TWM507138U - 散熱電路板 - Google Patents

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Wen-Feng Lee
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Description

散熱電路板
本創作係關於一種電路板，特別是關於一種高導熱的散熱電路板，提供電子元件配置，使電子元件的熱源(heat source)可透過散熱電路板迅速外擴傳導。
眾所周知，LED發光具有反應時間快、體積小、功率消耗小、發光效率高、低汙染、可靠度高、適用範圍廣、使用壽命長、適合量產等優點。但其亦有缺點有待克服，如因散熱不良所導致的光衰、發光效率及LED晶體壽命的降低、散熱模組的成本價格過高與加工不易等。
傳統LED芯片封裝，由於LED的功率高，且產生的熱能也高，需要使用陶瓷基板(23~230W/m·K)作為LED封裝載板使用，以使得LED產生的熱能藉由極好的載板熱傳導率，將芯片的熱能傳導至電路板與散熱鰭片(Heat sink)等，如以下之說明：
參照圖1，LED芯片10利用固晶膠11固設於基板12上，並以封裝材料18包覆。該基板12可為前述之陶瓷基板（基板上的線路圖未示）。該基板12利用焊錫13固定於由鋁板15及絕緣層14構成之金屬基印刷電路板(Metal Core Printed Circuit Board；MCPCB)。鋁板15下方可設置散熱墊片16將熱傳導至散熱鰭片17。藉此結構設計，用以將LED芯片11產生之熱沿箭頭方向傳導散熱。
傳統陶瓷基板雖然具有高的熱傳導率，但由於其機械強度較差，且須經過燒結製程，造成其產品製作成本較高，且尺寸不易擴大。另由於其陶瓷基板厚度較厚(300mm)，雖具有高導熱率，但其熱阻抗的特性也因為厚度增加而增加。
絕緣層14之材料中通常採用導熱填充物(例如氧化鋁)做為導熱媒介，以同時提供絕緣和導熱的功效。然而氧化鋁等導熱填充物的導熱率仍遠小於金屬材質，導致散熱基板的散熱效率無法大幅提升。
為進一步提升散熱電路基板的導熱特性，本創作在散熱電路板內設計橫向和縱向的高導熱通路，可大幅提升熱傳導(heat conduction)效果，同時解決整體散熱電路板的散熱效率不佳，與加速電子元件(熱點)的散熱效應。
根據本創作之一實施例，公開了一種散熱電路板，用以針對其表面設置的一個或多個電子元件進行散熱。散熱電路板為層疊結構，其包括第一金屬層、金屬基板、第一高分子導熱絕緣層及導熱柱狀結構。第一金屬層可製作圖案，作為該電子元件的導電線路。第一高分子導熱絕緣層設置於該第一金屬層和金屬基板之間，且其熱傳導係數大於1W/m·K。導熱柱狀結構設置於該電子元件下方，且貫穿通過該第一高分子導熱絕緣層，從而構成該電子元件的熱傳導通路。散熱電路板根據ASTM D5470規範所得的熱阻值小於0.15o C/W，或特別是小於0.1o C/W、0.08o C/W或0.06o C/W。
一實施例中，該導熱柱狀結構係包含電鍍通孔結構、電鍍填孔結構或其組合。
一實施例中，該導熱柱狀結構係金屬材料結構或高分子導熱材料結構。
一實施例中，該第一金屬層和該電子元件間設有焊錫。
一實施例中，本創作之散熱電路板另包含介於第一高分子導熱絕緣層和金屬基板之間的第二金屬層和第二高分子導熱絕緣層。
一實施例中，該第二高分子導熱絕緣層設於該金屬基板表面，第二金屬層設於該第一和第二高分子導熱絕緣層之間。
一實施例中，該導熱柱狀結構延伸穿過該第二金屬層和第二高分子導熱絕緣層。
一實施例中，該第二金屬層和第二高分子導熱絕緣層位於該第一金屬層和第一高分子導熱絕緣層相對於金屬基板的另一側，形成上下對稱結構。
一實施例中，導熱柱狀結構另包含貫穿通過該第二高分子導熱絕緣層的部分。
一實施例中，該導熱柱狀結構包含導熱柱狀電鍍金屬結構、導熱柱狀樹脂填充導熱材料結構、導熱柱狀樹脂填充金屬材料結構或導熱柱狀樹脂填充碳系材料結構。
一實施例中，該電子元件係LED芯片，且其單位面積發光效率在200~500 lm/cm2 。
本創作結合具高導熱功能的散熱金屬基板及導熱柱狀結構，形成縱向和橫向的熱傳導通路。該導熱柱狀結構設置於該電子元件的下方或相對接近位置，且與電子元件的熱集散金屬相連接，可以增加熱傳導效果，從而將散熱電路板的熱阻值控制小於0.15o C/W。若應用於LED發光，可增進LED單位面積的發光效率達200~500 lm/cm2 ，甚至300~600 lm/cm2 ，從而提升LED發光模組的發光效率及延長其使用壽命。
為讓本創作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。
圖2係本創作第一實施例之散熱電路板20之應用示意圖，其表面搭載電子元件25。散熱電路板20可針對設置於其表面或上方的電子元件25進行散熱，從而提高電子元件25的散熱效率，避免電子元件25過熱失效或降低其使用壽命。本實施例中散熱電路板20為層疊結構，由上而下依序包含第一金屬層21、第一高分子導熱絕緣層22以及金屬基板23。詳言之，第一高分子導熱絕緣層22設置於金屬基板23表面，且第一金屬層21設置於第一高分子導熱絕緣層22表面，亦即第一高分子導熱絕緣層22疊設於第一金屬層21和金屬基板23之間。第一金屬層21可利用蝕刻等方式製作圖案，以作為電子元件25的導電線路。第一高分子導熱絕緣層22的熱傳導係數大於1W/m·K，或特別是大於2W/m·K、4W/m·K、8W/m·K。電子元件25可為例如形成覆晶(flip-chip)型式，其下方設有例如p型和n型的焊墊27，而第一金屬層21於相對位置也形成相應焊墊，可通過結合材料26連接電子元件25的焊墊27並進行結合。除了構成線路之焊墊27通常位於電子元件25側邊，而電子元件25中央部份下方也可設置熱集散金屬件28作為熱傳導介面，但其通常不構成導電線路的一部分。熱集散金屬件28以結合材料件24結合於其下方的第一金屬層21，該部分之第一金屬層21大約位於該電子元件25的中央部份下方。第一高分子導熱絕緣層22相對於電子元件25位置設置有導熱柱狀結構29，亦即導熱柱狀結構29設置於該電子元件25下方，且貫穿通過該第一高分子導熱絕緣層22，並與金屬基板23表面相接，從而構成連接該電子元件25的熱傳導通路。綜言之，第一高分子導熱絕緣層22係橫向延伸，構成橫向的熱傳導通路，而導熱柱狀結構29則沿縱向（垂直方向）延伸，構成縱向的熱傳導通路，如此縱向和橫向的結合可達熱傳導效果的最佳化。整體而言，散熱電路板20根據ASTM D5470規範所測得的熱阻值可達小於0.15o C/W，或特別是小於0.1o C/W、0.08o C/W或0.06o C/W。
圖3係本創作第二實施例之散熱電路板之應用示意圖。散熱電路板30表面搭載如前述實施例之電子元件25，從而提供熱傳導路徑進行散熱。散熱電路板30類似於前述散熱電路板20，亦為層疊結構，但層數更多，依序包含第一金屬層21、第一高分子導熱絕緣層22、第二金屬層31、第二高分子導熱絕緣層32及金屬基板23。類似地，電子元件25同樣通過結合材料件24以及銲錫26連接散熱電路板30。電子元件25下方設置導熱柱狀結構39，其貫穿通過該第一高分子導熱絕緣層22，且與第二金屬層31相連接，從而構成連接該電子元件25的熱傳導通路。本實施例中，除了第一和第二高分子導熱絕緣層22和32提供橫向熱傳導路徑外，第二金屬層31有更佳的熱傳導率，可進一步提升橫向熱傳導效能。
圖4係本創作第三實施例之散熱電路板之應用示意圖。散熱電路板40表面搭載如前述實施例之電子元件25，從而提供熱傳導路徑進行散熱。散熱電路板40類似於前述散熱電路板30，亦為層疊結構，依序包含第一金屬層21、第一高分子導熱絕緣層22、第二金屬層31、第二高分子導熱絕緣層32及金屬基板23。類似地，電子元件25同樣通過結合材料件24以及銲錫26連接散熱電路板40。電子元件25下方設置導熱柱狀結構49，其穿過該第一高分子導熱絕緣層22、第二金屬層31及第二高分子導熱絕緣層32，並與金屬基板23相連接，從而構成連接該電子元件25的熱傳導通路。相較於前述散熱電路板30，本實施例之導熱柱狀結構49進一步貫穿第二金屬層31及第二高分子導熱絕緣層32，可進一步提升縱向的熱傳導效率。
圖5係本創作第四實施例之散熱電路板之應用示意圖，其係雙面電路板之結構設計。散熱電路板50的上下表面搭載如前述實施例之二個電子元件25，從而提供熱傳導路徑進行散熱。散熱電路板50類似於前述散熱電路板20，亦為層疊結構，但層數較多，依序包含第一金屬層21、第一高分子導熱絕緣層22、金屬基板23、第二高分子導熱絕緣層52及第二金屬層51。該第二金屬層51和第二高分子導熱絕緣層52位於該第一金屬層21和第一高分子導熱絕緣層22相對於金屬基板23的另一側，形成上下對稱結構。類似地，電子元件25同樣通過結合材料件24以及銲錫26連接散熱電路板50。上下之二個電子元件25相應處設置導熱柱狀結構29，其分別穿過第一高分子導熱絕緣層22及第二高分子導熱絕緣層52，並與金屬基板23相連接，從而構成連接該電子元件25的熱傳導通路。
第一金屬層21及第二金屬層31和51可包含鎳、銅、鋁、鉛、錫、銀、金或其合金之箔片、鍍鎳銅箔、鍍錫銅箔或鍍鎳不銹鋼等導熱率大於50W/m·K之材料，尤以導熱率大於200W/m·K或300W/m·K之材料具有更佳的熱傳導效率，而為本創作之較佳選擇。第一和第二高分子導熱絕緣層22、32和52可以選用聚鼎公司所生產之TCP-2、TCP-4、TCP-8、TCP-12、TCP-C之散熱膠，或者為Laird所生產型號為1KA04、1KA06、1KA08、1KA10、1KA12之散熱膠，或者為NRK所生產型號為NRA-8、NRA-E-3、NRA-E-6、NRA-E-12之散熱膠，或者為Bergquist所生產型號為TCP-1000、MP-06503、LTI-06005、HT-04503、TH-07006之散熱膠，或者為遠碩所生產型號為HTCA-60、HTCA-120之散熱膠，或者為永復興所生產型號為ERNE-800H之散熱膠。第一和第二高分子導熱絕緣層22、32和52之熱傳導係數大於1W/m·K，或特別是大於2W/m·K、4W/m·K、8W/m·K，特別是可採用8~12W/m·K，或為9~11W/m·K等高導熱成分。一實施例中，第一和第二高分子導熱絕緣層22、32和52之厚度小於等於150mm，特別是小於等於100mm、90mm、80mm、70mm或60mm。
進一步言之，導熱柱狀結構29、39、49形成熱傳導通路，以提升傳統散熱金屬基板的散熱效率。導熱柱狀結構29、39、49的放置區域在電子零件的下方，與電子元件25形成有效的熱傳導通路。該導熱柱狀結構29、39、49可包含電鍍通孔結構、電鍍填孔結構或其組合，亦或是高分子導熱材料結構。導熱柱狀結構29、39、49使用的材料可以為電鍍金屬、樹脂填充導熱材料、樹脂填充金屬材料或樹脂填充碳系(碳黑、石墨、石墨烯、奈米碳管等)材料，亦即導熱柱狀結構29、39、49可為導熱柱狀電鍍金屬結構、導熱柱狀樹脂填充導熱材料結構、導熱柱狀樹脂填充金屬材料結構或導熱柱狀樹脂填充碳系材料結構。
一實施例中，結合材料件24可為金屬焊錫或樹脂與導熱材料的混合物。
一實施例中，電子元件25係LED芯片。經測試，本創作的散熱電路板若使用不同直徑大小的導熱柱狀結構29、39、49，其LED芯片可產生的流明值上限，與單位面積流明值大致可有以下如表1的關係。實際應用上，使用本創作之散熱電路板，可提供LED芯片約200~500 lm/cm2 的發光效率，或300~600 lm/cm2 。 [表1]<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 導熱柱狀結構直徑 </td><td> 流明值 (lm)上限 </td><td> 流明值/面積 (lm/cm<sup>2</sup>) </td></tr><tr><td> 23mm </td><td> 1300~2000 </td><td> 313~482 </td></tr><tr><td> 30mm </td><td> 3000 </td><td> 425 </td></tr><tr><td> 40mm </td><td> 5000 </td><td> 398 </td></tr></TBODY></TABLE>
本創作結合具高導熱功能的散熱金屬基板及導熱柱狀結構，形成縱向和橫向的熱傳導通路，如此可大幅增進散熱效果。整體而言，可將散熱電路板的熱阻值控制小於0.15o C/W。若應用於LED發光，可增進LED單位面積的發光效率達200~500 lm/cm2 ，或300~600 lm/cm2 。
本創作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創作之教示及揭示而作種種不背離本創作精神之替換及修飾。因此，本創作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創作之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。
10‧‧‧LED芯片
11‧‧‧固晶膠
12‧‧‧基板
13‧‧‧焊錫
14‧‧‧絕緣層
15‧‧‧鋁板
16‧‧‧散熱墊片
17‧‧‧散熱鰭片
18‧‧‧封裝材料
20、30、40、50‧‧‧散熱電路板
21‧‧‧第一金屬層
22‧‧‧第一高分子導熱絕緣層
23‧‧‧金屬基板
24‧‧‧結合材料件
25‧‧‧電子元件
26‧‧‧銲錫
27‧‧‧焊墊
28‧‧‧熱集散金屬件
29、39、49‧‧‧導熱柱狀結構
31、51‧‧‧第二金屬層
32、52‧‧‧第二高分子導熱絕緣層
圖1係習知的LED散熱電路板應用示意圖。 圖2係本創作第一實施例之散熱電路板應用示意圖。 圖3係本創作第二實施例之散熱電路板應用示意圖。 圖4係本創作第三實施例之散熱電路板應用示意圖。 圖5係本創作第四實施例之散熱電路板應用示意圖。
20‧‧‧散熱電路板
21‧‧‧第一金屬層
22‧‧‧第一高分子導熱絕緣層
23‧‧‧金屬基板
24‧‧‧結合材料件
25‧‧‧電子元件
26‧‧‧銲錫
27‧‧‧焊墊
28‧‧‧熱集散金屬件
29、39、49‧‧‧導熱柱狀結構
31、51‧‧‧第二金屬層
32、52‧‧‧第二高分子導熱絕緣層

Claims (12)

  1. 一種散熱電路板，用以針對其表面設置的電子元件進行散熱，包括： 第一金屬層，提供該電子元件的導電線路； 金屬基板； 第一高分子導熱絕緣層，設置於該第一金屬層和金屬基板之間，且其熱傳導係數大於1W/m·K；以及 導熱柱狀結構，設置於該電子元件下方，貫穿通過該第一高分子導熱絕緣層，從而構成該電子元件的熱傳導通路； 其中該散熱電路板根據ASTM D5470規範所得的熱阻值小於0.15o C/W。
  2. 根據請求項1所述之散熱電路板，其中該導熱柱狀結構係包含電鍍通孔結構、電鍍填孔結構或其組合。
  3. 根據請求項1所述之散熱電路板，其中該導熱柱狀結構係高分子導熱材料結構。
  4. 根據請求項1所述之散熱電路板，其中該第一金屬層和該電子元件間設有焊錫。
  5. 根據請求項1所述之散熱電路板，其另包含設於該第一高分子導熱絕緣層和金屬基板間的第二金屬層和第二導熱絕緣層。
  6. 根據請求項5所述之散熱電路板，其中該第二高分子導熱絕緣層設於該金屬基板表面，第二金屬層設於該第一和第二高分子導熱絕緣層之間。
  7. 根據請求項6所述之散熱電路板，其中該導熱柱狀結構延伸穿過該第二金屬層和第二高分子導熱絕緣層。
  8. 根據請求項1所述之散熱電路板，其另包含第二金屬層和第二高分子導熱絕緣層，該第二金屬層和第二高分子導熱絕緣層位於該第一金屬層和第一高分子導熱絕緣層相對於金屬基板的另一側，形成上下電路結構。
  9. 根據請求項8所述之散熱電路板，其中該導熱柱狀結構另包含貫穿通過該第二高分子導熱絕緣層的部分。
  10. 根據請求項1所述之散熱電路板，其中該導熱柱狀結構與金屬基板表面相連接。
  11. 根據請求項1所述之散熱電路板，其中該導熱柱狀結構包含導熱柱狀電鍍金屬結構、導熱柱狀樹脂填充導熱材料結構、導熱柱狀樹脂填充金屬材料結構或導熱柱狀樹脂填充碳系材料結構。
  12. 根據請求項1所述之散熱電路板，其中該電子元件係LED芯片，且其單位面積發光效率在200~500 lm/cm2 。
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