TWI690246B - 內建縱向散熱陶瓷塊印刷電路板及具該電路板的電路組件 - Google Patents
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Abstract
一種內建縱向散熱陶瓷塊印刷電路板及具該電路板的電路組件，其中該電路組件包含：一片內建縱向散熱陶瓷塊印刷電路板及複數電路元件，前述印刷電路板更包括：一介電材料層，並形成至少一個貫穿孔；至少一個對應嵌入上述貫穿孔中的散熱陶瓷塊；至少一個將上述散熱陶瓷塊嵌固於上述貫穿孔中的固定部；一設置於上述介電材料層與上述散熱陶瓷塊的上板面的金屬電路層及設置於下板面的高導熱層。本發明藉由可依需要調整設置位置及大小的散熱陶瓷塊，達到因應複雜電路設計、發揮良好導熱效果及控制熱能傳導路徑，並降低製造成本的目的。
Description
一種印刷電路板，尤其是一種內建縱向散熱陶瓷塊印刷電路板及具該電路板的電路組件。
印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)是以銅箔基板為主要關鍵基礎材料，用以供裝設電子元件，該銅箔基板一般多以介電材料做為絕緣層，以銅箔形成的導線為導電材料層，並將導電材料層布局於該介電絕緣層而成。其中介電材料又多以紙質、電木板、玻璃纖維板、橡膠以及其他種類高分子等絕緣材料經樹脂含浸形成為主。為便於後續說明，本案將此種銅箔基板的絕緣層稱為介電材料層。
隨著電路設計的日益複雜、多元的需求，印刷電路板的結構也由單面板(Single Layer PCB)逐漸發展為雙面板(Double Layer PCB)到多層板(Multi Layer PCB)。目前多層的印刷電路板是利用多層的介電材料層和導電材料層相疊合，形成更複雜並且更多元的電路，並且藉由在介電材料層形成貫穿孔，以導電材料構成插塞(Plug)，進而連結多層板間各層的導線，以達到在更小的占用體積裡允許容納更多電子元件的目的。市面上常見的FR-4、FR-5、FR-6、FR-7等皆屬於多層PCB常用材質。
在電子裝置不斷微型化的同時，特定需求的電子元件則朝向更高功率方向發展，如此一來，在更小的空間內就會伴隨更高的發熱。尤
其導線的線距和導線本身的線徑都要縮小，例如在電木板與玻璃纖維等為基礎的基板材料上，電路間距都已可縮減到大約50微米(μm)，這使得電路領域中關於熱能累積難以處理的高溫問題愈發嚴重。
高功率元件消耗的能量大，一方面代表工作效率較高，但有一定比例的能量被轉換為熱能也是不可避免的。再者，電子技術又朝向電子電路設計及布局的複雜與多元化的方向發展，當高功率電子元件開始被設置於印刷電路板上時，意味著會有更多耗能元件被設計在相同甚至更小的空間中工作，這樣的趨勢下，產生的熱能問題將比以往更難處理。由於一般印刷電路板的銅箔基板絕緣層材料多為介電材料，並不是熱的良好導體，使得高發熱元件所產生的熱能都積聚在靠近高功率元件的附近，讓運作環境非常不理想。同時，過多的熱堆積通常也導致印刷電路板的膨脹，但印刷電路板和電路元件間的熱膨脹係數不一，也勢必會造成因熱應力而讓接點產生受損的風險。
為了增進散熱效率，目前常用的方法有以下幾種：一是一般電子元件產生的熱能，經由熱對流或是熱輻射擴散至印刷電路板周圍的空氣及環境，但此種散熱效率並不高；二是透過導熱性質比較好的金屬導線或散熱片(Heat-Sink)傳導，雖然這類結構散熱效果較單純介電材質更好，但由於金屬導線的線徑不大，故此種路徑之散熱效率並不高；而散熱片通常需經由導熱膠等材料固定於印刷電路板，但是導熱膠本身的導熱係數遠低於金屬，因此即使在散熱片遠離產熱電子元件的遠端加裝風扇，導熱片的導熱效果也會大打折扣。
另一解決方案是加裝導熱管，但導熱管不僅佔用空間，結構
也相對複雜，製造成本因而大增，其他的解決方案，還包括變換印刷電路板的材質或結構，例如以鋁(導熱係數237Wm-1K-1)為金屬核心的金屬核心印刷電路板(Metal Core PCB，MCPCB)，但受限於技術因素，目前尚無多層板結構，無法因應複雜電路設計；且在加工過程中容易產生佈局變形，無法被廣泛採用。
目前比較被普遍採行的解決方案是使用陶瓷材料做為電路基板的絕緣材料層，最常見的陶瓷材料有氧化鋁(Aluminium Oxide，Al2O3)製成的直接覆銅(Dircet Bonded Copper，DBC)基板，其中，氧化鋁在單晶結構下導熱係數可達35Wm-1K-1，多晶結構下則有20至27Wm-1K-1。其他常見的陶瓷材料基板，還有：氮化鋁(AlN)、氧化鈹(BeO)及碳化矽(SiC)等。由於上述導熱性能良好的陶瓷材料常用在有高功率電子元件的電路基板中，因此該類基板有時又稱作高功率印刷電路基板(Power Electronic Substrate)。
然而，實務上若要使用以陶瓷材料基板製作的印刷電路板，雖然電路的導線線徑可以細至30微米(μm)，但由於通常採用高溫燒製，在製程中，一方面會造成少量的膨脹不均和翹曲，因此基板的精密度不如印刷電路板而不適合製造多層板；另方面在高溫製程中容易使構成電路的金屬原子游離擴散，使得導線間距須維持在80微米(μm)左右。因此，採用陶瓷材料基板製作印刷電路板除了成本增加外，還會造成導線的寬度、間距無法縮減，以及導線線路位置的精準度問題，使得應用整片陶瓷材料基板的電子裝置體積無法微型化。
所以，針對高發熱的電子元件，目前常會先將電子元件設置
於小塊陶瓷上，封裝後又再設置於樹脂類印刷電路基板上形成疊床架屋的結構，這樣不僅增加印刷電路板的體積，並且因為陶瓷塊和導熱元件間還需要經過導熱係數較差的材料傳導，又會降低原本的散熱效率。
例如有業者提出採用半導體製程，將散熱材料沉積於蝕刻後的介電基板中，製成如圖1所示複合式散熱式基板；然而，由於半導體製程的機台相當昂貴，使得此種製造方法成本隨之高漲，尤其考慮製程中的光罩等成本分擔，因此並不適合少量多樣的產品，在製程方面受到相當限制，且並非一般基板廠能普遍採用。
因此，如何一方面能配合更細的導線線徑和更小的導線間距，讓電路設計更微型化，所佔用空間更小；並且提供更佳的導熱效率，讓高功率電子元件的應用成為可行，還同時能依照不同的客戶需要，製造少量多樣的產品，提供製造彈性，就是本案所要達到的目的。
本發明之一目的在提供一種在高功率元件處具有良好導熱效率，且在其餘部分能提供具彈性電路設計的內建縱向散熱陶瓷塊印刷電路板。
本發明之另一目的在提供一種可以依需要設置散熱位置，提供設計彈性的內建縱向散熱陶瓷塊印刷電路板，讓少量多樣的電路佈局成為可行。
本發明之又一目的在提供一種藉由貫穿上下的散熱陶瓷塊，可以更有效設計導熱路徑的內建縱向散熱陶瓷塊印刷電路板。
本發明之再一目的在提供一種節省空間的內建縱向散熱陶
瓷塊印刷電路板；以散熱陶瓷塊嵌入印刷電路基板上的貫穿孔，讓未設置元件的下板面可以導熱接合散熱裝置，提升整體散熱效果。
本發明之又另一目的在提供一種成本較陶瓷材料基板更經濟的內建縱向散熱陶瓷塊印刷電路板。
本發明之又再一目的在提供一種內建縱向散熱陶瓷塊印刷電路板，藉由在散熱陶瓷塊和印刷電路基板的介電材料層齊平的上板面上，同步形成金屬電路層，讓印刷電路板一體化，使得整體結構簡單，製造成本低廉。
因此，本發明揭露一種內建縱向散熱陶瓷塊印刷電路板，包括：一介電材料層，包含一第一上板面和相反於前述第一上板面的第一下板面，以及，該介電材料層上形成有至少一個貫穿前述第一上板面和第一下板面的貫穿孔；至少一個對應嵌入上述貫穿孔中的散熱陶瓷塊，包含一第二上板面與一第二下板面，前述散熱陶瓷塊導熱係數高於前述介電材料層；至少一個將上述散熱陶瓷塊嵌入固定於上述介電材料層的貫穿孔中的固定部，並使得前述第二上板面分別對應於上述第一上板面，以及前述第二下板面分別對應於上述第一下板面；一設置於上述第一上板面和上述第二上板面上的金屬電路層；以及一設置於上述第一下板面和上述第二下板面下方的高導熱層，其中該高導熱層的導熱係數高於上述散熱陶瓷塊。
當把包括高功率元件在內的複數電路元件，安裝於上述內建縱向散熱陶瓷塊印刷電路板，就可以構成本發明的一種電路組件，包含：一片內建縱向散熱陶瓷塊印刷電路板，包括：一介電材料層，包含一第一上板面和相反於前述第一上板面的第一下板面，以及，該介電材料層上形
成有至少一個貫穿前述第一上板面和第一下板面的貫穿孔；至少一個對應嵌入上述貫穿孔中的散熱陶瓷塊，包含一第二上板面與一第二下板面，前述散熱陶瓷塊導熱係數高於前述介電材料層；至少一個將上述散熱陶瓷塊嵌入固定於上述介電材料層的貫穿孔中的固定部，並使得前述第二上板面分別對應於上述第一上板面，以及前述第二下板面分別對應於上述第一下板面；一設置於上述第一上板面和上述第二上板面上的金屬電路層，供設置複數電路元件，其中前述電路元件中至少包括一個高功率元件，以及上述高功率元件係供設置於上述第二上板面上的金屬電路層處；以及一設置於上述第一下板面和上述第二下板面下方的高導熱層，其中該高導熱層的導熱係數高於上述散熱陶瓷塊；以及複數電路元件，其中至少包括一個高功率元件，以及前述高功率元件係供設置於上述第二上板面上的金屬電路層處。
本發明藉由相對簡單的製造程序，減少昂貴的陶瓷材料面積從而降低製造成本，並且兼得陶瓷材料的良好導熱效果以及印刷電路板可容許複雜電路設計的優勢，不僅符合電路微型化趨勢，並針對高功率電路元件提供良好導熱，藉此確保操作環境的適當溫度；再者，本發明更能有效控制熱能傳導路徑，確保其他電子元件良好運作，尤其，符合少量多樣製造需求，藉此增加印刷電路板的使用彈性。
1‧‧‧內建縱向散熱陶瓷塊印刷電路板
2、2’‧‧‧電路組件
11、11’‧‧‧介電材料層
111、111’‧‧‧第一上板面
113、113’‧‧‧第一下板面
115‧‧‧貫穿孔
117、117’‧‧‧穿孔內緣
13、13’‧‧‧散熱陶瓷塊
131、131’‧‧‧第二上板面
133、133’‧‧‧第二下板面
135、135’‧‧‧外周緣
15、15’‧‧‧固定部
17、17’‧‧‧金屬電路層
19、19’‧‧‧高導熱層
8’‧‧‧散熱鰭片
9、9’‧‧‧高功率元件
圖1為一種先前技術的側視示意圖，說明電路組件與印刷電路板的結構。
圖2為本發明一種內建縱向散熱陶瓷塊印刷電路板及具該電路板的電路組
件之第一較佳實施例的側視示意圖，說明散熱陶瓷塊於印刷電路板中的相關位置，及電路組件的整體結構。
圖3為圖2的部分立體透視示意圖，用於說明印刷電路板內部結構與結合方式。
圖4為圖2的立體爆炸圖。
圖5為本發明的電路組件的側視示意圖，用於說明本發明乘載IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型電晶體)的狀態。
圖6為本發明一種內建縱向散熱陶瓷塊印刷電路板及具該電路板的電路組件之第二較佳實施例的側視示意圖，用於說明本發明乘載LED的狀態。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚呈現；此外，在各實施例中，相同之元件將以相似之標號表示。
本發明一種內建縱向散熱陶瓷塊印刷電路板及具該印刷電路板的電路組件之第一較佳實施例，如圖2至圖5所示，是以長、寬各10cm的FR-4的多層形式介電材料層11為基礎，在介電材料層11中以例如雷射預切割出例如長、寬各2cm的貫穿孔115，再將對應的如氧化鋁(Al2O3)材質方形柱狀的散熱陶瓷塊13嵌入貫穿孔115中。不過，如熟悉本技術領域人士所能輕易理解，本實施例中的FR-4基板大小可以從大於10cm2到小於3600cm2的範圍內簡單替換。
為便於說明起見，在此依照圖式方向，將介電材料層11位於圖式上方的表面稱為第一上板面111，相對的下方稱為第一下板面113，而將
散熱陶瓷塊13的上、下表面分別稱為第二上板面131和第二下板面133，且介電材料層11的厚度和散熱陶瓷塊13的厚度相近。當然，熟知此領域技術者可以輕易瞭解上述介電材料層11無論改採FR-1(俗稱電木板)、FR-3、FR-6、G-10等環氧樹脂或玻璃纖維預浸基板均可；切割方式也可以採用機械切割等類似方式，散熱陶瓷塊13則可以選擇氮化矽(Si3N4)、氧化鋁(Al2O3)、碳化矽(SiC)、氧化鈹(BeO)等替代，均無礙於本案實施。
隨後以例如環氧樹脂膠填入氮化鋁的散熱陶瓷塊13的外周緣135與FR-4介電材料層11的穿孔內緣117之間的間隙，膠材固化後，即可將散熱陶瓷塊的外周緣135與穿孔內緣117穩固結合，且膠材固化形成的固定部15本身還具有大於散熱陶瓷塊13的撓性，因此是一種機械緩衝混合材料，使得兩種相異材質即使受熱膨脹係數不一，仍可以提供緩衝保護。當然，熟知本技術領域之人可以輕易推知，雖本例以環氧樹脂膠做說明，但可以矽為基底或其他具撓性的膠材均屬簡易變換，並無礙於本案實施。
在上述散熱陶瓷塊13被固定部15嵌固於介電材料層11的貫穿孔115後，可以經過拋磨，使得第一上板面111和第二上板面131相互齊平，以便於進一步於本例中，以例如濺鍍的方式在第一和第二上板面上，依序形成一層鈦及一層銅的金屬種子層，接著並以電鍍的方式增厚該金屬種子層，構成一電鍍銅層，且為保護銅層不致輕易氧化，本例中在銅層上方更增加一層鎳、金層，共同構成多層結構的一金屬層。當然，熟知此領域技術者可以輕易瞭解上述保護銅層材料無論改採有機保焊劑(Organic Solderability Preservatives，OSP)、銀、錫等材料替代，均無礙於本案實施。前述金屬層經過佈局(Pattern)等一系列後續常規加工程序即為本例中的金
屬電路層17。當然，熟知此技術者也可以採用例如常見的蒸鍍或其他可行的方式，並且採用它種適合的金屬用以形成上述多層結構的金屬電路層。
由於第一下板面113和第二下板面133也彼此齊平，且銅具有較佳的導熱係數(380Wm-1K-1)，因此於本例中，在第一下板面113和第二下板面133下方也形成一銅的金屬層，藉此構成一層導熱係數高於前述介電材料層11的高導熱層19。由於高導熱層19同時以良好的導熱接觸，連結介電材料層11和散熱陶瓷塊13，但散熱陶瓷塊13以及高導熱層19的導熱係數遠高於介電材料層11，因此高導熱層19主要是將散熱陶瓷塊13傳來的熱能從圖式的水平方向再導出，相對地，設置於介電材料層11上方的一般電路元件(圖未示)，則不會輕易受到散熱陶瓷塊13所傳來的熱能干擾，藉此將高功率元件9所發出的高熱與其他周邊一般的電路元件隔離。
上述介電材料層11設置完成後，即可供進一步安裝所需電路元件，前述電路元件更包括至少一件高功率元件9，於此例中，高功率元件9例釋為一IGBT，並以例如表面安裝(Surface-mount technology，SMT)的方式焊接固定於散熱陶瓷塊13上方的接墊處，且經由金屬引線，將IGBT的各電極導接至對應的接墊。由於IGBT具有高效率以及切換速度快等優點，常應用於作功量較大的電子設備，如：冷氣機、電冰箱、音響、以及馬達驅動器等，因此前述電子設備運作時，IGBT將產生大量的熱能，該熱能會直接穿經氧化鋁(Al2O3)的散熱陶瓷塊13，向下傳導至高導熱層19，而被導離散熱陶瓷塊13的位置，前述熱能並將進一步藉由高導熱層19的大面積散熱，甚至可在遠端設置主動式的風扇和/或水冷系統(圖未示)等，達到增加散熱效率的效果。
當然，熟知本技術領域人士亦能輕易以直接貼附於前述高導熱層19的散熱鰭片(圖未示)替換，並且在傳遞的過程中，由於不屬於高功率的電路元件，主要被安裝在金屬電路層17對應於周圍印刷電路板的位置，受到印刷電路板熱傳導係數相對較低的保護，高功率元件9所發出的熱能將不會輕易影響周邊電路元件。也就是，散熱陶瓷塊13可以在縱向高速傳遞熱能，但不會將無謂的熱能大量轉傳至介電材料層11而干擾其運作。因此將高功率元件9安裝至本發明的內建縱向散熱陶瓷塊印刷電路板1後，共同構成的電路組件2將可達到所謂熱電分離的功效，所有本身不發高熱的元件，均被保持在一個較佳的低溫工作環境，並且保有印刷電路板所具有的複雜化及微型化優勢。
本發明一種內建縱向散熱陶瓷塊印刷電路板及具該電路板的電路組件的第二較佳實施例，如圖6所示，例釋為一種具有高功率元件的電路組件2’，該電路組件2’係裝設於路燈供作照明光源，其中電路組件2’中的高功率元件9’更例釋為一高功率LED，本例中與第一較佳實施例相同的部分於此處省略不予贅述。於本例，介電材料層11’為一種可撓性基材，大小約為100cm2，散熱陶瓷塊13’的大小則介於0.01cm2至25cm2。不過，如熟悉本技術領域人士所能輕易知悉，本實施例中的可撓性基板在大於散熱陶瓷塊的限制條件下，大小可於5cm2到3600cm2的範圍內簡單替換。
本例中散熱陶瓷塊13’是以氮化鋁(AlN)製作，當散熱陶瓷塊13’嵌入可撓性基材後，多個高功率LED分別被安裝至多個散熱陶瓷塊13’處，LED驅動電路則被設置於介電材料層11’的上述第一上板面111’上的位置。印刷電路板因為具有可撓性基材，可以配合環境現況安裝而富有彈
性，相對地，散熱陶瓷塊13’也可以配合具可撓性的介電材料層11’形狀設置。在本例中，非垂直於第二上板面131’和第二下板面133’且下寬上窄的外周緣135’非最小連結面，恰好對應於非垂直於第一上板面111’與第一下板面113’的貫穿孔(圖未示)的穿孔內緣117’的非最小連結面，達成協助嵌入的效果。
於介電材料層11’與散熱陶瓷塊13’之間的固定部15’在本例是一種導熱矽膠，其他如石墨、相變材料等導熱性高於介電材料層11’的材料製作的膠材，具習知技術者均可以依此輕易置換。藉固定部15’的導熱矽膠有輔助熱傳遞的效果，本例中再以前述導熱矽膠將一散熱鰭片8’黏著於高導熱層19’做為散熱設備。當然，高導熱層19’也可以再額外增加例如螺鎖的輔助，加強與介電材料層11’和散熱陶瓷塊13’的結合，使得結合面更不易產生空氣隙。而且在高導熱層19’處，還可以再設置例如導熱管或石墨烯製品等，以增加散熱效果。
由於本發明的電路組件2’，是將上下齊平的散熱陶瓷塊13’縱向嵌入介電材料層11’中，並且在上下兩板面分別形成一金屬電路層17’和一高導熱層19’，因高導熱層19’之導熱係數高於前述散熱陶瓷塊13’，讓散熱陶瓷塊13’處所設置的高功率元件9’所發熱能，主要藉由穿經散熱陶瓷塊13’，被高導熱層19’所攜出，相對地設置於介電材料層11’處的其他電路元件(圖未示)則不易受到高功率元件9’所發熱能的干擾，藉此達成熱電分離的功效。並且由於不需採用價格較高的整片陶瓷材料基板，在材質成本方面更為經濟；兩者結合簡單，讓製造便捷，並且可以被少量多樣生產而具有製造及使用彈性；當然，此處的散熱陶瓷塊並非侷限於柱狀或方塊狀，
即使散熱陶瓷塊的截面積是U形或其他形狀亦屬簡單變換，均無礙本案實施，同時在搭配但不限於是技術成熟的樹脂類印刷電路基板時，讓整體的電路設計不僅可以多層化，進而符合複雜化、微型化的需求，而且完全不需要採用半導體機台，讓產品成本大幅降低，有效達成本發明之上述目的。
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發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
1‧‧‧內建縱向散熱陶瓷塊印刷電路板
11‧‧‧介電材料層
13‧‧‧散熱陶瓷塊
15‧‧‧固定部
17‧‧‧金屬電路層
19‧‧‧高導熱層
2‧‧‧電路組件
9‧‧‧高功率元件
Claims (1)
- 一種內建縱向散熱陶瓷塊印刷電路板，包括：一介電材料層，包含一第一上板面和相反於前述第一上板面的一第一下板面，以及，該介電材料層上形成有至少一個貫穿前述第一上板面和第一下板面的貫穿孔；至少一個對應嵌入上述貫穿孔中的散熱陶瓷塊，包含一第二上板面與一第二下板面，前述散熱陶瓷塊導熱係數高於上述介電材料層；至少一個將上述散熱陶瓷塊嵌入固定於上述介電材料層的貫穿孔中的固定部，並使得前述第二上板面分別對應於上述第一上板面，以及前述第二下板面分別對應於上述第一下板面；一設置於上述第一上板面和上述第二上板面上的金屬電路層，供設置複數電路元件，其中前述電路元件中至少包括一個高功率元件，以及上述高功率元件係供設置於上述第二上板面上的金屬電路層處；以及一設置於上述第一下板面和上述第二下板面下方的高導熱層，其中該高導熱層的導熱係數高於上述散熱陶瓷塊；其中上述介電材料層的面積介於5cm2至3600cm2而上述散熱陶瓷塊面積介於0.01至25cm2。
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