散熱基板、功率模塊及制備散熱基板的方法
【專利摘要】本發明涉及一種散熱基板、功率模塊及制備散熱基板的方法，該散熱基板包括其上形成有至少一個凹陷區域的金屬本體，該凹陷區域內設置有陶瓷絕緣體，且導電圖案僅僅形成在該陶瓷絕緣體的外表面。本發明的散熱基板不僅在其厚度方向上和水平方向上均具有很好的散熱性能，而且具有不易碎裂的優點。在本發明所提供的散熱基板制備方法中，首先在陶瓷絕緣體的至少兩相對表面形成金屬層，然后采用電鍍工藝在該金屬層和金屬本體之間填充連接材料，從而實現陶瓷絕緣體和金屬本體之間的固定連接。
【專利說明】
散熱基板、功率模塊及制備散熱基板的方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種散熱基板、包括該散熱基板的功率模塊及制備散熱基板的方法。
【背景技術】
[0002]諸如LED器件、晶閘管、GT0(門極可關斷晶閘管)、GTR(電力晶體管)、M0SFET(電力場效應晶體管)、IGBT(絕緣柵雙極晶體管)和電力二極管等的各種功率器件在工作過程中會釋放大量熱量，為此，通常需要將其附接到具有良好散熱性能的散熱基板上。目前，廣泛地使用金屬基板和陶瓷基板作為功率器件的散熱基板。
[0003]然而，陶瓷基板存在易碎的不足，金屬基板也存在進一步提升其散熱性能的需要。例如，中國專利申請CN201110139948.1公開了一種帶有金屬微散熱器的印刷電路板(金屬基板的一種)，其包括一常規印刷電路板(例如FR4印刷電路板)和設置于該常規印刷電路板底面的金屬底層，該金屬底層與常規印刷電路板接觸的一面設有一個或多個與金屬底層連為一體的金屬微散熱器，該一個或多個金屬微散熱器突出于金屬底層表面并對應嵌入貫穿常規印刷電路板的一個或多個柱形通孔內。在該技術方案中，金屬微散熱器貫穿常規印刷電路板而在印刷電路板的厚度方向上形成散熱通道，使得該印刷電路板在其厚度方向上具有很好的熱傳導能力。但是，由于FR4材料導熱能力的限制，該印刷電路板在其平面方向上的導熱率僅為大約0.4-2.2W/m.K，從而在一定程度上削弱了該印刷電路板的整體散熱能力。
【發明內容】
[0004]針對現有技術的不足，本發明的第一方面提供了一種散熱基板，其包括金屬本體，該金屬本體上形成有至少一個凹陷區域，該凹陷區域內設置有陶瓷絕緣體。其中，導電圖案僅僅形成在該陶瓷絕緣體的外表面。
[0005]本發明中，金屬本體可以采用銅、鋁或鋁合金等各種金屬，陶瓷絕緣體可以采用氧化鋁陶瓷、氮化鋁陶瓷或碳化硅陶瓷等各種陶瓷。
[0006]本發明散熱基板的優點在于:一方面，由于導電圖案僅僅形成在陶瓷絕緣體的外表面，因而在本發明中不需要如現有技術一樣在導電圖案和金屬本體之間設置有機材質絕緣層(例如FR4和/或PP等)，使得散熱基板在其平面方向上同樣具有很好的熱傳導能力，進一步提升了散熱基板的整體散熱性能;另一方面，由于陶瓷絕緣體設置在凹陷區域內，因而金屬本體可以對陶瓷絕緣體起到保護作用，從而解決了現有技術中陶瓷基板易碎的問題。
[0007]上述技術方案中，用于與功率器件的散熱面(例如LED燈珠的熱沉)進行熱連接的功率器件熱連接位可以僅僅形成在陶瓷絕緣體的外表面或金屬本體具有凹陷區域的表面上，也可以同時形成在陶瓷絕緣體的外表面和金屬本體具有凹陷區域的表面上。
[0008]需要說明的是，本發明中，導電圖案不僅能夠實現導電功能，而且還可以同時起到導熱作用，而功率器件熱連接位僅用于實現導熱。顯而易見，本發明中，散熱基板可以不包括功率器件熱連接位。
[0009]優選地，功率器件熱連接位的一部分或者全部形成在金屬本體具有凹陷區域的表面。這樣的好處在于增大陶瓷絕緣體外表面中可以用于設置導電圖案的面積或者使得整個陶瓷絕緣體的外表面均可以作為導電圖案的載體，從而不僅可以更方便地進行導電圖案的設計，而且能夠促進散熱基板的小型化。
[0010]根據本發明的另一優選實施方式，導電圖案和功率器件熱連接位的表面基本上平齊，以降低散熱基板的制作難度。另外，當功率器件的散熱面和電極位于同一側時，通常采用焊接的方式將功率器件焊接在散熱基板上，此時控制導電圖案和功率器件熱連接位的表面基本上平齊，還能夠有效降低焊接缺陷。
[0011]本發明的另一方面提供了一種功率模塊，其包括散熱基板和設置在該散熱基板上的功率器件，其中，該散熱基板包括金屬本體，該金屬本體上形成有至少一個凹陷區域，該凹陷區域內設置有陶瓷絕緣體，并且導電圖案僅僅形成在陶瓷絕緣體的外表面。
[0012]上述功率模塊中，由于導電圖案僅僅形成在陶瓷絕緣體的外表面，且陶瓷絕緣體設置在凹陷區域內，因而散熱基板不僅在其的厚度方向上和水平方向上均具有很好的散熱性能，而且具有不易碎裂等良好機械性能，從而使得功率模塊的工作性能和機械性能得到顯著提升。
[0013]作為一種【具體實施方式】，金屬本體在其具有凹陷區域的表面形成有功率器件熱連接位，功率器件與功率器件熱連接位導熱連接并與導電圖案電連接。其中，該功率器件熱連接位可以是部分或者全部形成在金屬本體具有凹陷區域的表面。
[0014]根據本發明的一種優選實施方式，在上述技術方案中，導電圖案和功率器件熱連接位的表面基本上平齊。
[0015]本發明的再一方面提供了一種制備散熱基板的方法，包括以下步驟:
[0016]提供金屬本體，該金屬本體限定有至少一個凹陷區域；
[0017]提供陶瓷絕緣體，該陶瓷絕緣體至少在其兩相對表面形成有金屬層；
[0018]將陶瓷絕緣體以金屬層朝外的方式放置在凹陷區域內；
[0019]通過電鍍工藝而在金屬本體和金屬層之間形成連接材料，以使得金屬本體和陶瓷絕緣體之間形成固定連接；
[0020]在陶瓷絕緣體的外表面形成導電圖案。
[0021]上述技術方案中，凹陷區域可以在制備金屬本體的同時形成(例如在模制金屬本體的同時形成該凹陷區域)，也可以通過對金屬本體進行機械加工或者化學腐蝕而制備得到。
[0022]上述技術方案中，金屬層可以是單一金屬層或者是包括多個金屬子層的復合金屬層;并且，金屬層還可以形成在位于陶瓷絕緣體兩相對表面之間的側面上，或者進一步包覆陶瓷絕緣體的整個表面。作為一種可選擇的實施方式，可以通過如下步驟在陶瓷絕緣體的表面形成金屬層:首先采用PVD工藝在陶瓷絕緣體的表面沉積適當厚度的鈦層，而后在該鈦層上采用PVD工藝和/或電鍍工藝進一步形成銅層。
[0023]上述技術方案中，可以通過對形成在陶瓷絕緣體外表面的金屬層進行圖形化蝕刻而得到導電圖案，該導電圖案可以包括與功率器件電連接的正極焊盤和負極焊盤。
[0024]雖然也可以采用焊接工藝而實現帶有金屬層的陶瓷絕緣體和金屬本體之間的固定連接，但與采用焊接工藝相比，本發明方法中采用電鍍工藝具有如下的突出優點:首先，焊接容易在散熱基板中形成應力集中并導致散熱基板發生形變，而電鍍工藝不存在此問題;其次，在陶瓷絕緣體的體積較小時，通常難以實現或者根本上無法對其進行焊接，而電鍍工藝可以對任意體積大小的陶瓷絕緣體進行固定。另外，由于本發明的制備方法不存在現有技術的金屬基板制備方法中所采用的壓合步驟，因而不存在因壓合參數管控不當而導致的溢膠以及除膠困難等問題。
[0025]本發明的方法可以進一步包括如下步驟:在進行電鍍之后且在形成導電圖案之前，對位于凹陷區域一側的散熱基板表面進行研磨處理，以實現該表面的平整化。在對散熱基板進行電鍍的過程中，通常較難精確控制位于凹陷區域一側散熱基板表面的平整度。此時，研磨處理可以簡單高效地實現其散熱基板該側表面的平整化。
[0026]本發明的方法還可以進一步包括在金屬本體具有凹陷區域的表面形成功率器件熱連接位。其中，該功率器件熱連接位可以是部分或者全部形成在金屬本體具有凹陷區域的表面。通常，功率器件熱連接位的表面可以根據需要形成適當的功能性材料層，例如防銹蝕涂層/鍍層、提高表面可焊性和/或反射性的涂層/鍍層。舉例來說，當用作LED模塊的散熱基板時，可以在功率器件連接位的表面形成光線反射層，以提高LED模塊的出光效率。
[0027]在本發明的方法中，金屬本體優選具有至少一個電鍍通孔，該電鍍通孔與凹陷區域連通并貫穿金屬本體。其中，電鍍通孔可以通過機械鉆孔或者激光鉆孔的方式而形成。在該實施方式中，由于電鍍通孔的存在，電鍍溶液可以經由電鍍通孔進入凹陷區域的底部，使得位于陶瓷絕緣體底面的金屬層和金屬本體之間同樣形成固定連接，從而提高金屬本體和陶瓷絕緣體之間的連接強度。
[0028]本發明的方法中，還可以在凹陷區域的底面形成支撐結構，以使得當陶瓷絕緣體放置在凹陷區域內時，凹陷區域的底面和位于陶瓷絕緣體底面的金屬層之間相互分隔。這樣的好處在于，在對散熱基板進行電鍍時，電鍍溶液可以進入凹陷區域的底面和位于陶瓷絕緣體底面的金屬層之間的間隙，并在二者之間形成連接材料，以增大二者之間的連接強度，并降低二者之間的熱阻。
[0029]為了更清楚地闡述本發明的目的、技術方案及優點，下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明做進一步的詳細說明。
【附圖說明】
[0030]圖1是本發明一實施例中金屬本體的結構示意圖；
[0031]圖2A是本發明一實施例中陶瓷絕緣體的結構示意圖；
[0032]圖2B是在圖2A的陶瓷絕緣體表面形成鈦層后的結構示意圖；
[0033]圖2C是在圖2A的陶瓷絕緣體表面形成鈦層和銅層后的結構示意圖；
[0034]圖3是圖2C的陶瓷絕緣體放置在圖1的金屬本體中后的結構示意圖；
[0035]圖4是表示經整板電鍍和研磨處理所得散熱基板的結構示意圖；
[0036]圖5是表不在圖4的散熱基板上形成導電圖案后的結構不意圖；
[0037]圖6是作為本發明一功率模塊實施例的LED模塊的結構示意圖；
[0038]圖7是作為本發明另一功率模塊實施例的LED模塊的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0039]散熱基板實施例
[0040]圖1至5示出了作為本發明一實施例的散熱基板及其制備方法。如圖1所示，本實施例的制備方法包括提供一具有多個凹陷區域11和多個電鍍通孔12的板狀金屬本體10。其中，首先通過模制的方式形成具有多個凹陷區域11的板狀金屬本體10，然后采用機械鉆孔的方式在對應于每一個凹陷區域11的位置形成貫穿金屬本體10并與相應凹陷區域11連通的電鍍通孔12。雖然圖1所示的金屬本體10僅在其一個表面側形成有凹陷區域11，但在本發明未圖示的其他實施例中，凹陷區域也可以相互錯開地形成在金屬本體的兩相對表面側。[0041 ]另外，在本發明的其他實施例中，可以在凹陷區域的底面形成例如臺階部或者包括至少三個支撐凸起的支撐結構，以使得當陶瓷絕緣體放置在凹陷區域內時，凹陷區域的底面和位于陶瓷絕緣體底面的金屬層之間相互分隔。在部分實施例中，還可以使得支撐結構同時具有定位陶瓷絕緣體的功能。
[0042]如圖2A至2C所示，本實施例的制備方法還包括提供表面形成有金屬層的陶瓷絕緣體的步驟。該步驟依次包括:提供如圖2A所示的陶瓷絕緣體20;如圖2B所示，通過PVD工藝在陶瓷絕緣體20的整個表面沉積適當厚度的鈦層21;如圖2C所示，在鈦層21上形成銅層22。其中，首先通過PVD工藝在鈦層21上沉積適當厚度的底銅層，而后通過電鍍工藝在該底銅層上進一步形成加厚銅，以得到具有適當厚度的銅層22。當然，在本發明的其他實施例中，也可以無需形成適當厚度的銅層;另外，金屬層也可以僅僅形成在陶瓷絕緣體的兩相對表面上。
[0043]本實施例的制備方法進一步包括將陶瓷絕緣體20放置到金屬本體1的凹陷區域11中。如圖3所示，本實施例中，通過對陶瓷絕緣體20和凹陷區域11的尺寸進行控制，使得當陶瓷絕緣體20放置到凹陷區域11中時，位于陶瓷絕緣體20外表面的金屬層和金屬本體11的表面基本上平齊。
[0044]本實施例的方法進一步包括對如圖3所示的散熱基板進行電鍍(如電鍍銅)的步驟。參見圖4，該電鍍步驟在金屬本體10和陶瓷絕緣體20表面的金屬層之間填充連接材料31，從而使得金屬本體10和陶瓷絕緣體20之間形成固定連接。本發明中，電鍍溶液可以經由電鍍通孔12進入凹陷區域11的底部，使得位于陶瓷絕緣體20底面的金屬層和金屬本體10之間形成固定連接，從而提高金屬本體10和陶瓷絕緣體20之間的連接強度。另外，參見圖4，在電鍍步驟完成后，電鍍通孔12可以被電鍍所沉積的金屬材料33完全填充;并且，該電鍍步驟還在散熱基板具有凹陷區域11的表面沉積附加的金屬層32。在本發明的其他實施例中，金屬材料33可以部分填充電鍍通孔12，金屬層32可以形成在散熱基板的整個外表面。
[0045]通常，較難控制電鍍后散熱基板表面的平整度，因而本實施例的方法可以進一步包括對位于凹陷區域一側的散熱基板表面進行研磨的步驟，以實現該表面的平整化，從而得到如圖4所示的散熱基板。
[0046]本實施例的方法進一步包括對如圖4所示的散熱基板進行蝕刻的步驟。如圖5所示，在該步驟中對陶瓷絕緣體20外表面的金屬層進行圖形化蝕刻，從而得到包括正極焊盤和負極焊盤的導電圖案40，并形成與導電圖案40電絕緣的功率器件熱連接位41。其中，正極焊盤和負極焊盤可以分別形成在相同或者不同陶瓷絕緣體20的外表面;功率器件熱連接位41可由金屬本體10的表面延伸至陶瓷絕緣體20的表面，以進一步促進并保持金屬本體10和陶瓷絕緣體20之間的固定連接。
[0047]在本發明的其他實施例中，也可以不形成功率器件熱連接位，而利用正極焊盤和/或負極焊盤來同時實現功率器件和散熱基板之間的熱連接與電連接。例如對于倒裝型LED芯片的散熱基板來說，其就無需設置功率器件熱連接位。
[0048]功率模塊實施例
[0049]圖6示出了作為本發明一功率模塊實施例的LED模塊，其包括正裝型LED芯片50和如圖5所示的散熱基板。其中，LED芯片50設置在功率器件熱連接位上，且通過金線51與導電圖案40電連接。為簡便起見，圖6中僅示出了一個LED芯片50。另外，雖然本實施例中每一功率器件熱連接位上僅設置有一個LED芯片50，但本領域技術人員容易理解，在本發明的其他實施例中也可以在一個功率器件熱連接位上設置多個LED芯片。
[0050]圖7示出了作為本發明另一功率模塊實施例的LED模塊，其包括LED燈珠60以及如圖5所示的散熱基板，LED燈珠60包括正極61、負極62和位于二者之間的熱沉63。其中，熱沉63焊接至功率器件熱連接位，正極61和負極62分別焊接至位于功率器件熱連接位兩側的正極焊盤和負極焊盤。
[0051]雖然以上通過實施例描繪了本發明，但應當理解的是，本領域普通技術人員在不脫離本發明的發明范圍內，依照本發明所作的同等改進，應為本發明的發明范圍所涵蓋。
【主權項】
1.一種散熱基板，包括金屬本體，其中，所述金屬本體上形成有至少一個凹陷區域，所述凹陷區域內設置有陶瓷絕緣體，且導電圖案僅僅形成在所述陶瓷絕緣體的外表面。2.如權利要求1所述的散熱基板，其中，所述金屬本體在其具有凹陷區域的表面形成有功率器件熱連接位。3.如權利要求2所述的散熱基板，其中，所述導電圖案和所述功率器件熱連接位的表面基本上平齊。4.一種功率模塊，包括散熱基板和設置在所述散熱基板上的功率器件，其中，所述散熱基板包括金屬本體，該金屬本體上形成有至少一個凹陷區域，該凹陷區域內設置有陶瓷絕緣體，導電圖案僅僅形成在所述陶瓷絕緣體的外表面。5.如權利要求4所述的功率模塊，其中，所述金屬本體在其具有凹陷區域的表面形成有功率器件熱連接位，所述功率器件與所述功率器件熱連接位導熱連接并與所述導電圖案電連接。6.如權利要求5所述的功率模塊，其中，所述導電圖案和所述功率器件熱連接位的表面基本上平齊。7.一種制備散熱基板的方法，包括以下步驟: 提供金屬本體，所述金屬本體限定有至少一個凹陷區域； 提供陶瓷絕緣體，所述陶瓷絕緣體至少在其兩相對表面形成有金屬層； 將所述陶瓷絕緣體以所述金屬層朝外的方式放置在所述凹陷區域內； 通過電鍍工藝而在所述金屬本體和所述金屬層之間形成連接材料，以使得所述金屬本體和所述陶瓷絕緣體之間形成固定連接； 在所述陶瓷絕緣體的外表面形成導電圖案。8.如權利要求7所述的方法，其進一步包括如下步驟:在進行電鍍之后且在形成導電圖案之前，對位于所述凹陷區域一側的散熱基板表面進行研磨處理，以實現該表面的平整化。9.如權利要求7所述的方法，其進一步包括在所述金屬本體具有凹陷區域的表面形成功率器件熱連接位。10.如權利要求7所述的方法，其中，所述金屬本體具有至少一個電鍍通孔，該電鍍通孔與所述凹陷區域連通并貫穿所述金屬本體。
【文檔編號】H01L33/62GK105914283SQ201610240325
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月18日
【發明人】秦典成, 李保忠, 肖永龍, 林偉健
【申請人】樂健科技（珠海）有限公司