CN205082059U - 散热电路板 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种散热电路板，用以针对其表面设置的一个或多个电子元件进行散热。散热电路板为层迭结构，其包括第一金属层、金属基板、第一高分子导热绝缘层及导热柱状结构。第一金属层可制作图案作为该电子元件的导电线路。第一高分子导热绝缘层设置于该第一金属层和金属基板之间，且其热传导系数大于1W/m·K。导热柱状结构设置于该电子元件下方，且贯穿通过该第一高分子导热绝缘层，从而构成该电子元件的热传导通路。散热电路板根据ASTM？D5470规范所得的热阻值小于0.15℃/W。本实用新型结合具高导热功能的散热金属基板及导热柱状结构，形成纵向和横向的热传导通路，如此可大幅增进散热效果。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种电路板，特别涉及一种高导热的散热电路板，提供电子元件配置，使电子元件的热源(heatsource)可通过散热电路板迅速外扩传导。
背景技术
众所周知，LED发光具有反应时间快、体积小、功率消耗小、发光效率高、低污染、可靠度高、适用范围广、使用寿命长、适合量产等优点。但其亦有缺点有待克服，如因散热不良所导致的光衰、发光效率及LED晶体寿命的降低、散热模块的***格过高与加工不易等。
传统LED芯片封装，由于LED的功率高，且产生的热能也高，需要使用陶瓷基板(23～230W/m·K)作为LED封装载板使用，以使得LED产生的热能通过极好的载板热传导率，将芯片的热能传导至电路板与散热鳍片(Heatsink)等，如以下的说明：
参照图1，LED芯片10利用固晶胶11固设于基板12上，并以封装材料18包覆。该基板12可为前述的陶瓷基板(基板上的线路图未示)。该基板12利用焊锡13固定于由铝板15及绝缘层14构成的金属基印刷电路板(MetalCorePrintedCircuitBoard；MCPCB)。铝板15下方可设置散热垫片16将热传导至散热鳍片17。藉此结构设计，用以将LED芯片11产生的热沿箭头方向传导散热。
传统陶瓷基板虽然具有高的热传导率，但由于其机械强度较差，且须经过烧结工艺，造成其产品制作成本较高，且尺寸不易扩大。另由于其陶瓷基板厚度较厚(300μm)，虽具有高导热率，但其热阻抗的特性也因为厚度增加而增加。
绝缘层14的材料中通常采用导热填充物(例如氧化铝)做为导热媒介，以同时提供绝缘和导热的技术效果。然而氧化铝等导热填充物的导热率仍远小于金属材质，导致散热基板的散热效率无法大幅提升。
发明内容
为进一步提升散热电路基板的导热特性，本实用新型在散热电路板内设计横向和纵向的高导热通路，可大幅提升热传导(heatconduction)效果，同时解决整体散热电路板的散热效率不佳，与加速电子元件(热点)的散热效应。
根据本实用新型的一实施例，公开了一种散热电路板，用以针对其表面设置的一个或多个电子元件进行散热。散热电路板为层迭结构，其包括第一金属层、金属基板、第一高分子导热绝缘层及导热柱状结构。第一金属层可制作图案，作为该电子元件的导电线路。第一高分子导热绝缘层设置于该第一金属层和金属基板之间，且其热传导系数大于1W/m·K。导热柱状结构设置于该电子元件下方，且贯穿通过该第一高分子导热绝缘层，从而构成该电子元件的热传导通路。散热电路板根据ASTMD5470规范所得的热阻值小于0.15℃/W，或特别是小于0.1℃/W、0.08℃/W或0.06℃/W。
一实施例中，该导热柱状结构是包含电镀通孔结构、电镀填孔结构或其组合。
一实施例中，该导热柱状结构是金属材料结构或高分子导热材料结构。
一实施例中，该第一金属层和该电子元件间设有焊锡。
一实施例中，本实用新型的散热电路板另包含介于第一高分子导热绝缘层和金属基板之间的第二金属层和第二高分子导热绝缘层。
一实施例中，该第二高分子导热绝缘层设于该金属基板表面，第二金属层设于该第一和第二高分子导热绝缘层之间。
一实施例中，该导热柱状结构延伸穿过该第二金属层和第二高分子导热绝缘层。
一实施例中，该第二金属层和第二高分子导热绝缘层位于该第一金属层和第一高分子导热绝缘层相对于金属基板的另一侧，形成上下对称结构。
一实施例中，导热柱状结构另包含贯穿通过该第二高分子导热绝缘层的部分。
一实施例中，该导热柱状结构包含导热柱状电镀金属结构、导热柱状树脂填充导热材料结构、导热柱状树脂填充金属材料结构或导热柱状树脂填充碳系材料结构。
一实施例中，该电子元件是LED芯片，且其单位面积发光效率在200～500lm/cm2。
本实用新型结合具高导热功能的散热金属基板及导热柱状结构，形成纵向和横向的热传导通路。该导热柱状结构设置于该电子元件的下方或相对接近位置，且与电子元件的热集散金属相连接，可以增加热传导效果，从而将散热电路板的热阻值控制小于0.15℃/W。若应用于LED发光，可增进LED单位面积的发光效率达200～500lm/cm2，甚至300～600lm/cm2，从而提升LED发光模块的发光效率及延长其使用寿命。
附图说明
图1是现有的LED散热电路板应用示意图。
图2是本实用新型第一实施例的散热电路板应用示意图。
图3是本实用新型第二实施例的散热电路板应用示意图。
图4是本实用新型第三实施例的散热电路板应用示意图。
图5是本实用新型第四实施例的散热电路板应用示意图。
附图标记说明：
10LED芯片
11固晶胶
12基板
13焊锡
14绝缘层
15铝板
16散热垫片
17散热鳍片
18封装材料
20、30、40、50散热电路板
21第一金属层
22第一高分子导热绝缘层
23金属基板
24结合材料件
25电子元件
26焊锡
27焊垫
28热集散金属件
29、39、49导热柱状结构
31、51第二金属层
32、52第二高分子导热绝缘层
具体实施方式
为让本实用新型的上述和其他技术内容、特征和优点能更明显易懂，下文特举出相关实施例，并配合说明书附图，作详细说明如下。
图2是本实用新型第一实施例的散热电路板20的应用示意图，其表面搭载电子元件25。散热电路板20可针对设置于其表面或上方的电子元件25进行散热，从而提高电子元件25的散热效率，避免电子元件25过热失效或降低其使用寿命。本实施例中散热电路板20为层迭结构，由上而下依序包含第一金属层21、第一高分子导热绝缘层22以及金属基板23。详言之，第一高分子导热绝缘层22设置于金属基板23表面，且第一金属层21设置于第一高分子导热绝缘层22表面，亦即第一高分子导热绝缘层22迭设于第一金属层21和金属基板23之间。第一金属层21可利用蚀刻等方式制作图案，以作为电子元件25的导电线路。第一高分子导热绝缘层22的热传导系数大于1W/m·K，或特别大于2W/m·K、4W/m·K、8W/m·K。电子元件25可为例如形成覆晶(flip-chip)型式，其下方设有例如p型和n型的焊垫27，而第一金属层21于相对位置也形成相应焊垫，可通过结合材料26连接电子元件25的焊垫27并进行结合。除了构成线路的焊垫27通常位于电子元件25侧边，而电子元件25中央部分下方也可设置热集散金属件28作为热传导接口，但其通常不构成导电线路的一部分。热集散金属件28以结合材料件24结合于其下方的第一金属层21，该部分的第一金属层21大约位于该电子元件25的中央部分下方。第一高分子导热绝缘层22相对于电子元件25位置设置有导热柱状结构29，亦即导热柱状结构29设置于该电子元件25下方，且贯穿通过该第一高分子导热绝缘层22，并与金属基板23表面相接，从而构成连接该电子元件25的热传导通路。综言之，第一高分子导热绝缘层22是横向延伸，构成横向的热传导通路，而导热柱状结构29则沿纵向(垂直方向)延伸，构成纵向的热传导通路，如此纵向和横向的结合可达热传导效果的最佳化。整体而言，散热电路板20根据ASTMD5470规范所测得的热阻值可达小于0.15℃/W，或特别是小于0.1℃/W、0.08℃/W或0.06℃/W。
图3是本实用新型第二实施例的散热电路板的应用示意图。散热电路板30表面搭载如前述实施例的电子元件25，从而提供热传导路径进行散热。散热电路板30类似于前述散热电路板20，亦为层迭结构，但层数更多，依序包含第一金属层21、第一高分子导热绝缘层22、第二金属层31、第二高分子导热绝缘层32及金属基板23。类似地，电子元件25同样通过结合材料件24以及焊锡26连接散热电路板30。电子元件25下方设置导热柱状结构39，其贯穿通过该第一高分子导热绝缘层22，且与第二金属层31相连接，从而构成连接该电子元件25的热传导通路。本实施例中，除了第一和第二高分子导热绝缘层22和32提供横向热传导路径外，第二金属层31有更佳的热传导率，可进一步提升横向热传导效能。
图4是本实用新型第三实施例的散热电路板的应用示意图。散热电路板40表面搭载如前述实施例的电子元件25，从而提供热传导路径进行散热。散热电路板40类似于前述散热电路板30，亦为层迭结构，依序包含第一金属层21、第一高分子导热绝缘层22、第二金属层31、第二高分子导热绝缘层32及金属基板23。类似地，电子元件25同样通过结合材料件24以及焊锡26连接散热电路板40。电子元件25下方设置导热柱状结构49，其穿过该第一高分子导热绝缘层22、第二金属层31及第二高分子导热绝缘层32，并与金属基板23相连接，从而构成连接该电子元件25的热传导通路。相较于前述散热电路板30，本实施例的导热柱状结构49进一步贯穿第二金属层31及第二高分子导热绝缘层32，可进一步提升纵向的热传导效率。
图5是本实用新型第四实施例的散热电路板的应用示意图，其是双面电路板的结构设计。散热电路板50的上下表面搭载如前述实施例的二个电子元件25，从而提供热传导路径进行散热。散热电路板50类似于前述散热电路板20，亦为层迭结构，但层数较多，依序包含第一金属层21、第一高分子导热绝缘层22、金属基板23、第二高分子导热绝缘层52及第二金属层51。该第二金属层51和第二高分子导热绝缘层52位于该第一金属层21和第一高分子导热绝缘层22相对于金属基板23的另一侧，形成上下对称结构。类似地，电子元件25同样通过结合材料件24以及焊锡26连接散热电路板50。上下的二个电子元件25相应处设置导热柱状结构29，其分别穿过第一高分子导热绝缘层22及第二高分子导热绝缘层52，并与金属基板23相连接，从而构成连接该电子元件25的热传导通路。
第一金属层21及第二金属层31和51可包含镍、铜、铝、铅、锡、银、金或其合金的箔片、镀镍铜箔、镀锡铜箔或镀镍不锈钢等导热率大于50W/m·K的材料，尤以导热率大于200W/m·K或300W/m·K的材料具有更佳的热传导效率，而为本实用新型的较佳选择。第一和第二高分子导热绝缘层22、32和52可以选用聚鼎公司所生产的TCP-2、TCP-4、TCP-8、TCP-12、TCP-C的散热胶，或者为Laird所生产型号为1KA04、1KA06、1KA08、1KA10、1KA12的散热胶，或者为NRK所生产型号为NRA-8、NRA-E-3、NRA-E-6、NRA-E-12的散热胶，或者为Bergquist所生产型号为TCP-1000、MP-06503、LTI-06005、HT-04503、TH-07006的散热胶，或者为远硕所生产型号为HTCA-60、HTCA-120的散热胶，或者为永复兴所生产型号为ERNE-800H的散热胶。第一和第二高分子导热绝缘层22、32和52的热传导系数大于1W/m·K，或特别大于2W/m·K、4W/m·K、8W/m·K，特别是可采用8～12W/m·K，或为9～11W/m·K等高导热成分。一实施例中，第一和第二高分子导热绝缘层22、32和52的厚度小于等于150μm，特别是小于等于100μm、90μm、80μm、70μm或60μm。
进一步言之，导热柱状结构29、39、49形成热传导通路，以提升传统散热金属基板的散热效率。导热柱状结构29、39、49的放置区域在电子零件的下方，与电子元件25形成有效的热传导通路。该导热柱状结构29、39、49可包含电镀通孔结构、电镀填孔结构或其组合，亦或是高分子导热材料结构。导热柱状结构29、39、49使用的材料可以为电镀金属、树脂填充导热材料、树脂填充金属材料或树脂填充碳系(碳黑、石墨、石墨烯、纳米碳管等)材料，亦即导热柱状结构29、39、49可为导热柱状电镀金属结构、导热柱状树脂填充导热材料结构、导热柱状树脂填充金属材料结构或导热柱状树脂填充碳是材料结构。
一实施例中，结合材料件24可为金属焊锡或树脂与导热材料的混合物。
一实施例中，电子元件25是LED芯片。经测试，本实用新型的散热电路板若使用不同直径大小的导热柱状结构29、39、49，其LED芯片可产生的流明值上限，与单位面积流明值大致可有以下如表1的关系。实际应用上，使用本实用新型的散热电路板，可提供LED芯片约200～500lm/cm2的发光效率，或300～600lm/cm2。
[表1]
本实用新型结合具高导热功能的散热金属基板及导热柱状结构，形成纵向和横向的热传导通路，如此可大幅增进散热效果。整体而言，可将散热电路板的热阻值控制小于0.15℃/W。若应用于LED发光，可增进LED单位面积的发光效率达200～500lm/cm2，或300～600lm/cm2。
本实用新型的技术内容及技术特点已公开如上，然而本领域具有通常知识的技术人士仍可能基于本实用新型的教示及公开而作种种不背离本实用新型精神的替换及修饰。因此，本实用新型的保护范围应不限于实施例所公开者，而应包括各种不背离本实用新型的替换及修饰，并为以下的权利要求所涵盖。
Claims (12)
1.一种散热电路板，用以针对其表面设置的电子元件进行散热，其特征在于，包括：
第一金属层，提供该电子元件的导电线路；
金属基板；
第一高分子导热绝缘层，设置于该第一金属层和金属基板之间，且其热传导系数大于1W/m·K；以及
导热柱状结构，设置于该电子元件下方，贯穿通过该第一高分子导热绝缘层，从而构成该电子元件的热传导通路；
其中该散热电路板根据ASTMD5470规范所得的热阻值小于0.15℃/W。
2.根据权利要求1所述的散热电路板，其中该导热柱状结构是包含电镀通孔结构、电镀填孔结构或其组合。
3.根据权利要求1所述的散热电路板，其中该导热柱状结构是高分子导热材料结构。
4.根据权利要求1所述的散热电路板，其中该第一金属层和该电子元件间设有焊锡。
5.根据权利要求1所述的散热电路板，其另包含设于该第一高分子导热绝缘层和金属基板间的第二金属层和第二高分子导热绝缘层。
6.根据权利要求5所述的散热电路板，其中该第二高分子导热绝缘层设于该金属基板表面，该第二金属层设于该第一高分子导热绝缘层和第二高分子导热绝缘层之间。
7.根据权利要求6所述的散热电路板，其中该导热柱状结构延伸穿过该第二金属层和第二高分子导热绝缘层。
8.根据权利要求1所述的散热电路板，其另包含第二金属层和第二高分子导热绝缘层，该第二金属层和第二高分子导热绝缘层位于该第一金属层和第一高分子导热绝缘层相对于金属基板的另一侧，形成上下电路结构。
9.根据权利要求8所述的散热电路板，其中该导热柱状结构另包含贯穿通过该第二高分子导热绝缘层的部分。
10.根据权利要求1所述的散热电路板，其中该导热柱状结构与金属基板表面相连接。
11.根据权利要求1所述的散热电路板，其中该导热柱状结构包含导热柱状电镀金属结构、导热柱状树脂填充导热材料结构、导热柱状树脂填充金属材料结构或导热柱状树脂填充碳系材料结构。
12.根据权利要求1所述的散热电路板，其中该电子元件是LED芯片，且其单位面积发光效率在200～500lm/cm2。
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