第5圖之步驟503與504的細部流程圖； 第7圖為第5圖之步驟504之另一實施例的細部流程圖；以及 第8圖為本發明一實施例之電子裝置的示意圖。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
10:電子裝置
200:功率模組
210:金屬底板
220:功率單元
300:散熱器
310:鋁質本體
311:頂面
312:入口
313:出口
314:內部通道
400:複合金屬層
410:介面穩定層
420:金屬接合膜
430:電鍍金屬層
500:連結層
510:焊料層
AA:線段

Claims (15)

  1. 一種電子裝置，包含：一連結層；一功率模組，包含至少一功率單元及一金屬表面，該功率單元熱連接該金屬表面；一散熱器，包含一鋁質本體，且該鋁質本體為鋁金屬及鋁合金其中之一；以及一複合金屬層，位於該鋁質本體與該金屬表面之間，且透過該連結層固接該金屬表面，該複合金屬層包含一介面穩定層及一金屬接合膜，該介面穩定層直接形成於該鋁質本體之一面，該金屬接合膜直接形成於該介面穩定層相對該鋁質本體之一面，且位於該介面穩定層與該金屬表面之間。
  2. 如請求項1所述之電子裝置，其中該介面穩定層為一鈦層及一鉑層其中之一。
  3. 如請求項1所述之電子裝置，其中該金屬接合膜為一銅層。
  4. 如請求項1所述之電子裝置，其中該複合金屬層更包含：一電鍍金屬層，直接形成於該金屬接合膜相對該介面穩定層之一面，且位於該金屬接合膜與該金屬表面之間，其中該連結層為一焊料層，該電鍍金屬層透過該焊料層 焊接至該金屬表面上。
  5. 如請求項4所述之電子裝置，其中該電鍍金屬層為一鍍銅層及一鍍鎳層其中之一。
  6. 如請求項1所述之電子裝置，其中該連結層為一燒結鍍層，且該燒結鍍層直接介於該金屬接合膜與該金屬表面之間。
  7. 如請求項1所述之電子裝置，其中該功率模組更包含一金屬底板，該金屬底板承載並接觸該功率單元，其中該金屬表面為該金屬底板之表面。
  8. 如請求項1所述之電子裝置，其中該金屬表面為位於該功率模組表面之一金屬鍍膜。
  9. 一種電子裝置之製造方法，包含：提供一散熱器之一鋁質本體，且該鋁質本體為鋁金屬及鋁合金其中之一；提供一功率模組之一金屬表面；形成一複合金屬層至該鋁質本體上，包含：部分地遮蔽該鋁質本體之該表面，並從該表面曝露出一濺鍍區；將該鋁質本體放入一真空腔室內，並對該鋁質本體之該濺鍍區進行真空濺鍍程序，使得該鋁質本體之該 表面對應該濺鍍區之位置濺鍍出一介面穩定層；以及再度對該鋁質本體進行另一真空濺鍍程序，使得一金屬接合膜直接形成於該介面穩定層上；以及將該複合金屬層透過一連結層固接至該金屬表面上。
  10. 如請求項9所述之電子裝置之製造方法，其中該介面穩定層為一鈦層及一鉑層其中之一，且該金屬接合膜為一銅層。
  11. 如請求項10所述之電子裝置之製造方法，其中該金屬接合膜直接形成於該介面穩定層之步驟之後更包含：將該鋁質本體從該真空腔室移入一電解液，並對該鋁質本體進行一電鍍程序，使得一電鍍金屬層直接形成於該金屬接合膜上，其中該電鍍金屬層為一鍍銅層及一鍍鎳層其中之一。
  12. 如請求項11所述之電子裝置之製造方法，其中將該複合金屬層透過該連結層固接至該金屬表面上之步驟更包含：配置一焊料至該電鍍金屬層及該金屬表面之間，以形成一待加工物；以及將該待加工物送入一迴焊爐，使得被熱熔後之該焊料直接形成一能夠焊接該電鍍金屬層及該金屬表面之焊料層。
  13. 如請求項10所述之電子裝置之製造方法，其中將該複合金屬層透過該連結層固接至該金屬表面上之步驟更包含：配置一燒結粉末至該金屬接合膜及該金屬表面之間，以形成一待加工物；以及將該待加工物進行一燒結程序，使得被燒結後之該燒結粉末形成一能夠焊接該金屬接合膜及該金屬表面之燒結鍍層。
  14. 如請求項9所述之電子裝置之製造方法，其中該功率模組之一金屬底板承載並接觸該功率模組之一功率單元，且該金屬表面為該金屬底板之表面。
  15. 如請求項9所述之電子裝置之製造方法，其中該金屬表面為位於該功率模組表面之一金屬鍍膜。
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