TWI827318B - 導熱基板 - Google Patents

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TWI827318B
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利文峯
楊翔雲
陳國勳
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聚鼎科技股份有限公司
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Abstract

一種導熱基板,包含第一金屬層、第二金屬層及導熱層。第一金屬層包含銅且具有相對的第一上表面及第一下表面,其中第一下表面覆有第一金屬鍍層。第二金屬層包含銅且具有相對的第二上表面及第二下表面,其中第二上表面覆有第二金屬鍍層並面向第一金屬鍍層。導熱層為電絕緣體且疊設於第一金屬鍍層與第二金屬鍍層之間。

Description

導熱基板
本發明係關於一種導熱基板,特別是具有厚銅線路層的導熱基板。
隨著科技不斷發展,未來的電子應用使用大功率或大電流的需求(例如電動汽車、物聯網或高速運算等)必然為常態。因此,電路板最上層的金屬線路勢必要具有更厚的厚度,以能承受大功率或大電流。舉例來說,絕緣閘極雙極性電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)為目前主流的半導體元件之一,常應用於高功率模組中。此類高功率的IGBT模組作動時需要較大的電流流量,故於電路板上必須採用較厚的線路層(即厚銅)才能承受大電流並增加散熱能力。熱傳導率公式(thermal conductivity) 為 k = (Q/t) *L/(A*ΔT),其中k 為熱傳導率(W/mk)、Q 為熱量(W)、t為時間、L 為熱傳導距離(m)、A為熱傳導經過物件之截面面積(m 2)、 ΔT 為冷熱端的溫度差,熱傳導率是用來衡量單位時間能傳導的熱能。可見,熱傳導經過的截面面積會影響熱傳導率,因此厚銅線路不僅提供較大的電流流通量,同時亦提高散熱能力。
傳統上,線路層下方會進一步採用單層或多層的導熱絕緣層,藉此提升高功率模組的散熱能力。例如,傳統的直接覆銅(Direct Bonded Copper,DBC)基板,是利用高溫燒結的方式直接將厚銅覆於陶瓷基板上。陶瓷基板為具有極佳導熱能力的電絕緣體,而厚銅則是後續用於形成元件線路的層體。然而,此類基板在厚銅與導熱絕緣層間的黏著性仍有待改善,且於嚴苛環境的表現仍舊不佳,如在冷熱衝擊測試中容易產生分層(delamination)或剝離(peeling)問題。而在高溫高濕偏壓試驗(High Temperature High Humidity Bias Test,HHBT)中,除前述分層或剝離的問題,銅層更可能產生銅離子遷移的現象,降低導熱絕緣層的電絕緣性,連帶影響耐電壓及其他物化特性。
顯然,傳統的導熱基板存在剝離及HHBT表現不佳的問題,亟需進一步改善。
本發明提供一種導熱基板,具有雙面含銅金屬層(第一金屬層及第二金屬層)及疊設於其中的導熱層。第一金屬層的表面及第二金屬層的表面分別覆有第一金屬鍍層及第二金屬鍍層,有益於增加金屬層與導熱層之間的黏著力(即剝離強度),同時防止銅離子遷移及提升其他化學惰性。基於黏著力及化學惰性的提升,更利於維持導熱基板的整體結構的完整性,從而具有較佳的可靠度。換句話說,導熱基板於實際使用時的耐久性(即使用壽命)可獲得顯著的提升。
根據本發明之一實施態樣,一種導熱基板,包含第一金屬層、第二金屬層及導熱層。第一金屬層包含銅且具有相對的第一上表面及第一下表面,其中第一下表面覆有第一金屬鍍層。第二金屬層包含銅且具有相對的第二上表面及第二下表面,其中第二上表面覆有第二金屬鍍層並面向第一金屬鍍層。導熱層為電絕緣體且疊設於第一金屬鍍層與第二金屬鍍層之間。
根據一些實施例,第一金屬鍍層的厚度不大於50 μm。
根據一些實施例,第一金屬鍍層的厚度為1 μm至10 μm。
根據一些實施例,第二金屬鍍層的厚度為1 μm至10 μm。
根據一些實施例,第一金屬層的第一下表面為經物理粗化的粗糙面。
根據一些實施例,第一金屬鍍層於粗糙面上形成複數個突隆結構。
根據一些實施例,第一金屬鍍層的各突隆結構具有顯微結構特徵。顯微結構特徵呈現球形、多面體形、針形或不規則形的表面形貌。
根據一些實施例,第一金屬鍍層的粗糙度(Ra)為0.15 μm至0.60 μm。
根據一些實施例,第一金屬層與導熱層之間的黏著力為0.5 Kg/cm至3.0 Kg/cm。
根據一些實施例,第二金屬鍍層的第二上表面為經物理粗化的粗糙面,而第二金屬鍍層於粗糙面上形成複數個突隆結構,且第二金屬鍍層的粗糙度(Ra)為0.15 μm至0.60 μm。
根據一些實施例,第二金屬鍍層的各突隆結構具有顯微結構特徵。顯微結構特徵呈現球形、多面體形、針形或不規則形的表面形貌。
根據一些實施例,第二金屬層與導熱層之間的黏著力為0.5 Kg/cm至3.0 Kg/cm。
根據一些實施例,第一金屬鍍層的材料及第二金屬鍍層的材料選自由鎳、錫、鋅、鉻、鉍、鈷及其任意組合所組成的群組。
根據一些實施例,導熱基板更包含橋接層。橋接層設置於第一金屬鍍層與導熱層之間。
根據一些實施例,橋接層包含至少一橋接劑。橋接劑選自由有機金屬螯合劑、有機矽烷偶合劑、矽氧烷樹脂、環氧樹脂及其任意組合所組成的群組。
根據一些實施例,第一金屬層及第二金屬層皆由銅組成。
根據一些實施例,第一金屬層的厚度為0.1 mm至 10 mm。
根據一些實施例,導熱層包含高分子聚合物及導熱填料,且導熱層的熱傳導率為3 W/mK至20 W/mK。
根據一些實施例,高分子聚合物具有熱固型樹脂,而導熱填料具有導熱陶瓷材料,且導熱陶瓷材料選自由氮化鋯、氮化硼、氮化鋁、氮化矽、氧化鋁、氧化鎂、氧化鋅、二氧化矽、二氧化鈦及其任意組合所組成的群組。
為讓本發明之上述和其他技術內容、特徵和優點能更明顯易懂,下文特舉出相關實施例,並配合所附圖式,作詳細說明如下。
請參照圖1, 顯示本發明之一實施態樣的導熱基板100。導熱基板100包含第一金屬層10、第二金屬層20及導熱層30。第一金屬層10包含銅且具有相對的第一上表面10a及第一下表面10b,其中第一下表面10b覆有第一金屬鍍層11。第二金屬層20包含銅且具有相對的第二上表面20a及第二下表面20b,其中第二上表面20a覆有第二金屬鍍層21並面向第一金屬鍍層11。導熱層30為電絕緣體且疊設於第一金屬鍍層11與第二金屬鍍層21之間。更詳細而言,第一金屬層10及第二金屬層20皆為含銅的金屬導電層。第一金屬層10、第二金屬層20及導熱層30可透過熱壓合的方式疊置而形成具有三層結構的導熱基板100。透過導熱層30的設置,第一金屬層10與第二金屬層20彼此電性隔離,故後續可以第一金屬層10及/或第二金屬層20做為線路層進行加工並將各種電子元件組裝至線路層上。而除了線路層本身的導熱特性外,導熱層30亦具備極佳的散熱能力,得以將電子元件所產生的熱能迅速傳遞至金屬層體進行散熱。在一實施例中,導熱層30包含高分子聚合物及導熱填料,且導熱層的熱傳導率為3 W/mK至20 W/mK。高分子聚合物具有熱固型樹脂,而導熱填料具有導熱陶瓷材料。導熱陶瓷材料可選自由氮化鋯、氮化硼、氮化鋁、氮化矽、氧化鋁、氧化鎂、氧化鋅、二氧化矽、二氧化鈦及其任意組合所組成的群組。
在本發明中,為了改善導熱基板100的使用壽命,進一步針對第一金屬層10及第二金屬層20的表面進行結構上的改良。如前述所言,第一金屬層10的第一下表面10b及第二金屬層20的第二上表面20a分別覆有第一金屬鍍層11及第二金屬鍍層21。意即,在第一金屬層10、第二金屬層20及導熱層30進行熱壓合之前,可於第一金屬層10的第一下表面10b鍍上第一金屬鍍層11,而於第二金屬層20的第二上表面20a鍍上第二金屬鍍層21。透過第一金屬鍍層11及第二金屬鍍層21的設置,可提金屬導電層與絕緣層間(即第一金屬層10與導熱層30之間及第二金屬層20與導熱層30之間)的黏著力,同時賦予金屬導電層較佳的化學惰性。舉例而言,前述化學惰性的功用之一即是防止銅離子遷移。第一金屬鍍層11具有阻障效果,故於持續的偏壓施加下,銅離子不會從第一金屬層10穿透第一金屬鍍層11至導熱層30。經驗證,第一金屬鍍層11(或第二金屬鍍層21)最厚不大於50 μm,而較佳的厚度範圍為1 μm至10 μm。當第一金屬鍍層11(或第二金屬鍍層21)的厚度低於 1 μm時,第一金屬層10(或第二金屬層20)與導熱層30間的黏著力低,且無法承受高時數的高溫高濕偏壓試驗(High Temperature High Humidity Bias Test,HHBT),其耐受時數低於100小時。當第一金屬鍍層11(或第二金屬鍍層21)的厚度增為 10 μm時,第一金屬層10(或第二金屬層20)與導熱層30間的黏著力可提升至最佳值,且HHBT可達3000小時。若再將厚度往上提升至一定程度(如從10 μm上升至50 μm),第一金屬層10(或第二金屬層20)與導熱層30間的黏著力及HHBT大致上持平,不會再有顯著的提升。
請繼續參照圖2,進一步繪示圖1虛線方框所圍起的局部放大圖。由圖2可知,第一金屬層10的第一下表面10b為經物理粗化的粗糙面,而第一金屬鍍層11於此粗糙面上形成複數個突隆結構11a。更具體而言,為使第一金屬層10更加緊密地結合導熱層30,第一金屬層10的第一下表面10b會經物理粗化為不平整的粗糙面。基於粗糙面所呈現的不平整結構,可增加第一金屬層10與導熱層30之間的接觸面積且達到機械性交互鎖扣(mechanical interlocking)的效果。所以,在熱壓合的過程中,導熱層30中的高分子聚合物可與第一金屬層10更為緊密地結合。除此之外,本發明更於第一下表面10b鍍上第一金屬鍍層11,使得第一金屬鍍層11保角地(conformally)形成於不平整的第一下表面10b上。需注意的是,鍍覆金屬的過程嚴格來說即為金屬的結晶過程,故第一金屬鍍層11會保角地於不平整的第一下表面10b上結晶為許多尺寸大小不一的突隆結構11a。這些尺寸大小不一的突隆結構11a可進一步提升前述機械性交互鎖扣(mechanical interlocking)的效果。而從另一方面來看,即使第一下表面10b的某些區域未經妥善粗化而呈現較為平整的表面,突隆結構11a可彌補未經妥善粗化的缺陷。更進一步,就微觀的角度而言,第一金屬鍍層11的各突隆結構11a具有一定的顯微結構特徵。也就是說,將目前所示意的球狀凸起的單個突隆結構11a放大來看,其內部可進一步呈現球形、多面體形、針形或不規則形的顯微結構特徵(未繪示)。這些顯微結構特徵亦有助於增加表面形貌的不平整的程度,有益於提升黏著力,例如0.5 Kg/cm至3.0 Kg/cm。在一實施例中,第一金屬鍍層11的厚度為1 μm至50 μm,而粗糙度Ra介於0.15 μm與0.60 μm之間。例如,第一金屬鍍層11的厚度為1 μm至10 μm,而粗糙度Ra為0.38 μm至0.52 μm。或者,第一金屬鍍層11的厚度為10 μm至50 μm,而粗糙度Ra為0.52 μm。藉由搭配第一金屬鍍層11的厚度和粗糙度Ra,可使得黏著力大於IPC(The Institute of Printed Circuit)規範的0.8 Kg/cm。同樣地,第二金屬鍍層21的厚度及粗糙度Ra皆可與前述實施例的第一金屬鍍層11相同。
此外,應理解的是,圖2的球狀凸起的突隆結構11a僅為示意之用,任何隆起的形狀皆為本發明所涵蓋。同理,第一下表面10b經粗化而成的粗糙面係以鋸齒狀呈現,惟應理解的是其亦可為波浪狀、不規則狀或任何凹凸不平的表面。至於第二金屬層20,第二金屬層20的第二上表面20a可與第一金屬層10的第一下表面10b有相同的粗糙面。第二金屬鍍層21可具有與第一金屬鍍層11相同的突隆結構11a及突隆結構11a的顯微結構特徵。在一些實施例中,第一金屬鍍層的材料及第二金屬鍍層的材料選自由鎳、錫、鋅、鉻、鉍、鈷及其任意組合所組成的群組。
另外,為使導熱基板100能應用於高功率模組,具有良好散熱效果,第一金屬層10及第二金屬層20均可由銅所組成,且皆為厚銅板,其厚度介於0.1 mm與10 mm之間。在一實施例中,厚銅板可鍍上鎳層。此外,在導熱基板、印刷電路板或類似載板的產業中,常以盎司(ounce,oz)來表示銅的厚度,而1 oz為約0.035 mm。傳統上,3 oz 以上的銅箔(板)不會採用鍍鎳層。原因在於,3 oz以下的銅箔因厚度較薄,故於製程中便於捲收。舉例而言,現有一滾動設備,具有入料端及出料端,而入料端及出料端各具有一輪軸可捲收銅箔。銅箔橫跨入料端及出料端,且銅箔的兩端分別捲在入料端的輪軸及出料端的輪軸上。當入料端及出料端同步朝同向轉動的過程中,銅箔會從入料端捲出並朝出料端捲收。而在前述轉動的過程中,位於入料端與出料端之間的銅箔可被捲入電鍍槽,並於電鍍完成時捲收於出料端。如此,電鍍完成的銅箔得以直接捲收為圓筒狀,方便收納及運輸。然而,3 oz以上的銅板,因厚度過厚,捲收過程容易造成銅板斷裂或其他物理性的毀損。因此,3 oz以上的銅板必須採用片狀(或板狀)的方式進行電鍍。但是,採行此種片狀的電鍍方式的設備成本高出許多,並且,後續若有其他類似的加工製程也需相應採用「非捲收式」的設備。也就是說,採用厚銅板進行鍍鎳不只設備成本高,也徒增後續的製程設計上的困難度。本發明一實施例中是將兩層厚銅板(即第一金屬層10及第二金屬層20)鍍上鎳層,可增加導熱層30上下兩面的黏著力,同時更提升上下兩層厚銅板的化學惰性(例如:防止銅離子遷移)。換句話說,本發明具有傳統不會採用的雙層鍍鎳厚銅板,更藉此提升黏著力及化學惰性,使導熱基板100於實際使用時的耐久性得以改善。在一實施例中,前述單一銅板的厚度可為0.3 mm至8.3 mm,例如0.3 mm、1.3 mm、2.3 mm、3.3 mm、4.3 mm、5.3 mm、6.3 mm、7.3 mm或8.3 mm。而在另一實施例中,為方便後續線路層的製作,單一銅板的厚度較佳為1 mm至4 mm。
請再參照圖3,為本發明的另一實施例的局部放大圖。圖3與圖2的差異在於橋接層40。為增加第一金屬層10與導熱層30的黏著力,導熱基板100更可於第一金屬鍍層11與導熱層30之間增設橋接層40。更具體而言,在第一金屬層10的第一下表面10b鍍上第一金屬鍍層11之後,可再將橋接層40塗佈於第一金屬鍍層11上。橋接層40覆蓋第一金屬鍍層11的此些突隆結構11a上,可以化學性的方式增加界面活性,提升無機材質(如第一金屬鍍層11的突隆結構11a)與有機材質(如導熱層30)界面之間的結合力。如圖4,為橋接層40連接第一金屬鍍層11及導熱層30的示意圖。橋接層40中包含至少一種橋接劑40a,選自由有機金屬螯合劑、有機矽烷偶合劑、矽氧烷樹脂、環氧樹脂及其任意組合所組成的群組。在進行熱壓合之後,橋接層40會與第一金屬鍍層11及導熱層30緊密接觸。此時,橋接層40中的橋接劑40a可同時與第一金屬鍍層11及導熱層30的表面形成鍵結,作為橋接第一金屬鍍層11及導熱層30的層體。應理解的是,圖4中橋接劑40a可選用如前述所提的各種化合物,故僅以方塊圖表示。而不同化合物的鍵結情形有所差異,故其鍵結情形僅以筆直的連接線示意。在一實施例中,有機金屬螯合劑可為有機鋁鹽、有機鋯鹽或其他有機金屬鹽類。在一實施例中,有機矽烷偶合劑可為壓克力矽烷耦合劑、氨基矽烷耦合劑或環氧基矽烷耦合劑。此外,應理解的是,本發明所能搭配的橋接劑40a並不限於上述組合,任何有助於無機界面及有機界面之間的連結的其他樹脂,皆在本發明的應用範疇之中。
為進一步驗證本發明的導熱基板100的性能,遂進行各種測試並將結果彙整於下表一。
表一
組別 上鍍鎳層厚度 (µm) 下鍍鎳層厚度 (µm) 粗糙度Ra (µm) 黏著力 (Kg/cm) HHBT (hr)
C1 0 0 <0.3 0.6 <100
C2 0 0 0.3 <0.5 <100
E1 1 1 0.3 0.8 300
E2 3 3 0.38 1 500
E3 5 5 0.4 1.1 1000
E4 10 10 0.52 1.4 3000
E5 50 50 0.52 1.4 3000
如表一所示,組別C1及組別C2即為比較例C1及比較例C2,而組別E1至組別E5則為本發明之實施例E1至實施例E5。比較例C1至C2及實施例E1至E5的導熱基板100,其俯視尺寸皆為10 mm × 10 mm;第一金屬層10及第二金屬層20各為厚度0.3 mm的厚銅板;而導熱層30的厚度皆為100 µm。
試驗中,實施例E1至實施例E5的厚銅板會鍍上鎳層,故上鍍鎳層係指圖1所示意的第一金屬鍍層11,而下鍍鎳層係指圖1所示意的第二金屬鍍層21。並且,在鍍上鎳層之前,實施例E1至實施例E5的厚銅板皆會進行物理性的粗化,使厚銅板的表面粗糙化。至於比較例C1及比較例C2,雖未有鍍鎳層,但銅板表面仍有進行粗糙化的處理。比較例C1是以一般的棕化處理將銅板表面粗糙化,而比較例C2則如同實施例E1至實施例E5採用物理性的粗化將銅板表面粗糙化。
粗糙度Ra,為算術平均粗糙度(roughness average,Ra)。在一取樣長度內,沿z軸量測銅板表面各點與基準水平線的距離的算術平均數。
黏著力,亦可稱為剝離強度(peel strength),係指第一金屬層10(或第二金屬層20)自導熱層30剝離所需的強度。
HHBT,係指高溫高濕偏壓試驗(High Temperature High Humidity Bias Test),主要用於模擬高溫高濕環境下的元件壽命。將待測樣品(即導熱基板100)置於85℃之高溫及85%之相對濕度的環境中,對其施加電壓為1kV的直流電(DC)。待測樣品承受一定時數的電壓施加會燒毀,藉此評估其於嚴苛環境下的壽命。
由表一可知,鍍鎳層的厚度會顯著影響粗糙度Ra、黏著力及HHBT。就粗糙度Ra及黏著力而言,隨著鍍鎳層厚度由實施例E1的1 µm增加至實施例E5的50 µm,粗糙度Ra相應地由0.3 µm提高至 0.52 µm,而黏著力也由0.8 Kg/cm提高至1.4 Kg/cm,皆高於IPC(The Institute of Printed Circuit)規範的0.8 Kg/cm。如同前述所提,除了銅板本身的粗糙面之外,鍍鎳層會保角地在此粗糙面形成突隆結構,而突隆結構內更含有特定形狀的顯微結構特徵。透過粗糙面、突隆結構及顯微結構特徵三者的結合,可有效提升界面之間機械性交互鎖扣(mechanical interlocking)的效果。另外,實施例E4及實施例E5大致上維持相同的粗糙度Ra及黏著力,顯示鍍鎳層厚度達到10 µm即具有最佳的粗糙度Ra及黏著力。相較之下,比較例C1及比較例C2僅對銅板表面進行粗糙化,而未有鍍鎳層,故粗糙度Ra及黏著力相對較低。另需特別注意到,實施例E1及比較例C2雖具相同的粗糙度Ra,但實施例E1的黏著力卻高於比較例C2的黏著力。原因在於,粗糙度Ra顯示的是一個平均值,即整體表面粗度的平均數值。故粗糙度Ra無法精確地體現表面形貌於局部區域的輪廓起伏,更遑論微觀之下的顯微結構特徵。由此可知,實施例E1的鍍鎳層厚度(1 µm)相較於其他實施例較薄,故鍍鎳層所形成的突隆結構僅於某些區域呈現落差較大的高低起伏,未明顯地提升整體表面的粗糙度Ra。但可觀察到的是,當鍍鎳層厚度為1 µm時,突隆結構所致的表面輪廓不平整已然發揮作用,得以提升導熱層與銅板間物理上的鎖扣效應並增強兩者間的黏著力。另外,在粗糙度Ra介於0.15 μm與0.60 μm之間,只要有鍍鎳層,同樣可達前述關於鎖扣效應的相同效果。
就HHBT而言,隨著鍍鎳層厚度由實施例E1的1 µm增加至實施例E5的50 µm,HHBT所能承受的時數也相應地由300小時提高至 3000小時。鍍鎳層具有較佳的化學惰性,可做為銅板與導熱層之間的阻障層,避免銅板發生各種電化學反應,如銅離子遷移即為其中一例。更具體而言,在電場作用下,陽極的銅離子會逐漸通過導熱層遷移至陰極,最終可能導致導熱層的絕緣失效而短路。相較於銅,鎳具有較低的氧化還原電位,故鎳層可提供抗氧化的功能。再者,於銅板與導熱層之間多覆一層鍍層,嚴格來說亦提供兩者間物理上的阻隔。基於上述,將鎳覆於銅板表面時可有效防止銅板中的銅離子遷移效應。相較之下,比較例C1及比較例C2的銅板未有鍍鎳層的保護,故元件壽命相當短,電壓施加不到100小時就會燒毀。
此外,綜合黏著力及HHBT的趨勢來看,兩者亦有相輔相成的效果。如前述所提,黏著力即剝離強度,故黏著力越強,抗剝離的程度越強。導熱基板具有較高的剝離強度,意味著初始的整體結構強度較佳。在通電之初,導熱基板會由於熱能的產生而有熱膨脹的情形。熱膨脹會導致整體結構的形變,進而拉扯銅板與導熱層間的界面。若黏著力過低,在通電之初銅板與導熱層會被扯開而產生微小的間隙,影響導熱基板整體結構的完整性,連帶影響元件的壽命。基於黏著力及化學惰性的提升,有利於維持導熱基板的整體結構的完整性,從而具有較佳的可靠度。換句話說,導熱基板於實際使用時的耐久性(即使用壽命)可獲得顯著的提升。
本發明之技術內容及技術特點已揭示如上,然而本領域具有通常知識之技術人士仍可能基於本發明之教示及揭示而作種種不背離本發明精神之替換及修飾。 因此,本發明之保護範圍應不限於實施例所揭示者,而應包括各種不背離本發明之替換及修飾,並為以下之申請專利範圍所涵蓋。
10:第一金屬層
10a:第一上表面
10b:第一下表面
11:第一金屬鍍層
11a:突隆結構
20:第二金屬層
20a:第二上表面
20b:第二下表面
21:第二金屬鍍層
30:導熱層
40:橋接層
40a:橋接劑
100:導熱基板
圖1顯示本發明一實施態樣之導熱基板的剖面結構示意圖; 圖2顯示圖1之導熱基板的局部放大圖; 圖3顯示圖2之導熱基板的局部變化圖;以及 圖4顯示圖3之橋接層的橋接示意圖。
10:第一金屬層
10a:第一上表面
10b:第一下表面
11:第一金屬鍍層
11a:突隆結構
20:第二金屬層
20a:第二上表面
20b:第二下表面
21:第二金屬鍍層
30:導熱層
100:導熱基板

Claims (18)

  1. 一種導熱基板,包含:一第一金屬層,包含銅且具有相對的一第一上表面及一第一下表面,其中該第一下表面覆有一第一金屬鍍層,其中該第一金屬鍍層的厚度為1μm至50μm;一第二金屬層,包含銅且具有相對的一第二上表面及一第二下表面,其中該第二上表面覆有一第二金屬鍍層並面向該第一金屬鍍層,其中該第二金屬鍍層的厚度為1μm至50μm;以及一導熱層,為電絕緣體且疊設於該第一金屬鍍層與該第二金屬鍍層之間。
  2. 根據請求項1之導熱基板,其中該第一金屬鍍層的厚度為1μm至10μm。
  3. 根據請求項2之導熱基板,其中該第二金屬鍍層的厚度為1μm至10μm。
  4. 根據請求項1之導熱基板,其中該第一金屬層的該第一下表面為經物理粗化的粗糙面。
  5. 根據請求項4之導熱基板,其中該第一金屬鍍層於該粗糙面上形成複數個突隆結構。
  6. 根據請求項5之導熱基板,其中該第一金屬鍍層的各突隆結構具有一顯微結構特徵,該顯微結構特徵呈現球形、多面體形、針形或不規則形的表面形貌。
  7. 根據請求項6之導熱基板,其中該第一金屬鍍層的粗糙度(Ra)為0.15μm至0.60μm。
  8. 根據請求項7之導熱基板,其中該第一金屬層與該導熱層之間的黏著力為0.5Kg/cm至3.0Kg/cm。
  9. 根據請求項8之導熱基板,其中該第二金屬鍍層的該第二上表面為經物理粗化的粗糙面,而該第二金屬鍍層於該粗糙面上形成複數個突隆結構,且該第二金屬鍍層的粗糙度(Ra)為0.15μm至0.60μm。
  10. 根據請求項9之導熱基板,其中該第二金屬鍍層的各突隆結構具有一顯微結構特徵,該顯微結構特徵呈現球形、多面體形、針形或不規則形的表面形貌。
  11. 根據請求項10之導熱基板,其中該第二金屬層與該導熱層之間的黏著力為0.5Kg/cm至3.0Kg/cm。
  12. 根據請求項1之導熱基板,其中該第一金屬鍍層的材料及該第二金屬鍍層的材料選自由鎳、錫、鋅、鉻、鉍、鈷及其任意組合所組成的群組。
  13. 根據請求項1之導熱基板,更包含一橋接層,設置於該第一金屬鍍層與該導熱層之間。
  14. 根據請求項13之導熱基板,其中該橋接層包含至少一橋接劑,選自由有機金屬螯合劑、有機矽烷偶合劑、矽氧烷樹脂、環氧樹脂及其任意組合所組成的群組。
  15. 根據請求項1之導熱基板,其中該第一金屬層及該第二金屬層皆由銅組成。
  16. 根據請求項1之導熱基板,其中該第一金屬層的厚度為0.1mm至10mm。
  17. 根據請求項1之導熱基板,其中該導熱層包含一高分子聚合物及一導熱填料,且該導熱層的熱傳導率為3W/mK至20W/mK。
  18. 根據請求項17之導熱基板,其中該高分子聚合物具有一熱固型樹脂,以及該導熱填料具有一導熱陶瓷材料,且該導熱陶瓷材料選自由氮化鋯、氮化硼、氮化鋁、氮化矽、氧化鋁、氧化鎂、氧化鋅、二氧化矽、二氧化鈦及其任意組合所組成的群組。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW201305233A (zh) * 2011-07-21 2013-02-01 Polytronics Technology Corp 導熱電絕緣高分子材料及包含該導熱電絕緣高分子材料之散熱基板
CN108621513A (zh) * 2017-03-22 2018-10-09 昆山雅森电子材料科技有限公司 用于超细线路fpc及cof材料的纳米金属基板及制造方法
TW202108368A (zh) * 2019-08-22 2021-03-01 聚鼎科技股份有限公司 導熱基板
TW202226483A (zh) * 2020-12-22 2022-07-01 聚鼎科技股份有限公司 導熱基板

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW201305233A (zh) * 2011-07-21 2013-02-01 Polytronics Technology Corp 導熱電絕緣高分子材料及包含該導熱電絕緣高分子材料之散熱基板
CN108621513A (zh) * 2017-03-22 2018-10-09 昆山雅森电子材料科技有限公司 用于超细线路fpc及cof材料的纳米金属基板及制造方法
TW202108368A (zh) * 2019-08-22 2021-03-01 聚鼎科技股份有限公司 導熱基板
TW202226483A (zh) * 2020-12-22 2022-07-01 聚鼎科技股份有限公司 導熱基板

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