TWI755985B - 導熱基板 - Google Patents

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Abstract

一種導熱基板包括一金屬底板、一金屬層、一導熱絕緣高分子層及一陶瓷材料層。該導熱絕緣高分子層位於該金屬層與該金屬底板之間。該陶瓷材料層包括一上陶瓷層或一下陶瓷層，或同時包括該上陶瓷層和該下陶瓷層。該上陶瓷層設置於該金屬層與該導熱絕緣高分子層之間，該下陶瓷層設置於該導熱絕緣高分子層與該金屬底板之間。

Description

導熱基板
本發明關於一種導熱基板，特別是具有抑制高溫下體積電阻率驟降和可使用在厚銅應用中的導熱基板。
一般電路板的製作方式是將諸如IC晶片的電子元件結合至散熱基板，其中電子元件所產生並在其上累積的熱可藉由散熱基板向外界導出。常用的散熱基板包括有金屬基印刷電路板(Metal Core PCB；MCPCB)和直接覆銅(Directed Bonded Copper；DBC)陶瓷基板。
雖然DBC陶瓷基板具有耐高溫的優點，但陶瓷價格昂貴，加上材質堅硬易碎，在散熱基板製作過程中，DBC陶瓷基板難以進行鑽孔和切割等機械加工處理。再者，由於銅箔與陶瓷層之間的熱膨脹係數差異大，在0.3mm~10mm的厚銅應用中，高溫下的銅箔與陶瓷層之間特別容易發生剝離分層問題。
MCPCB是使用高分子聚合物作為導熱絕緣層的主體材料，導熱絕緣層中另混合有導熱填料。導熱絕緣層的上和下表面各設置一金屬箔，而形成具有層疊結構的散熱基板。高分子聚合物比陶瓷材料便宜許多。另外，由於高分子聚合物的固有材料性質，散熱基板製作過程中易於進行機械加工，並且導熱絕緣層與金屬箔之間也有更佳的密著性。所以，在散熱基板產品市場中，MCPCB佔有舉足輕重地位。
然而，當MCPCB通電後，電子元件會逐漸產生熱，使得散熱基板溫度高達100ºC~250ºC，導熱絕緣層兩側的金屬箔之間也會形成電場。在一般狀況下，高分子聚合物為電絕緣體；但若在外加電場影響下，高分子聚合物會因電場的極化效應而在其上產生電偶極，即所謂的電偏極化，因此高分子聚合物會因高分子鏈上之極性基開始做定向排列，此定向排列使高分子聚合物產生微小的導電能力。低溫下的電偶極矩轉向跟不上電場的變化，導電性能不大；然而，隨著溫度上升，高分子聚合物在高溫下容易運動，電偶極矩可以跟著電場變化轉向，因此高分子聚合物的導電性能上升或電絕緣性能下降。這些因素導致導熱絕緣層在高溫下的體積電阻率相較於室溫下的體積電阻率會大幅下降，例如175ºC高溫的體積電阻率與25ºC室溫的體積電阻率之間比值至少小於10 -6。
此外，MCPCB一向具有金屬離子(例如銅離子)遷移的問題。所謂離子遷移是指電路板上的金屬如銅、銀等在高溫高濕條件下發生離子化並在電場作用下通過絕緣層向另一電極遷移而導致絕緣性能下降。產生離子遷移的原因是，散熱基板在通電後，導熱絕緣層兩側的金屬箔之間(或兩相鄰金屬線路之間)形成電場，這兩側的金屬就成為兩個電極，其中作為陽極的一方發生離子化並在電場作用下通過導熱絕緣層向另一邊的金屬(陰極)遷移。從而使導熱絕緣層處於離子導電狀態。顯然，這將使導熱絕緣層的絕緣性能下降甚至成為導體而造成短路故障。在產品進行高溫高濕偏壓測試(High Temperature and High Humidity Biased Test；HHBT)時，銅箔有可能產生銅離子遷移，降低導熱絕緣層的絕緣性，連帶影響耐電壓特性。
顯然，傳統金屬基印刷電路板(Metal Core PCB；MCPCB)存在許多問題，亟需進一步改善。
本發明揭露一種導熱基板，其中藉由設置陶瓷材料層，從而提升耐電壓值。另外，經由適當地控制金屬層和金屬底板的粗糙度與陶瓷材料層的厚度之間比值，可增加層與層之間的結合強度，特別適合使用在厚銅應用中。本發明的導熱基板亦具有良好散熱效果。
本發明揭露一種導熱基板，該導熱基板包括一金屬底板、一金屬層、一導熱絕緣高分子層及一陶瓷材料層。該導熱絕緣高分子層位於該金屬層與該金屬底板之間。該陶瓷材料層包括一上陶瓷層或一下陶瓷層，或同時包括該上陶瓷層和該下陶瓷層。該上陶瓷層設置於該金屬層與該導熱絕緣高分子層之間，該下陶瓷層設置於該導熱絕緣高分子層與該金屬底板之間。
一實施例中，該導熱基板於175ºC的體積電阻率為至少10 9Ω·cm。
一實施例中，該導熱基板於175ºC的體積電阻率與25 oC的體積電阻率之間比值定義成維持率，該維持率為至少10 -4。
一實施例中，該上陶瓷層與該金屬層形成物理接觸，該下陶瓷層與該金屬底板形成物理接觸。
一實施例中，該上陶瓷層和該下陶瓷層的厚度為3µm~100µm。
一實施例中，該上陶瓷層和該下陶瓷層相加的總厚度為5µm~200µm。
一實施例中，該上陶瓷層和該下陶瓷層為單一材料層，或者是由多個子層構成的多層複合材料層，及其中該單一材料層和該些子層的材質是氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂或氧化鈦。
一實施例中，該金屬層和該金屬底板的厚度為0.3mm~10mm。
一實施例中，該金屬層的下表面具有一粗糙度Rz，該金屬底板的上表面具有該粗糙度Rz，該粗糙度Rz為2μm~80μm。
一實施例中，該粗糙度Rz除以該上陶瓷層或該下陶瓷層的厚度之值為0.2~0.8。
一實施例中，該導熱基板於溫度85℃和相對濕度85% R.H.進行1000小時的直流DC耐電壓HHBT測試下，耐電壓值為至少DC1000V。
一實施例中，該導熱基板的熱阻小於0.16 oC /W。
本發明的導熱基板中設置有陶瓷材料層，具有抑制高溫下體積電阻率驟降的功效。此外，將金屬層或金屬底板表面予以粗糙化，可增加層與層之間的結合強度，從而提供現有DBC陶瓷基板無法使用於厚銅應用的解決方案。設置陶瓷材料層同時使得導熱基板具有良好散熱效果。
為讓本發明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。
參見圖1，圖1顯示本發明第一實施例的導熱基板100。該導熱基板100包括一金屬底板11、 一導熱絕緣高分子層12、一陶瓷材料層13及一金屬層14。導熱絕緣高分子層12設置於該金屬底板11上，並位於該金屬層14與該金屬底板11之間。本實施例中，陶瓷材料層13作為導熱基板中的一上陶瓷層，該陶瓷材料層(上陶瓷層)13設置於該金屬層14和該導熱絕緣高分子層12之間。一實施例中，該金屬層14的材質可以為銅，該金屬底板11的材質可以為銅、鋁、或銅/鋁合金。在本實施例中，該陶瓷材料層(上陶瓷層)13與該金屬層14形成物理接觸。較佳地，如圖4所示，該陶瓷材料層(上陶瓷層)13與該金屬層14的界面可以包括一微粗糙面16。同樣地，該金屬底板11與該導熱絕緣高分子層12的界面也可以包括另一微粗糙面17。微粗糙面16、17可增加該金屬層14、該陶瓷材料層(上陶瓷層)13、該導熱絕緣高分子層12及該金屬底板11之間的結合強度。一實施例中，該金屬層14和該金屬底板11的表面粗糙化可利用濕式蝕刻或機械研磨來實現。
如前所述，粗糙化可以提升層與層之間結合強度，藉此避免金屬層與陶瓷材料層之間的熱膨脹係數差異大所導致的剝離分層問題。進一步地，由於結合強度增加，層與層之間不易產生間隙，其中間隙會形成界面熱阻，所以粗糙化亦能使導熱基板具有較佳的導熱路徑及因而降低導熱基板的熱阻值。此外，粗糙化後的起伏傾斜表面將增加層與層之間界面的路徑長度，如此一來可降低水氣從側面滲入導熱基板的可能性，有助於提升導熱基板於高溫高濕環境下之耐電壓。
金屬層下表面的粗糙度及金屬底板上表面的粗糙度應有適當數值範圍，不宜過大或過小。太大的粗糙度會在金屬層與金屬底板兩者的粗糙化表面之間產生尖端放電問題，造成耐電壓不足，且不易加工；太小的粗糙度則無法達到上述技術效果。一實施例中，該金屬層的下表面具有一粗糙度Rz，該金屬底板的上表面具有該粗糙度Rz，該粗糙度Rz為2μm~80μm，例如5μm、10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm或70μm。可控制該粗糙度Rz除以該陶瓷材料層(上陶瓷層)的厚度之值為0.2~0.8，例如0.3、0.4、0.5、0.6或0.7，這可使得導熱基板具有良好的層與層之間的結合強度，具有足夠耐電壓，並且粗糙化容易進行加工。
導熱絕緣高分子層12包含高分子聚合物以及散佈於該高分子聚合物中之導熱填料。一實施例中，高分子聚合物可以包含熱塑型樹脂(thermoplastic resin)、熱固型樹脂(thermosetting resin)或其組合。導熱填料可以選自一氧化物或一氮化物，其中該氧化物可以使用氧化鋁、氧化鎂、氧化鋅或二氧化鈦，該氮化物可以使用氮化鋯、氮化硼、氮化鋁或氮化矽。
陶瓷材料層(上陶瓷層)13為單一材料層，其材質可以是氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂或氧化鈦或其他陶瓷材料。或者，陶瓷材料層(上陶瓷層)13可以是由多個子層構成的多層複合材料層，該些子層的材質亦可以是氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂或氧化鈦或其他陶瓷材料。不同的陶瓷材料具有各自有不同的特殊性質，因此可依產品需求，將陶瓷材料層(上陶瓷層)13設計成單一材料層或由多個子層構成的多層複合材料層的結構，以符合特性需要。
根據本發明，只有金屬層14與金屬底板11具有導電特性，因此導熱基板100的導熱絕緣層可視為包括導熱絕緣高分子層12和陶瓷材料層(上陶瓷層)13兩者。需知陶瓷材料可耐高溫，陶瓷材料在高溫下的體積電阻率相較於室溫不會有顯著變化。藉由本發明結構設計，儘管導熱絕緣高分子層12在100ºC~250ºC高溫下的體積電阻率相較於25ºC室溫下的體積電阻率大幅下降，但由於陶瓷材料在100ºC~250ºC高溫下的體積電阻率相較於25ºC室溫下不會大幅下降，導熱基板100的導熱絕緣層的整體體積電阻率不會大幅下降，解決了傳統結構設計中僅使用導熱絕緣高分子層作為導熱絕緣層時，其體積電阻率於高溫時驟降的問題。另外，陶瓷材料層(上陶瓷層)13設置在金屬層14與導熱絕緣高分子層12之間，陶瓷材料層(上陶瓷層)13可以阻擋金屬層14下表面的金屬離子往下遷移，克服了金屬離子遷移問題。此外，由於陶瓷材料的導熱率非常高，例如氧化鋁、氧化鎂及氧化鈦的導熱率分別為32W/m·K、36W/m·K及22W/m·K，所以陶瓷材料層(上陶瓷層)13可進一步降低導熱絕緣高分子層12的熱阻值。
導熱基板100之製作方法例示如下。首先，提供兩金屬箔，其中一金屬箔作為金屬底板11，另一金屬箔作為金屬層14。其次，利用濕式蝕刻或機械研磨將此兩金屬箔表面以予以粗糙化。接著，藉由例如熔射、化學氣相沉積、物理氣相沉積或濺射等方式在金屬層14上形成陶瓷材料層(上陶瓷層)13。由於金屬層14的表面已先被粗糙化，陶瓷材料層(上陶瓷層)13是順著具有粗糙化表面的金屬層14形成在金屬層14表面上，陶瓷材料層(上陶瓷層)13因此共形地形成在具有粗糙化表面的金屬層14上，藉此在金屬層14與陶瓷材料層(上陶瓷層)13之間形成微粗糙面16、17。然後，將金屬底板11、導熱絕緣高分子層12、陶瓷材料層(上陶瓷層)13及金屬層14由下往上依序疊置，並進行熱壓合。最後，利用切割或其他機械方式將熱壓合後的板體裁切成適當尺寸，以形成導熱基板100。
參見圖2，圖2顯示本發明第二實施例的導熱基板200。該導熱基板200與圖1第一實施例的差異是，陶瓷材料層13設置在導熱絕緣高分子層12與金屬底板11之間。本實施例中，陶瓷材料層13作為導熱基板中的一下陶瓷層，該陶瓷材料層(下陶瓷層)13與該金屬底板11形成物理接觸。同樣地，儘管導熱絕緣高分子層12在100ºC~250ºC高溫下的體積電阻率相較於25ºC室溫下的體積電阻率大幅下降，但由於陶瓷材料在100ºC~250ºC高溫下的體積電阻率相較於25ºC室溫下不會大幅下降，導熱基板的導熱絕緣層的整體體積電阻率不會大幅下降，解決了傳統結構設計中僅使用導熱絕緣高分子層作為導熱絕緣層時，其體積電阻率於高溫時驟降的問題。另外，陶瓷材料層(下陶瓷層)13設置在導熱絕緣高分子層12與金屬底板11之間，陶瓷材料層(下陶瓷層)13可以阻擋金屬層14下表面的金屬離子往下遷移，克服了金屬離子遷移問題。再者，如前所述，金屬層14下表面和金屬底板11上表面亦可以粗糙化，除了提升層與層之間結合強度的技術效果，亦能使導熱基板具有較低的熱阻值，並且可提升導熱基板於高溫高濕環境下之耐電壓。
參見圖3，圖3顯示本發明第三實施例的導熱基板300。該導熱基板300與圖1第一實施例或圖2第二實施例的差異是，陶瓷材料層13同時包括上陶瓷層131和下陶瓷層132，其中該上陶瓷層131與該金屬層14形成物理接觸，該下陶瓷層132與該金屬底板11形成物理接觸。同樣地，儘管導熱絕緣高分子層12在100ºC~250ºC高溫下的體積電阻率相較於25ºC室溫下的體積電阻率大幅下降，但由於陶瓷材料在100ºC~250ºC高溫下的體積電阻率相較於25ºC室溫下不會大幅下降，導熱基板的導熱絕緣層的整體體積電阻率不會大幅下降，解決了傳統結構設計中僅使用導熱絕緣高分子層作為導熱絕緣層時，其體積電阻率於高溫時驟降的問題。另外，上陶瓷層131和下陶瓷層132分別設置在金屬層14與導熱絕緣高分子層12之間及在導熱絕緣高分子層12與金屬底板11之間，上陶瓷層131和下陶瓷層132可以阻擋金屬層14下表面的金屬離子往下遷移，克服了金屬離子遷移問題。再者，如前所述，金屬層14下表面和金屬底板11上表面亦可以粗糙化，除了提升層與層之間結合強度的技術效果，亦能使導熱基板具有較低的熱阻值，並且可提升導熱基板於高溫高濕環境下之耐電壓。
表1顯示本發明的導熱基板的實施例E1~E10和對照例C1~C3之實驗條件及體積電阻率和維持率。在25 oC室溫和175 oC高溫下的體積電阻率量測是使用500V電壓量測30秒。導熱基板於175ºC的體積電阻率與25 oC的體積電阻率之間比值定義成維持率；其中維持率越大，則表示導熱基板於高溫下的體積電阻率相對於室溫越不易驟降，即高溫下的體積電阻率相較於室溫不易衰退。導熱基板的尺寸皆為10mmx10mm，其中金屬層14和金屬底板11均使用銅且具有1.0mm的厚度。導熱絕緣高分子層12中的高分子聚合物使用環氧樹脂，導熱填料使用氧化鋁，導熱填料填充率為50、66或72 vol%，使得導熱絕緣高分子層12的導熱係數分別為2W/m·K、6W/m·K或12W/m·K。導熱絕緣高分子層12的厚度為30µm、100µm、150µm或200µm。陶瓷材料層包括上陶瓷層131及/或下陶瓷層132，上陶瓷層131和下陶瓷層132的厚度為3µm、6µm或100µm。上陶瓷層131及/或下陶瓷層132是材質為氧化鋁(Al 2O 3)、氧化鋯(ZrO 2)、氧化鎂(MgO)或氧化鈦(TiO 2)等的單一材料層，或者是由材質分別為氧化鋁/氧化鈦 (Al 2O 3/ TiO 2) 、氧化鋁/氧化鎂 (Al 2O 3/MgO)、氧化鋁/氧化鋯 (Al 2O 3/ ZrO 2)等的兩個子層構成的多層複合材料層。若僅在導熱基板設置一層陶瓷材料層(即設置上陶瓷層或下陶瓷層)，該上陶瓷層或下陶瓷層的厚度為3µm~100µm；若在導熱基板同時設置兩層陶瓷材料層(即設置上陶瓷層及下陶瓷層)，該上陶瓷層及下陶瓷層相加的總厚度為5µm~200µm。金屬層的下表面具有一粗糙度Rz，金屬底板的上表面具有該粗糙度Rz，該粗糙度Rz為2μm~80μm，例如5μm、10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm或70μm，以控制該粗糙度Rz除以該上陶瓷層或該下陶瓷層的厚度之值為0.5~0.8。
表1
　 陶瓷材料層材質 上陶瓷層厚度 (µm) 導熱填料填充率 (vol%) 導熱絕緣高分子層導熱係數 (W/m·K) 導熱絕緣高分子層厚度 (µm) 下陶瓷層厚度 (µm) 25 oC 體積電阻率 (Ω·cm) 175 oC 體積電阻率 (Ω·cm) 維持率 熱阻 (oC/W)
C1 - - 50% 2 200 - 8.5E+14 4.9E+07 5.8E-08 0.159
C2 - - 66% 6 100 - 7.8E+14 2.3E+07 2.9E-08 0.028
C3 - - 72% 12 200 - 2.3E+14 3.6E+07 1.6E-07 0.028
E1 Al 2O 3 - 50% 2 150 3 1.7E+15 2.4E+12 1.4E-03 0.117
E2 Al 2O 3 - 66% 6 100 100 9.3E+14 7.5E+13 8.1E-02 0.034
E3 Al 2O 3 3 66% 6 200 3 1.7E+15 5.8E+12 3.5E-03 0.052
E4 Al 2O 3 100 72% 12 30 100 2.3E+14 1.7E+14 7.3E-01 0.021
E5 ZrO 2 - 50% 2 150 3 6.1E+14 2.8E+12 4.6E-03 0.118
E6 MgO - 50% 2 150 3 4.4E+15 5.8E+12 1.3E-03 0.117
E7 TiO 2 - 50% 2 150 3 5.7E+14 1.4E+13 2.4E-02 0.117
E8 Al 2O 3/TiO 2 - 66% 6 100 6 4.2E+15 3.2E+13 7.5E-03 0.029
E9 Al 2O 3/MgO - 66% 6 100 6 1.1E+15 5.3E+12 4.8E-03 0.029
E10 Al 2O 3/ZrO 2 - 66% 6 100 6 3.1E+15 1.2E+13 3.9E-03 0.029
復參表1，C1~C3使用導熱係數為2~12W/m·K和厚度為100~200µm的導熱絕緣高分子層，然而導熱基板中並無設置陶瓷材料層，其測試結果顯示維持率甚小，即175ºC的體積電阻率相較於25 oC的體積電阻率衰退非常多。
復參表1，E1~E4同樣使用導熱係數為2~12W/m·K和厚度為30~200µm的的導熱絕緣高分子層，但搭配材質為氧化鋁(Al 2O 3)和不同厚度的上陶瓷層131及/或下陶瓷層132。導熱絕緣層的厚度可視為包括導熱絕緣高分子層和陶瓷材料層兩者相加的厚度，即E1~E8的導熱絕緣層的厚度為導熱絕緣高分子層和上陶瓷層及/或下陶瓷層相加的厚度，範圍在153~230µm。表1顯示E1~E4的維持率比C1~C3大得多，足證藉由在導熱基板中設置陶瓷材料層，可使得於高溫下的體積電阻率相對於室溫不易驟降。
復參表1，E5~E7的條件與E1相同，但下陶瓷層是使用其他材質的單一材料層，同樣顯示於高溫下的體積電阻率相對於室溫不易驟降。E8~E10的陶瓷材料層包括下陶瓷層，其中下陶瓷層是由兩個子層構成的多層複合材料層，例如E8的下陶瓷層是由材質分別為氧化鋁/氧化鈦 (Al 2O 3/ TiO 2)的兩個子層構成的多層複合材料層，亦同樣顯示於高溫下的體積電阻率相對於室溫不易驟降。
由表1可知，藉由在導熱基板中設置陶瓷材料層可使得於高溫下的體積電阻率相對於室溫不易驟降。一實施例中，導熱基板於175ºC高溫下的體積電阻率為至少10 9Ω·cm，例如至少10 10Ω·cm、至少10 11Ω·cm、至少10 12Ω·cm、至少10 13Ω·cm、至少10 14Ω·cm或至少10 15Ω·cm，並且維持率為至少10 -4，例如至少10 -3、至少10 -2或至少10 -1。根據本發明，可以在導熱基板中僅設置上陶瓷層或下陶瓷層，該上陶瓷層或下陶瓷層的厚度為3µm~100µm。或者，可以在導熱基板的導熱絕緣高分子層上方和下方分別設置上陶瓷層及下陶瓷層，該上陶瓷層及下陶瓷層相加的總厚度為5µm~200µm。
表2顯示本發明的導熱基板的實施例E11~E17和對照例C4~C6之實驗條件及冷熱衝擊試驗結果。冷熱衝擊試驗是用來評估陶瓷材料層的設置是否可增加層與層之間的結合強度，因此E11~E17和C4~C6均包括陶瓷材料層，並藉由試驗來獲得最佳的粗糙化條件。冷熱衝擊試驗是按以下參數進行：-40 oC~150 oC/500次循環，各溫區持溫30分鐘，高/低溫切換時間＜5秒。導熱基板的尺寸皆為10mmx10mm，其中金屬層14和金屬底板11均使用銅且具有1.0mm的厚度。導熱絕緣高分子層12中的高分子聚合物使用環氧樹脂，導熱填料使用氧化鋁，導熱填料填充率為50、66或72 vol%，使得導熱絕緣高分子層12的導熱係數分別為2W/m·K、6W/m·K或12W/m·K。導熱絕緣高分子層12的厚度為30µm、100µm或200µm。陶瓷材料層包括上陶瓷層131及/或下陶瓷層132，上陶瓷層131和下陶瓷層132的厚度為3µm、7µm、10µm或100µm。上陶瓷層131及/或下陶瓷層132是材質為氧化鋁(Al 2O 3)、氧化鋯(ZrO 2)、氧化鎂(MgO)或氧化鈦(TiO 2) 等的單一材料層。若僅在導熱基板設置一層陶瓷材料層(即設置上陶瓷層或下陶瓷層)，該上陶瓷層或下陶瓷層的厚度為3µm~100µm；若在導熱基板同時設置兩層陶瓷材料層(即設置上陶瓷層及下陶瓷層)，該上陶瓷層及下陶瓷層相加的總厚度為5µm~200µm。
表2
　 金屬層 粗糙度 (µm) 陶瓷材料層材質 上陶瓷層 厚度 (µm) 導熱絕緣高分子層 導熱係數 (W/m·K) 導熱絕緣高分子層厚度 (µm) 下陶瓷層 厚度 (µm) 金屬底板 粗糙度 (µm) 冷熱衝擊試驗結果
C4 1.3 Al 2O 3　 7 2 100 - - 銅層與陶瓷層之間剝離
C5 1.5 Al 2O 3　 10 6 200 10 1.5 銅層與陶瓷層之間剝離
C6 1.5 Al 2O 3　 100 12 30 100 1.5 銅層與陶瓷層之間剝離
E11 - Al 2O 3 - 2 200 3 2.2 無異常
E12 - Al 2O 3 - 6 100 100 80 無異常
E13 2.1 Al 2O 3 3 6 100 3 2.3 無異常
E14 80 Al 2O 3 100 12 30 100 80 無異常
E15 2.5 ZrO 2 3 6 100 3 2.3 無異常
E16 2.4 MgO 3 6 100 3 2.3 無異常
E17 2.8 TiO 2 3 6 100 3 2.3 無異常
復參表2，C4~C6使用導熱係數為2~12W/m·K和厚度為30~200µm的導熱絕緣高分子層，陶瓷材料層的材質均為氧化鋁(Al 2O 3)，金屬層和金屬底板的粗糙度控制在1.3µm或1.5µm，其冷熱衝擊試驗結果顯示金屬層(銅層)與上陶瓷層之間以及金屬底板(銅層)與下陶瓷層之間發生剝離現象。
復參表2，E11~E14使用導熱係數為2~12W/m·K和厚度為30~200µm的導熱絕緣高分子層，陶瓷材料層的材質均為氧化鋁(Al 2O 3)，金屬層和金屬底板的粗糙度控制在2.1µm~80µm，其冷熱衝擊試驗顯示金屬層(銅層)與上陶瓷層之間以及金屬底板(銅層)與下陶瓷層之間並無剝離現象。
復參表2，E15~E17相較於E13是陶瓷材料層(上陶瓷層或下陶瓷層)為使用不同材質的單一材料層，其餘條件相同，其冷熱衝擊試驗顯示金屬層(銅層)與上陶瓷層之間以及金屬底板(銅層)與下陶瓷層之間並無剝離現象。
由表2可知，將金屬層和金屬底板的粗糙度控制在2µm~80µm，可增進金屬層與上陶瓷層之間及金屬底板與下陶瓷層之間的結合強度。特別是，儘管本試驗是使用厚度高達1.0mm的金屬層14和金屬底板11來進行，但只要適當地控制金屬層和金屬底板的粗糙度，就不會有剝離分層現象發生，顯然本發明可適用於厚銅應用中。金屬層下表面的粗糙度及金屬底板上表面的粗糙度應有適當數值範圍，不宜過大或過小。太大的粗糙度會在金屬層與金屬底板兩者的粗糙化表面之間產生尖端放電問題，造成耐電壓不足，且不易加工；太小的粗糙度則無法達到上述技術效果。一實施例中，該金屬層的下表面具有一粗糙度Rz，該金屬底板的上表面具有該粗糙度Rz，該粗糙度Rz為2μm~80μm，例如5μm、10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm或70μm。較佳地，該粗糙度Rz除以該上陶瓷層或該下陶瓷層的厚度之值為0.2~0.8，例如0.3、0.4、0.5、0.6或0.7。以上參數可使得導熱基板具有良好的層與層之間的結合強度，並且粗糙化不會產生尖端放電問題。
表3顯示本發明的導熱基板的實施例E18~E27和對照例C7~C8之實驗條件及HHBT測試結果。HHBT是用來評估導熱基板於高溫高濕條件下的耐電壓特性。HHBT的測試條件為於溫度85℃和相對濕度85% R.H.進行1000小時的直流DC耐電壓測試。導熱基板的尺寸皆為10mmx10mm，其中金屬層14和金屬底板11均使用銅且具有1.0mm的厚度。導熱絕緣高分子層12中的高分子聚合物使用環氧樹脂，導熱填料使用氧化鋁，導熱填料填充率為50、66或72 vol%，使得導熱絕緣高分子層12的導熱係數分別為2W/m·K、6W/m·K或12W/m·K。導熱絕緣高分子層12的厚度為30µm、100µm或200µm。陶瓷材料層包括上陶瓷層131及/或下陶瓷層132，上陶瓷層131和下陶瓷層132的厚度為3µm或100µm。陶瓷材料層是材質為氧化鋁(Al 2O 3)、氧化鋯(ZrO 2)、氧化鎂(MgO)或氧化鈦(TiO 2)等的單一材料層，或者是由材質分別為氧化鋯/ 氧化鈦(ZrO 2/ TiO 2)、氧化鋯/ 氧化鎂(ZrO 2/ MgO)、氧化鋁/氧化鋯 (Al 2O 3/ ZrO 2)等的兩個子層構成的多層複合材料層。若僅在導熱基板設置一層陶瓷材料層(即設置上陶瓷層或下陶瓷層)，該上陶瓷層或下陶瓷層的厚度為3µm~100µm；若在導熱基板同時設置兩層陶瓷材料層(即設置上陶瓷層及下陶瓷層)，該上陶瓷層及下陶瓷層相加的總厚度為5µm~200µm。
表3
　 陶瓷材料層材質　 上陶瓷層厚度 (µm) 導熱絕緣高分子層導熱係數 (W/m·K) 導熱絕緣高分層厚度 (µm) 下陶瓷層厚度 (µm) HHBT測試結果
DC300V DC500V DC1000V DC2000V
C7 　 - 2 100 - 通過 不通過 不通過 　
C8 　 - 12 200 - 通過 通過 不通過 　
E18 Al 2O 3 - 2 200 3 通過 通過 通過 不通過
E19 Al 2O 3 - 2 100 100 通過 通過 通過 通過
E20 Al 2O 3 3 6 100 3 通過 通過 通過 通過
E21 Al 2O 3 100 12 30 100 通過 通過 通過 通過
E22 ZrO 2 3 6 100 3 通過 通過 通過 通過
E23 MgO 3 6 100 3 通過 通過 通過 通過
E24 TiO 2 3 6 100 3 通過 通過 通過 通過
E25 ZrO 2/TiO 2 3 6 100 3 通過 通過 通過 通過
E26 ZrO 2/MgO 3 6 100 3 通過 通過 通過 通過
E27 Al 2O 3/ZrO 2 3 6 100 3 通過 通過 通過 通過
復參表3，C7~C8使用導熱係數為2~12W/m·K和厚度為100~200µm的導熱絕緣高分子層，然而導熱基板中並無設置陶瓷材料層，其HHBT測試結果顯示C7~C8只能通過DC300V~DC500V。
復參表3，E18~E21使用導熱係數為2~12W/m·K和厚度為30~200µm的導熱絕緣高分子層，陶瓷材料層的材質均為氧化鋁(Al 2O 3)。若僅在導熱基板設置一層陶瓷材料層(即設置上陶瓷層或下陶瓷層)，該上陶瓷層或下陶瓷層的厚度為3µm~100µm；若在導熱基板同時設置兩層陶瓷材料層(即設置上陶瓷層及下陶瓷層)，該上陶瓷層及下陶瓷層相加的總厚度為5µm~200µm。HHBT測試結果顯示E18已能通過DC1000V，而E19~E21已能通過DC2000V。E19~E21的耐電壓值比E18來得好，原因在於陶瓷材料層的總厚度更厚，因此可以通過更高電壓的直流DC耐電壓測試。
復參表3，E22~E27相較於E20使用不同材質的的單一材料層或是由兩個子層構成的多層複合材料層，其餘條件相同，其HHBT測試結果顯示E22~E27均能通過DC2000V。
由表3可知，藉由在導熱基板中設置陶瓷材料層可提升導熱基板的耐電壓。特別是，若僅設置一層陶瓷材料層，該上陶瓷層或下陶瓷層的厚度為3µm~100µm；若設置兩層陶瓷材料層，該上陶瓷層及下陶瓷層相加的總厚度為5µm~200µm；此數值範圍內的厚度可提升耐電壓值到至少DC1000V，或甚至到至少DC2000V以上。
表4顯示本發明的導熱基板的實施例E28~E33和對照例C9~C10之實驗條件及熱阻測試結果。熱阻測試是使用TO-220功率電晶體作為熱源，TO-220功率電晶體的輸出功率W為約60瓦，TO-220功率電晶體所焊接的金屬層圖案具有10mmx10mm=100mm 2的面積，在量測導熱基板頂部(即TO-220功率電晶體與導熱基板之間位置處)的溫度T1與導熱基板底部(即導熱基板與其下方散熱片之間位置處)的溫度T2後，熱阻由以下公式計算而得：熱阻 = (T1-T2)/W = △T/W。熱阻測試沒有使用ASTM D5470標準規範來測試是因為ASTM D5470測試方法僅能評估在縱向(z-軸)的散熱效果，而TO-220測試方法可以評估在各方向(包括z-軸及x-軸和y-軸)的散熱效果，從TO-220測試結果可更精確得知使用厚銅時對導熱基板所造成的散熱影響程度。導熱基板的尺寸皆為40mmx40mm，其中金屬層14均使用銅，金屬底板11使用銅或鋁。導熱絕緣高分子層12中的高分子聚合物使用環氧樹脂，導熱填料使用氧化鋁，導熱填料填充率為50、66或72 vol%，使得導熱絕緣高分子層12的導熱係數分別為2W/m·K、6W/m·K或12W/m·K。導熱絕緣高分子層12的厚度為100µm。陶瓷材料層包括上陶瓷層131及下陶瓷層132，上陶瓷層131的厚度為6µm，下陶瓷層132的厚度為3µm。陶瓷材料層是材質為氧化鋁(Al 2O 3)、氧化鎂(MgO)等的單一材料層，或者是由材質分別為氧化鋁/氧化鎂 (Al 2O 3/ MgO)的兩個子層構成的多層複合材料層。
表4
　 陶瓷材料層材質 金屬層厚度 (mm) 上陶瓷層厚度 (µm) 導熱絕緣高分子層導熱係數 (W/m·K) 導熱絕緣高分子層厚度 (µm) 下陶瓷層厚度 (µm) 金屬底板厚度 (mm) 輸出功率 (W) 電晶體溫度T1 ( oC) 導熱基板底部溫度T2 ( oC) 溫度差△T ( oC) 熱阻 ( oC/W)
C9 　 0.1 - 12 100 - 銅:0.3 60.2 54.3 29.1 25.2 0.419
C10 　 0.1 - 12 100 - 鋁:0.3 60.1 56.6 28.3 28.3 0.471
E28 Al 2O 3 0.3 6 2 100 3 銅:0.3 60.2 46.7 30.5 16.2 0.269
E29 Al 2O 3 10 6 2 100 3 鋁:0.3 60.2 38.5 32.5 6.0 0.100
E30 MgO 0.3 6 6 100 3 鋁:0.3 60.2 43.8 30.7 13.1 0.218
E31 MgO 10 6 12 100 3 鋁:0.3 60.2 38.2 32.6 5.6 0.093
E32 Al 2O 3/MgO 0.3 6 2 100 3 鋁:0.3 60.1 45.3 30.7 14.6 0.243
E33 Al 2O 3/MgO 10 6 2 100 3 鋁:0.3 60.0 38.4 32.6 5.8 0.097
復參表4，C9~C10使用導熱係數為12W/m·K和厚度為100µm的導熱絕緣高分子層，金屬層厚度不厚而為0.1mm，金屬底板厚度較厚而為0.3mm，然而導熱基板中並無設置陶瓷材料層，其測試結果顯示C9和C10的熱阻分別為0.419 oC/W和0.471 oC/W。
復參表4，E28~E33相較於C9~C10是陶瓷材料層(上陶瓷層或下陶瓷層)為使用不同材質的單一材料層或是由兩個子層構成的多層複合材料層，搭配使用導熱係數為2W/m·K 、6W/m·K或12W/m·K和厚度為100µm的導熱絕緣高分子層，金屬層厚度較厚而為0.3mm或10mm，金屬底板厚度較厚而為0.3mm，其測試結果顯示E28~E33的熱阻為0.09 oC/W~0.27 oC/W。
由表4可知，縱然E28~E33的金屬層厚度比 C9~C10更厚，但E28~E33的熱阻遠低於C9~C10的熱阻，顯然E28~E33在0.3mm~10mm的厚銅應用中具有良好的散熱效果，也就是在x-軸、y-軸和z-軸方向的熱散逸具有顯著效果，並且如表2所示，並無剝離分層現象發生。實際應用上，金屬層的材質可以為銅，金屬底板的材質可以為銅、鋁、或銅/鋁合金。根據本發明，厚銅應用是指金屬層和金屬底板的厚度為0.3mm~10mm，例如1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm或9mm。
綜上，本發明的導熱基板，其中經由設置陶瓷材料層使得於高溫下的體積電阻率相對於室溫不易驟降。另外，根據本發明，將金屬層或金屬底板表面予以粗糙化，可增加層與層之間的結合強度，並無剝離分層現象發生。本發明的導熱基板亦具有良好散熱效果。
本發明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發明之教示及揭示而作種種不背離本發明精神之替換及修飾。因此，本發明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發明之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。
11:金屬底板 12:導熱絕緣高分子層 13、131、132:陶瓷材料層 14:金屬層 16、17:微粗糙面 100、200、300:導熱基板
圖1顯示本發明第一實施例的導熱基板剖面示意圖。 圖2顯示本發明第二實施例的導熱基板剖面示意圖。 圖3顯示本發明第三實施例的導熱基板剖面示意圖。 圖4顯示本發明第四實施例的導熱基板剖面示意圖。
11:金屬底板
12:導熱絕緣高分子層
13:陶瓷材料層
14:金屬層
100:導熱基板

Claims (8)

  1. 一種導熱基板，包括：一金屬底板；一金屬層；一導熱絕緣高分子層，位於該金屬層與該金屬底板之間；及一陶瓷材料層，包括一上陶瓷層或一下陶瓷層，或同時包括該上陶瓷層和該下陶瓷層；其中該上陶瓷層設置於該金屬層與該導熱絕緣高分子層之間，該下陶瓷層設置於該導熱絕緣高分子層與該金屬底板之間；其中該導熱基板於175℃的體積電阻率與25℃的體積電阻率之間比值定義成維持率，該維持率為至少10-4；其中當該陶瓷材料層包括該上陶瓷層或該下陶瓷層時，該上陶瓷層和該下陶瓷層的厚度分別為3μm~100μm；及當該陶瓷材料層同時包括該上陶瓷層和該下陶瓷層時，該上陶瓷層和該下陶瓷層相加的總厚度為5μm~200μm；其中該金屬層的厚度為0.3mm~10mm；其中該導熱基板於溫度85℃和相對濕度85% R.H.進行1000小時的直流DC耐電壓HHBT測試下，耐電壓值為至少DC1000V。
  2. 根據請求項1之導熱基板，其中該導熱基板於175℃的體積電阻率為至少109Ω．cm。
  3. 根據請求項1之導熱基板，其中該上陶瓷層與該金屬層形成物理接觸，該下陶瓷層與該金屬底板形成物理接觸。
  4. 根據請求項1之導熱基板，其中該上陶瓷層和該下陶瓷層為單一材料層，或者是由多個子層構成的多層複合材料層，及其中該單一材料層和該些子層的材質是氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂或氧化鈦。
  5. 根據請求項1之導熱基板，其中該金屬底板的厚度為0.3mm~10mm。
  6. 根據請求項1之導熱基板，其中該金屬層的下表面具有一粗糙度Rz，該金屬底板的上表面具有該粗糙度Rz，該粗糙度Rz為2μm~80μm。
  7. 根據請求項6之導熱基板，其中該粗糙度Rz除以該上陶瓷層或該下陶瓷層的厚度之值為0.2~0.8。
  8. 根據請求項1之導熱基板，該導熱基板的熱阻小於0.16℃/W。
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