專利名稱：具有散熱器的電路板及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種電路板(circuit board),特別涉及ー種具有散熱器(heat sink)的電路板。
背景技術：
多數的電子元件，其在運作過程中會產生熱。若未有良好的導熱、散熱機制，這些電子元件會隨著溫度上升降低自身的效率，甚至其使用壽命會縮短。以發光二極管(lightemitting diode, LED)為例，目前發光二極管的發光效率已經提升至301m/W以上，未來預期可提升至1201m/W以上。隨著發光效率的提升，也使發光二極管的散熱問題日趨嚴重。當發光二極管隨著電流增加，使芯片接面溫度(junctiontemperature,Tj)也隨之增高，當Tj過高，發光二極管輸出效率與壽命將會降低。現行以玻璃纖維制成的印刷電路板(printed circuit board)的基板 (substrate)，也就是所謂的FR4印刷電路板，其熱傳導系數約在0. 36W/mK。對發光二極管而言，FR4玻璃基板僅適用于低功率的發光二極管。對于例如高功率發光二極管等發熱功率高的電子元件，已有以熱傳導系數高的金屬(例如，鋁、銅)做為基板的電路板被采用，也就是所謂的金屬芯印刷電路板(metal-coreprintedcircuit board, MCPCB)。此類電路板因金屬基板本身為ー導體,金屬基板與導線層之間必須利用一絕緣體做絕緣，以避免導線層與金屬基板導通。然而，金屬芯印刷電路板多采用高分子材料作為絕緣層材料，高分子材料絕緣層熱傳導率僅0. 2 0. 5ff/mK并且有耐熱方面的問題。因此，原本熱傳導率極佳的金屬基金板，在加入高分子材料絕緣層后，形成熱阻，大幅的降低電路板整體的熱傳導效率，導致金屬芯印刷電路板的熱傳導率僅有IW/mK 2. 2W/mK。以氮化鋁、氧化鋁等兼具高熱傳導與絕緣性佳的陶瓷材料為基板，其上被覆導線層的電路板被采用。以陶瓷基板做的電路板，目前較常見的種類區分為HTCC(高溫共燒多層陶瓷基板)、LTCC (低溫共燒多層陶瓷基板)、DBC (直接鍵結銅陶瓷基板)、DPC (直接覆銅陶瓷基板)等四種，依不同制程熱傳導系數在2W/mK 220W/mK之間。但是，以陶瓷基板做的電路板其制造成本仍過尚。對電路板先前技術的了解，即可看出當下仍需要有一種新的電路板結構，以滿足電路板關于散熱效果佳、制造成本低廉等要求。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對現有技術的不足，提供ー種散熱效果佳、制造成本低廉的具有散熱器的電路板及其制造方法。為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案一種電路板，供承載電子元件，該電路板包含一基板、一導線層(lead layer)以及一陶瓷層(ceramic layer)，導線層形成在基板的上表面上，并且包含對應ー電子元件的兩接點(contact point);陶瓷層形成在基板的上表面上，且形成在兩接點之間，陶瓷層即為電子元件的散熱器。作為對上述技術方案的進ー步改進電子元件包含ー裸晶(die)，并且陶瓷層的寬度大于或等于裸晶的寬度。陶瓷層的厚度約等于導線層的厚度。陶瓷層可以由氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)、碳化硅(SiC)、氧化硅(SiO2)、氧化鈹(BeO)、氮化硅(Si3N4)或其它兼具高熱傳導與絕緣性佳的陶瓷材料形成。進一歩，陶瓷層還可以為ー帶狀陶瓷層，并且帯狀陶瓷層延伸至基板的側邊以及下表面上。一種制造電路板的方法，首先，制備一基板；接著，在基板的上表面上形成ー導線 層，導線層包含對應ー電子元件的兩接點；最后，在基板的上表面上且在兩接點之間，形成一陶瓷層，陶瓷層即做為電子元件的散熱器。進一歩，陶瓷層的形成步驟是先在基板的上表面上且在兩接點之間，形成一材料層。材料層可以由鋁(Al)、硅(Si)或鈹(Be)等所形成。接著，將材料層曝露于高溫氧氣或水蒸氣下進行氧化，進而轉變為陶瓷層。進一歩，陶瓷層還可以通過有機金屬化學氣相沉積制程(MOCVD)、射頻交流濺鍍制程(RFsputtering)、分子束磊晶制程(MBE)、脈沖雷射蒸鍍制程(PLD)或原子層沉積制程(atomiclayer deposition, ALD)等制程形成。與現有技術相比，本發明的優點在干本發明的電路板兼具散熱效果佳、制造成本低廉等優點。本發明的制造電路板的方法具有成本相當低廉的優點。


圖I是本發明電路板的ー較佳具體實施例的結構示意圖。圖2是圖I中的A-A剖面視圖。圖3是本發明電路板的另ー較佳具體實施例的結構示意圖。圖4是圖3中的B-B剖面視圖。圖5是用本發明方法制備如圖2所示電路板的第一示意圖。圖6是用本發明方法制備如圖2所示電路板的第二示意圖。圖7是用本發明方法制備如圖2所示電路板的第三示意圖。圖例說明I、電路板；10、基板;102、上表面;104、下表面;106、側邊;12、導線層;122、第一接點；124、第二接點；14、陶瓷層；16、材料層；2、電子元件；20、裸晶；22、封裝基板；wl、陶瓷層的覽度；w2、裸晶的覽度。
具體實施例方式本發明提供ー種具有散熱器的電路板。尤其是，不同于以往的先前技術，本發明的具有散熱器的電路板的散熱效果佳、制造成本低廉。以下通過數個較佳具體實施例對本發明的特征、優點以及實施上的可行性做進ー步的詳細說明。
如圖I及圖2所示，本發明的ー較佳具體實施例的電路板1，包含一基板10、ー導線層12以及ー陶瓷層14。導線層12形成在基板10的上表面102上，并且包含對應ー電子元件2的兩個接點，即第一接點122和第二接點124。與典型的電路板相同，電路板I上的導線層12是供多個電子元件2接合。為說明方便，圖I僅示出一個電子元件2，但圖I中的導線層12示出4組相對應的第一接點122與第二接點124，以表示供多個電子元件2接
ム
ロ o 于實際應用中，基板10可以是FR4玻璃基板，導線層12可以是銅箔層。本實施例中，陶瓷層14形成在基板10的上表面102上，并且形成在相對應的第一接點122與第二接點124之間。陶瓷層14即做為針對電子元件2的散熱器。 本實施例中，如圖I所示，電子元件2包含ー裸晶20以及一封裝基板22，裸晶20接合于封裝基板22上。并且，陶瓷層14的寬度wl大于或等于裸晶20的寬度《2。也就是說，做為散熱器的陶瓷層14其寬度wl只要寬到讓陶瓷層14涵蓋裸晶20，即可達到明顯的散熱效果。陶瓷層14其寬度wl至多僅等于相對應的第一接點122與第二接點124之間的間距。于實際應用中，電子元件2可以是表面黏著型(SMT)或是插件型(DIP)的電子元件，但并不以此為限。本實施例中，陶瓷層14的厚度約等于導線層12的厚度。也就是說，陶瓷層14的厚度讓電子元件2焊接在基板10上時電子元件2的底部能緊貼陶瓷層14為優選。一般導線層12的厚度約在35 ii m 175 ii m,因此，于實際應用中，陶瓷層14的厚度也約在35 y m 175 u m0本實施例中，陶瓷層14可以由氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)、碳化硅(SiC)、氧化硅(SiO2)、氧化鈹(BeO)、氮化硅(Si3N4)或其它兼具高熱傳導與絕緣性佳的陶瓷材料形成。請參閱圖3及圖4，圖3及圖4所示出的電路板I的結構大致上與圖I及圖2所示出的電路板I相同。圖3及圖4中具有與圖I及圖2相同號碼標記的元件,有相同或類似的結構以及功能。下文僅對圖3及圖4所示出的電路板I與圖I及圖2所示出的電路板I不同處進行說明。本發明的另ー較佳具體實施例的電路板1，其陶瓷層14為ー帶狀陶瓷層14，并且帯狀陶瓷層14擴及至基板10的側邊106以及下表面104上，以利做為散熱器的陶瓷層14蓄積熱量的能力提升。本發明制造電路板的方法，其具體步驟如下如圖5所不，首先,制備一基板10。基板10具有一上表面102以及ー下表面104。接著，如圖6所示，在基板10的上表面102上，形成一導線層12，例如，銅箔層。導線層12包含對應如圖I所示的電子元件2的兩個接點，第一接點122和第二接點124。最后，在基板10的上表面102上且在相對應的第一接點122和第二接點124之間，形成一陶瓷層14。陶瓷層14即做為針對如圖I所示的電子元件2的散熱器。如圖7所示，本實施例中，陶瓷層14的形成方法為先在基板10的上表面102上且在第一接點122和第二接點124之間，形成一材料層16。材料層16可以由鋁(Al)、硅(Si)或鈹(Be)等所形成，并可以通過電鍍制程、無電鍍制程或蒸鍍制程等制程形成在基板10的上表面102上。接著，將材料層16曝露于高溫氧氣或水蒸氣下進行氧化，進而轉變為陶瓷層14。在材料層16進行氧化過程中，基板10的其余部分需被遮蔽，以免被氧化。顯見地，與以陶瓷基板做的電路板的先前技術相比較，本發明的制造具有散熱器的電路板的方法成本相當低廉。此外，于其它具體實施例中，陶瓷層14也可以通過有機金屬化學氣相沉積制程(MOCVD)、射頻交流濺鍍制程(RF sputtering)、分子束磊晶制程(MBE)、脈沖雷射蒸鍍制程(PLD)或原子層沉積制程(atomic layer deposition, ALD)等制程形成在基板10的上表面102上且在第一接點122和第二接點124之間。上述制程皆是己商用化的制程，且僅局部形成陶瓷層，所以與以陶瓷基板做的電路板的先前技術相比較，本發明的制造具有散熱器的電路板的方法成本相當低廉。利用發光二極管作為電子元件，并采用本發明的具有散熱器的電路板進行熱模擬分析。發光二極管的相關參數請參閱表I。本發明的基板為60mmX60mmX I. 5mm的FR4基板(含30%玻璃纖維)(熱傳導系數lW/mK)。將16顆發光二極管以陣列方式排列于基板 之上，并通入0.5W的電流，總通入功率為8W。由銅形成的導線層厚度0.070mm。做為散熱器的陶瓷層的長度為62mm、寬度為7mm以及厚度為0. 070mm。于此熱模擬分析案例中，使用熱模擬分析軟件FL0THERM進行散熱的測試，取(a) 16顆發光二極管內部溫度、(b)發光二極管與散熱器之間接面、(C)散熱器與基板之間接面進行分析，并以不使用散熱器、使用FR4材料形成散熱器、使用氧化鋁形成散熱器、使用氮化鋁形成散熱器、使用銅形成散熱器等情況進行熱模擬分析。表I
封裝基板
長度7.4mm
寬度11. I mm
高度0.035mm
裸晶
長度2. 8mm~——--
覽度3. 2mm
厚度(上層)0.95mm
厚度(下層)0.95mm
上層熱阻(Resistance)I X 10loK/W(熱無法穿透)
下層熱阻(Resistance)11K/W
熱傳導系數(Conductivity)395 ff/mK針對不使用散熱器的情況進行熱模擬分析，由模擬結果得知模擬系統溫度主要集中于發光二極管的核心位置，最高平均溫度接近94. 90°C，而熱量主要由銅導線層散熱為主。而原設定散熱器與基板之間接面位置溫度為79. 61°C，相對熱阻約為0. 9560C /W，總熱阻(Rt)為 4. 369°C /W。針對使用FR4散熱器的情況進行熱模擬分析，由模擬結果得知模擬系統溫度主要集中于發光二極管的核心位置，最高平均溫度接近91. 27°C，而熱量主要由銅線散熱為主，惟底部也具有少量的散熱效果。而散熱器與基板之間接面溫度為68. 55°C，相對熱阻約為I. 4200C /W，總熱阻(Rt)為 4. 1420C /W。針對使用氧化鋁散熱器的情況進行熱模擬分析，由模擬結果得知模擬系統溫度主要集中于發光二極管的核心位置，最高平均溫度接近57. 85°C，而熱量主要由散熱器及銅線散熱為主。而散熱器與基板之間接面溫度為57. 1TC，相對熱阻約為0.046°C /W，總熱阻(Rt)為 2. 0530C /W。針對使用氮化鋁散熱器的情況進行熱模擬分析時，由模擬結果得知模擬系統溫度主要集中于發光二極管的核心位置，最高平均溫度接近57. 00°C ，而熱量主要由散熱器及銅線散熱為主。而散熱器與基板之間接面溫度為56. 68°C，相對熱阻約為0. 0200C /W，總熱阻(Rt)為 2. OOO0C /W。針對使用銅散熱器的情況進行熱模擬分析時，由模擬結果得知模擬系統溫度主要集中于發光二極管的核心位置，最高平均溫度接近56. 90°C，而熱量主要由散熱器及銅線散熱為主。而散熱器與基板之間接面溫度為56. 61°C，相對熱阻約為0. OlS0C /W，總熱阻(Rt)為 I. 9940C /W。比較不使用散熱器、FR4散熱器、氧化鋁散熱器、氮化鋁散熱器、銅散熱器的熱模擬分析結果，最高平均溫度分別為94. 90°C、91. 27°C>57. 85°C>57. 00°C>56. 90°C。熱模擬分析結果足以證明氧化鋁散熱器、氮化鋁散熱器以及銅散熱器都可以有效地對電子元件進行散熱。但考慮到不能讓導線層造成短路，所以選用陶瓷層做為散熱器為最佳。通過以上的詳細說明，可以清楚地了解本發明的具有散熱器的電路板，不同于以往的先前技術，本發明兼具散熱效果佳、制造成本低廉等優點。以上所述僅是本發明的優選實施方式，本發明的保護范圍并不僅局限于上述實施例，凡屬于本發明思路下的技術方案均屬于本發明的保護范圍。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理前提下的若干改進和潤飾，均應視為本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種電路板，供承載電子元件，其特征在于，所述電路板包含 一基板，所述基板具有一上表面； 一導線層，所述導線層形成在所述上表面上，且包含對應所述電子元件的兩接點；以及ー陶瓷層，所述陶瓷層形成在所述上表面上，且形成在所述兩接點之間，所述陶瓷層做為所述電子元件的ー散熱器。
2.根據權利要求I所述的電路板，其特征在于，所述電子元件包含ー裸晶，并且所述陶瓷層的寬度大于或等于所述裸晶的寬度。
3.根據權利要求2所述的電路板，其特征在于，所述陶瓷層的厚度等于所述導線層的厚度。
4.根據權利要求2所述的電路板，其特征在于，所述陶瓷層為一帯狀陶瓷層，并且所述帯狀陶瓷層延伸至所述基板的側邊以及下表面上。
5.根據權利要求2所述的電路板，其特征在于，所述陶瓷層是由氧化鋁、氮化鋁、碳化硅、氧化硅、氧化鈹以及氮化硅中的任ー種所形成。
6.一種制造電路板的方法，其特征在于，包含下列步驟 制備一基板； 在所述基板的上表面上，形成一導線層，聽述導線層包含對應ー電子元件的兩接點；以及在所述基板的所述上表面上且在所述兩接點之間，形成一陶瓷層，所述陶瓷層做為所述電子元件的ー散熱器。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述電子元件包含ー裸晶，所述陶瓷層的寬度大于或等于所述裸晶的寬度。
8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，所述陶瓷層的厚度等于所述導線層的厚度。
9.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，所述陶瓷層的形成包含下列步驟 在所述基板的所述上表面上且在所述兩接點之間，形成一材料層，所述材料層是由鋁、硅以及鈹中的任ー種所形成； 以及將所述材料層曝露于高溫氧氣或水蒸氣下進行氧化，進而轉變為所述陶瓷層。
10.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，所述陶瓷層是由氧化鋁、氮化鋁、碳化硅、氧化硅、氧化鈹以及氮化硅中的任ー種所形成，并且所述陶瓷層是由有機金屬化學氣相沉積制程、射頻交流濺鍍制程、分子束磊晶制程、脈沖雷射蒸鍍制程以及原子層沉積制程中的任一制程所形成。
全文摘要
本發明提供一種具有散熱器的電路板及其制造方法。該電路板包含一基板、一導線層以及一陶瓷層，導線層形成在基板的上表面上，且包含對應一電子元件的兩接點，陶瓷層形成在基板的上表面上，并形成在兩接點之間。陶瓷層即做為針對電子元件的散熱器。該制造方法為先制備一基板；再在基板的上表面上形成一導線層，導線層包含對應一電子元件的兩接點；最后在基板的上表面上且在兩接點之間，形成一陶瓷層。本發明具有散熱效果佳、制造成本低廉等優點。
文檔編號H01L33/64GK102811550SQ20121000923
公開日2012年12月5日 申請日期2012年1月13日 優先權日2011年6月2日
發明者李金連 申請人:李金連